Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2020 номер 4

Анализируются особенности описания движений винтового вихря и частиц вдоль его оси. Совпадение винтовой формы вихревой оси с винтообразной траекторией движения частиц вдоль нее приводит иногда к ложному отождествлению этих двух различных перемещений при их описании. Действительно, ошибочное отождествление абсолютной скорости движения жидких частиц с собственным перемещением вихря делает неверными оценки скоростей, индуцируемых концевыми винтовыми вихрями в следах за роторами, или перемещений ядра винтообразного торнадо и пр. С другой стороны, полное совпадение геометрической формы оси винтового вихря с траекторией движения находящихся на ней частиц порождает это заблуждение, ошибочно отождествляющее эти два разных перемещения. Очевидно, что бесспорным доказательством может стать только эксперимент, разделяющий наглядно эти два движения. С этой целью авторы экспериментально рассматривают случай неподвижного винтового вихря, вдоль оси которого интенсивно движутся жидкие частицы. Полученный результат показывает, что абсолютная скорость жидких частиц не совпадает с движением вихря в целом.

Представлено аналитическое решение для винтовых вихрей с гауссовым распределением завихренности в ядре, которое подтверждено путем экспериментальных и численных моделирований. Данный результат получен путем распространения методики Дайсона для закона Био-Савара. Ранее аналитические решения были найдены и исследованы только для вихрей с постоянным распределением завихренности в ядре (вихревое ядро типа Рэнкина). Одним из важных является вопрос, поднятый в ходе дискуссии и касающийся различия между самоиндуцированными движениями винтообразных структур с обоими типами вихревого ядра. Предлагаемые решения имеют значение для фундаментального понимания и описания поведения потоков с винтовыми вихрями в различных областях промышленности и в природе. В качестве примеров можно привести концевые вихри за роторами ветро- или гидротурбин, торнадо или приосевые вихри в аэродинамических устройствах, таких как вихревые аппараты и генераторы; циклонные сепараторы, камеры сгорания и др.

Проведены расчетные исследования аэродинамических характеристик возвращаемого аппарата «Федерация» на высоте 90 км методом прямого статистического моделирования. Показано количественное влияние ряда физико-химических моделей данного метода на аэродинамические характеристики аппарата.

Представлены результаты численного исследования структуры течения в прямоугольном канале модельного воздухозаборника при взаимодействии генерируемого обечайкой скачка уплотнения с турбулентным пограничным слоем на внутренних гранях канала. Рассматривается конфигурация, состоящая из сужающегося входного участка и горловины постоянного поперечного сечения. Выполнено численное моделирование трехмерного течения при числе Маха набегающего потока М = 4 на основе осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса и модели турбулентности k-w SST. В результате расчетов получены предельные линии тока и распределения статического давления на поверхностях канала, распределения полного давления и поля чисел Маха в его поперечных сечениях. Анализируется структура течения и указывается возможность существования продольных вихревых структур в угловой области горла канала воздухозаборника.

Представлены результаты компьютерного моделирования пленочного охлаждения за двумя рядами траншей на адиабатной поверхности с подачей охладителя через наклонные отверстия в траншее. Расчеты выполнены в диапазоне изменения параметра вдува от 0,4 до 2,2 с использованием коммерческого пакета ANSYS CFX 14 и SST модели турбулентности. Обнаружено, что при параметре вдува m > 0,6 за второй траншеей наблюдается асимметрия эффективности пленочного охлаждения, которая увеличивается с ростом параметра вдува. Это объясняется нестационарным характером взаимодействия охлаждающих струй из отверстий первого и второго рядов. В области между первым и вторым рядами траншей около концевых «полос» эффективность пленочного охлаждения на 5¸10 % выше, чем около средних, а за второй траншеей на 8¸20 % ниже, что связано с шахматным расположением отверстий вдува. Для всех параметров вдува осредненная по площади эффективность пленочного охлаждения около концевых «полос» адиабатной поверхности ниже, чем около средних.

Экспериментально исследована нестационарная тепловая гравитационно-капиллярная конвекция в прямоугольной полости при внезапном разогреве одной из вертикальных стенок электрическим током. Исследовано развитие во времени пространственной формы течений этилового спирта с числом Прандтля Pr = 16 при 20 °С. Изучено развитие гидродинамического пограничного слоя на нагреваемой стенке и течения вдоль свободной поверхности слоя жидкости. Измерены профили вертикальной и горизонтальной компонент скорости в процессе развития пограничных слоев и течения в объеме жидкости. С использованием тепловизора исследована эволюция полей температуры на свободной поверхности слоя жидкости.

Исследуется турбулентное движение термовязкой жидкости в трехмерной области, периодически продолженной в двух направлениях. Характеристики течения описываются в терминах уравнения для турбулентной кинетической энергии, позволяющего разделить вклад различных слагаемых, связанных с производством, транспортом и диссипацией турбулентной кинетической энергии. Указанные члены можно получить на основе моментов усреднения различного порядка. Предыдущие исследования показали, что течение термовязкой жидкости проходит несколько стадий эволюции, в том числе и стадию нестационарной турбулентности, что позволяет обсудить вопросы математической строгости и применимости различных методов усреднения. Существование пространственной периодичности допускает использование комбинированного пространственно-временного усреднения различных величин на участке стационарной турбулентности. Результаты данного метода представлены в виде совокупности Z - t -диаграмм. Кроме того, в работе проводится анализ развития течения на основе непосредственной визуализации полей скорости и температуры.

Работа посвящена созданию лазерного доплеровского анемометра (ЛДА) для исследования высокоскоростных многофазных потоков. На основе анализа методов доплеровской анемометрии сформулированы требования к современным ЛДА для решения указанных задач и пути их реализации с учетом современного состояния лазерной техники и спектроскопии. Представлен прототип анемометра с прямым спектральным анализом на основе новейшей элементной базы. Показаны его работоспособность на примере сверхзвуковых газожидкостных струй и возможность его применения для других задач.

Представлены результаты численного моделирования локальной структуры и теплообмена двухфазного течения со стенкой трубы в вертикальном полидисперсном газожидкостном потоке. Математическая модель основана на использовании эйлерова описания с учетом влияния пузырьков на осредненные характеристики и турбулентность несущей фазы. Полидисперсность двухфазного течения описывается методом дельта-аппроксимации с учетом процесса дробления и коалесценции пузырьков. Турбулентность несущей фазы рассчитывается с применением модели переноса рейнольдсовых напряжений. Результаты моделирования показали хорошее согласование с представленными в литературе экспериментальными данными. Экспериментальные и численные данные по изменению теплогидравлического параметра говорят о том, что в турбулентном потоке при добавлении воздушных пузырьков происходит в бóльшей степени рост трения на стенке, чем теплообмена.

Представленная работа посвящена исследованию условий самовоспламенения водорода и распространения пламени в сверхзвуковой камере сгорания при числе Маха на входе 4. Экспериментальная модель представляет собой прямоугольный канал со стабилизатором пламени в виде обращенного назад уступа. Подача топлива осуществлялась перед уступом на верхней и нижней стенках модели через 8 круглых отверстий, которые располагались под углами 45° или 90°. Испытания проводились в широком диапазоне параметров потока, которые были близки к условиям полета. Проведенные исследования позволили определить эффективную модель подачи топлива для самовоспламенения и стабилизации пламени, а также предотвратить запирание канала. Установлено, что выбор схемы и давления подачи топлива определяют условия воспламенения и позволяют регулировать процесс сгорания.

Методом воздушно-плазменного напыления порошковых и суспензионных материалов получены гидрофобные и высокогидрофобные покрытия из оксида циркония. Предлагаемый метод и разработанное оборудование позволяют получать наноструктурированные поверхности, обладающие водоотталкивающими свойствами. Высокая гидрофобность покрытия достигается путем создания иерархической текстуры его поверхности, получаемой комбинированным методом плазменного напыления порошковых и жидкофазных материалов. Развитая поверхность покрытия на основе оксида циркония ZrO₂, полученная методом последовательного плазменного напыления микропорошков (с размерами микрочастиц 20-40 мкм) и жидких материалов в виде суспензий (с размером наночастиц 50-100 нм), позволяет повысить угол смачивания водой до 145 градусов.

Представлены результаты математического моделирования процесса формирования полых микросфер при нагреве и плавлении пористых частиц кремнезема (прекурсора) в потоке низкотемпературной плазмы. На основе предложенной модели, учитывающей частичное капсулирование газа, получены и проанализированы закономерности эволюции диаметра и толщины оболочки полых микросфер в диапазоне диаметров частиц прекурсора D ₀ = (50÷150) мкм и их пористости П = (0,2÷0,6).

В работе приведены результаты исследования влияния высокоэнергетических воздействий на морфологию поверхности и формирование внутренней структуры частиц меди марки ПМС-1. Показано, что механическая обработка медного порошка в планетарной мельнице приводит к формированию порошковых агломератов слоистой структуры, состоящих из множества деформированных ультрадисперсных частиц. Отмечено, что в объеме агломерированной частицы имеются дефекты в виде микротрещин и закрытых микропор с содержанием исходного газа. Последующая обработка порошка в аргон-гелиевой плазменной струе приводит к формированию плотных частиц, а также частиц, имеющих распределенные газовые объемы или одиночную полость. Установлено, что при взаимодействии расплавленного металла с локализованными газовыми объемами во время плазменной обработки происходит точечное окисление материала. Формируется дисперсноупрочненная структура с соединениями оксида меди преимущественно округлой формы, размером от десятков нанометров до 7 мкм, равномерно распределенными по объему частицы.

Проведено численное исследование формирования температурного поля, скорости таяния вертикально расположенного на непрозрачной подложке слоя рассеивающего излучение льда при радиационном нагреве. Для решения части задачи, касающейся радиационного теплообмена, использован модифицированный метод средних потоков, учитывающий объемное поглощение и рассеяние излучения в среде, а также селективный характер источника излучения. Показано влияние спектральных объемных свойств льда на таяние и рост температуры необлучаемой стороны. Сравнение результатов расчетов с опытными данными показывает удовлетворительное согласование.

Методами лазерной вспышки и смешения измерены теплопроводность и приращение энтальпии сплава K-Pb эвтектического состава (с содержанием Pb 90,7 ат. %) в интервале температур от точки ликвидуса до 1077¸1175 K. Рассчитаны удельная теплоемкость и температуропроводность сплава. Получены аппроксимационные уравнения для исследованных свойств, а также разработана таблица справочных данных. Показано, что теплопроводность расплава эвтектики меньше, чем у чистого свинца, и растет с увеличением температуры.

С помощью метода теневой фотографии исследован дисперсный состав капель, образующихся при распылении жидкого топлива высокоскоростной струей перегретого водяного пара. Такой способ распыления препятствует засорению топливных каналов и распылительных устройств при сжигании некондиционных жидких углеводородов. В работе использован длиннофокусный макроскопический объектив, создающий оптическое увеличение 7:1 и обеспечивающий возможность измерения частиц размерами от 1 мкм. Установлено, что преимущественный размер идентифицированных капель топливного спрея составляет 1-2 мкм.

17 июня 2020 года исполнилось 80 лет крупному ученому, механику и математику, академику Роберту Искандеровичу Нигматулину. Р.И. Нигматулин родился в Москве. В 1963 г. он окончил факультет энергомашиностроения МВТУ им. Н.Э. Баумана, а в 1965 г. механико-математический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова. В 1967 г. Роберт Искандерович защитил кандидатскую, а в 1971 г. - докторскую диссертации. С 1963 по 1986 годы он работал в Институте механики МГУ, где прошел путь от младшего научного сотрудника до заведующего лабораторией и профессора механико-математического факультета МГУ. В 1986 г. в связи с организацией Тюменского научного центра СО АН СССР Р.И. Нигматулин был приглашен в Тюмень, где вместе со своими учениками организовал кафедру механики многофазных систем в Тюменском государственном университете и Институт механики многофазных систем СО АН СССР. В 1987 г. его избрали членом-корреспондентом АН СССР, а в 1991 г. - академиком РАН. В 1993 г. Роберт Искандерович был направлен в Уфу, где возглавил Уфимский научный центр РАН, а с 1995 г. - и Академию наук Республики Башкортостан. С 2006 г. он является членом Президиума РАН и директором (2006-2016 гг., а с 2017 г. - научным руководителем) Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, членом Бюро Отделения наук о Земле РАН, с 2010 г. - заведующим кафедрой газовой и волновой динамики МГУ им. М.В. Ломоносова, а затем и профессором Сколтеха.