Главная – Журналы – Прикладная механика и техническая физика 2021 номер 6

Представлены результаты численного исследования ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое вытянутого сфероида с помощью газодинамического пакета ANSYS Fluent с подключаемым оригинальным модулем ламинарно-турбулентного перехода, разработанным на базе e ^N-метода. На основе экспериментальных данных предложен метод определения раздельных пороговых N -факторов для различных механизмов перехода.

Газодинамические законы сохранения в интегральной форме для участков каналов, где имеют место излом оси, скачок площади поперечного сечения, разветвление канала, представляют собой незамкнутую систему уравнений. Проблема незамкнутости решается методом, основанным на независимости термодинамической функции (коэффициента восстановления давления) от указанных геометрических аргументов. Математическая модель сводится к замкнутой системе нелинейных алгебраических уравнений, не требующих использования дополнительных гипотез и допускающих решение в явном виде при малых значениях числа Маха.

С помощью сопряженных уравнений разработан метод решения краевых задач для уравнений второго и третьего порядков. С использованием метода факторизации трехточечная краевая задача для уравнения третьего порядка сведена к системе уравнений первого и второго порядков. Для решения уравнения второго порядка строится дискретная задача, которая затем используется при решении основной задачи. Особенность метода заключается в том, что при построении дискретных (разностных) краевых задач не используются аппроксимации дифференциальных операторов. Метод обобщается на решение уравнений более высоких порядков.

Системой двух нелинейных стохастических уравнений моделируются флуктуации вблизи критического перехода, в результате взаимодействия которых в критических режимах тепломассопереноса возникают экстремальные пульсации температуры и тепловых потоков с 1/f-спектром. Проведено исследование взаимодействия больших и малых флуктуаций в критической области, позволяющее объяснить физическую природу $(1/f)$-шума и больших флуктуаций со степенным распределением амплитуд, а также их взаимодействие с классическими флуктуациями. При внешнем периодическом воздействии на систему со взаимодействующими неравновесными фазовыми переходами определены хаотические режимы, которые характеризуются неустойчивыми циклами пульсаций.

С использованием однофазной модели исследуется течение наножидкости Al₂O₃-H₂O в канале с квадратным поперечным сечением при наличии постоянного потока тепла. При выбранных значениях числа Рейнольдса и модифицированного числа Ричардсона течение является ламинарным. При изучении смешанной конвекции рассматривается ламинарное течение. В приближении Буссинеска с использованием метода конечных объемов и пакета программ CFD-Fluent определены динамические и тепловые характеристики течения. Анализ течения выполнен для чисел Рейнольдса, изменяющихся в диапазоне от 100 до 1000, и модифицированных чисел Ричардсона, равных 0,1 и 0,5. Установлено, что в любом поперечном сечении канала под действием гравитационных сил образуются две термоконвективные ячейки и формируются асимметричные поля температуры и скорости. Проанализировано влияние объемной доли наночастиц, числа Рейнольдса и модифицированного числа Ричардсона на структуру течения, число Нуссельта и перепад давления. Показано, что в случае наножидкости число Нуссельта и скорость теплообмена увеличиваются. Предложена аппроксимация зависимости числа Нуссельта от объемной доли наночастиц, которая может быть использована для определения характеристик теплообмена.

Исследуется поток расходящихся быстрых электронов, возникающих при взаимодействии луча лазера большой мощности с цилиндрической сверхплотной мишенью. Цилиндрические мишени, состоящие из ядра низкой плотности и облицовки высокой плотности, облучались ультраинтенсивным кольцеобразным лазерным лучом. В результате аналитических исследований установлено, что такие мишени с большим градиентом плотности генеририруют на границе раздела сильное спонтанное магнитное поле, которое может коллимировать быстрый электронный пучок и предотвратить убегание электронов. Проведено сравнение магнитного поля, создаваемого такой цилиндрической мишенью, с магнитным полем, создаваемым плоскими мишенями. Установлено, что цилиндрические мишени более эффективно создают спонтанное магнитное поле на границе раздела и снижают поперечное угловое распределение быстрого электронного луча. Это позволяет использовать данные мишени для передачи энергии к основной мишени и для обеспечения термоядерного синтеза с инерциальным удержанием.

Исследуются собственные колебания опор, состоящих из трех цилиндрических панелей, подкрепленных кольцевыми элементами и грунтом. Система уравнений задачи строится с использованием принципа наименьшего действия по Гамильтону. Исследована зависимость частотных характеристик от геометрических параметров опоры.

Поскольку изменение термобарических условий при разработке нефтяного пласта с высоким содержанием парафина в предельном насыщенном состоянии вызывает внутрипластовый фазовый переход в твердое состояние, а фильтрация смеси нефть - твердые частицы парафина при температуре ниже температуры флоккуляции приводит к кольматации порового пространства пласта в местах сужения и горловинах пор, проведены лабораторные исследования по определению критических точек и параметров системы нефть - газ - парафин в различных термобарических условиях. Разработана математическая модель, описывающая процесс выпадения парафина в поровом пространстве низкотемпературного нефтяного пласта и позволяющая рассчитывать его проницаемость в процессе разработки. Проведена адаптация параметров модели к их экспериментальным значениям. Путем численных расчетов определены значения основных параметров, оказывающих влияние на проницаемость пласта.

В рамках модели сплошной среды с двойной пористостью, описывающей процессы массопереноса в трещиновато-пористых коллекторах, разработан и алгоритмически реализован метод количественной оценки проницаемостей матрицы и трещин посредством решения обратной коэффициентной задачи, входными данными которой служат расходные характеристики, измеренные в режиме остановка - запуск добычной скважины. Алгоритм основан на полученном аналитическом решении прямой задачи об эволюции гидродинамических полей в околоскважинном пространстве. В результате численных экспериментов установлена единственность решения обратной задачи при умеренном уровне помех во входных данных.

На основе прикладной теории оболочек сформулирована энергетически согласованная разрешающая система уравнений и разработан комплексный численный метод, позволяющий с использованием явной вариационно-разностной схемы решать как квазистатические, так и динамические задачи нелинейного неосесимметричного деформирования и потери устойчивости композитных цилиндрических оболочек. Достоверность разработанного метода верифицирована путем сравнения результатов расчетов и экспериментальных данных. Для различных структур армирования проведен анализ критических нагрузок и характерных форм потери устойчивости композитных цилиндрических оболочек, предварительно подвергнутых квазистатическому нагружению внутренним давлением с последующим динамическим нагружением осевым сжатием.

Исследуется гетерогенный материал, полученный методом холодного газодинамического напыления с последующей лазерной обработкой. Изучаются причины уменьшения размера частиц карбида бора B₄C под действием лазерного луча и химический состав материала, в котором содержится "потерянный" материал частиц B₄C. Исследована математическая модель, в которой учитываются процесс растворения частиц B₄C и наличие химической реакции. Проведен анализ упругих свойств напыленного гетерогенного материала с использованием континуальных подходов, описывающих гетерогенные среды и основанных на осреднении исходных стохастических уравнений.

Фрагментация ударников при пробитии тонких дискретных преград сопровождается выбросами материала из фронтальной части ударника в направлении его движения. Выбросы материала из фронтальной части ударника и фрагменты тыльной части ударника образуют две группы фрагментов. Проведен анализ распределения кратеров, образованных данными группами фрагментов, определены интенсивность и характер нанесенных ими повреждений, а также влияние скорости ударника на распределение кинетической энергии между этими группами. Для регистрации фрагментов использовались пластины-свидетели большой толщины, установленные на некотором расстоянии за стальной сеточной преградой на пути движения фрагментов. Установлено, что с увеличением скорости доля удельной кинетической энергии фронтальных выбросов возрастает, при этом доля кинетической энергии фрагментов тыльной части ударника уменьшается. Определено распределение кинетической энергии в случае фрагментации ударника из алюминиевого сплава диаметром 9 мм на вольфрамовой сетке (диаметр проволоки 0,5 мм, апертура 3,2 мм). Отношение диаметра ударника к размеру ячейки вольфрамовой сетки такое же, как для стальных сеток. Показано существенное различие распределений кинетической энергии при использовании вольфрамовой и стальной сеток, которое может быть обусловлено прочностными характеристиками материала ударника и меньшим диаметром проволоки в экспериментах с вольфрамовой сеткой. Проанализированы особенности повреждения пластины-свидетеля группой мелких фрагментов.

Исследуется задача об установившейся ползучести длинной узкой прямоугольной мембраны в случае линейной зависимости поперечного давления от времени. Мембрана находится внутри высокой длинной жесткой матрицы с прямоугольным сечением, отношение высоты которой к половине ширины больше единицы. Используется степенная зависимость между интенсивностями напряжений и скоростей деформаций ползучести мембраны. Рассматриваются два варианта условий контакта мембраны и матрицы: идеальное скольжение и прилипание. Анализ задачи проводится до момента времени, в который мембрана практически полностью прилегает к стенкам матрицы. Показано, что если относительная высота мембраны меньше определенного значения, то длительность ползучести мембраны до момента времени, в который она практически полностью прилегает к стенкам матрицы, в случае идеального скольжения меньше, чем в случае прилипания, и наоборот. Приведено объяснение этого эффекта.

Исследуется влияние наиболее важных параметров процесса сварки (силы тока сварки, скорости сварки) и массовой доли комбинации активирующих флюсов TiO₂ и SiO₂ на характеристики качества сварки (ширину сварного шва, его глубину и отношение этих параметров) деталей из аустенитной нержавеющей стали марки AISI316L. С использованием метода искусственных нейронных сетей установлена связь между входными и выходными данными для процесса аргоновой сварки. Для определения оптимальной архитектуры искусственной нейронной сети (количества скрытых слоев и соответствующих им нейронов (узлов)) применялся метод роя частиц. Выполнена экспериментальная проверка эффективности предложенного метода. Показано, что данный метод может быть использован для оптимизации процесса аргоновой сварки.

Представлена теплофизическая модель сканирования лазерным лучом поверхности двухслойной пластины, верхний слой которой плавится и претерпевает усадку вследствие изменения пористости, а нижний слой (подложка) не плавится. Учитывается зависимость теплоемкости, теплопроводности и коэффициента отражения от пористости. Возможны потери тепла вследствие как излучения, так и конвекции. Представлены результаты, свидетельствующие о нестационарности процесса в течение всего времени сканирования. Показано, что сложные термические циклы и неоднородное поле температуры непосредственно связаны с неоднородной усадкой, приводящей к появлению рельефа поверхности, характерного для процессов селективного лазерного плавления.

Проведено исследование потери устойчивости и закритического поведения неоднородных покрытий. На основе вариационной трактовки задачи и метода Ритца изучено изменение первого критического значения нагрузки, при котором происходит потеря устойчивости, в зависимости от параметров задачи, проведены расчеты для неоднородного покрытия двух типов: покрытия с кусочно-постоянной жесткостью и покрытия с непрерывно изменяющейся жесткостью, имеющей точку максимума внутри и вне зоны отслоения. Изучено закритическое поведение покрытия.

Проведен анализ наблюдаемой в экспериментах эволюции неустойчивого пластического течения полученных в результате лазерной сварки образцов алюминиево-литиевых сплавов систем Al-6Mg-2Li, Al-1,6Cu-1,1Mg-1,8Li, Al-3,4Cu-0,66Mg-1,5Li при различных режимах термической обработки после сварки. Проведено сравнение параметров прерывистой текучести сплавов с различной концентрацией магния, меди и лития. Исследовано влияние меди на пространственную согласованность образующихся полос локализованного сдвига в алюминиево-литиевых сплавах при неустойчивом пластическом течении.

Исследованы механические и трибологические характеристики трехкомпонентных антифрикционных композитов на основе полиимида, наполненных политетрафторэтиленом и рублеными углеродными волокнами с массовой долей 5-15 %. Показано, что за счет введения рубленых углеродных волокон можно увеличить модуль упругости практически в два раза. Исследование трибологических характеристик показало, что при использовании указанного комплексного наполнителя степень износа поверхностей по сравнению со случаем полиимида без наполнителя уменьшается в 265 раз при металлополимерном трибосопряжении и в 255 раз при керамико-полимерном. С помощью разработанного компьютерного алгоритма определены оптимальные составы трехкомпонентного твердосмазочного композита на основе полиимида для их использования при металло- и керамико-полимерном трибосопряжении.

Предложена модификация взрывной камеры, предназначенной для исследования детонационных и ударно-волновых процессов с использованием синхротронного излучения. Приведены примеры конструкций взрывных камер, удовлетворяющих необходимым условиям. Путем численного моделирования получена зависимость степени неоднородности напряженного состояния оболочки взрывной камеры от отношения радиуса оболочки к ее толщине.