Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2021 номер 5

В работе приводятся результаты исследования влияния текстильных материалов на структуру аэродинамического следа за моделью плохообтекаемого тела, в качестве которой использовались квазидвумерный и консольный цилиндры. Идентичные ткани были ранее опробованы в работах соавторов для определения коэффициента сопротивления двумерного цилиндра. Изменение его диаметра в таком случае составляло не более 1 % и считалось незначительным. Применение тканей позволило снизить значение критического значения числа Рейнольдса до величины 2×10⁵. Двумерные и трехмерные течения оказались схожи по уровню пульсаций, при этом вследствие трехмерности течения за консольным цилиндром происходит сужение следа. По результатам спектрального анализа показано полное подобие трехмерных течений и двумерных течений как для обтекания гладкого цилиндра, так и для покрытого образцами тканей.

Проанализированы методические аспекты измерения температуры торможения сверхзвукового высокоэнтальпийного воздушного потока с помощью термоэлектрического преобразователя (термопары) с экранированным рабочем спаем. Показаны особенности термогазодинамических процессов в рассматриваемых условиях, приводящие к значительным отклонениям измеряемых по известным методикам температур от действительных значений. Внесены уточнения в методику определения температур высокоэнтальпийного сверхзвукового воздушного потока, позволяющие снизить отклонение от действительных параметров. Приведен разработанный математический аппарат для анализа экспериментальных данных и количественной оценки погрешности измерения температуры. Проведена апробация предложенных подходов и валидация разработанных математических моделей по результатам стендовых экспериментальных исследований высокоэнтальпийных сверхзвуковых потоков. Показана удовлетворительная сходимость результатов косвенных измерений температур с задаваемыми значениями. Результаты работы могут быть использованы при разработке методик и анализе физических экспериментов с высокоэнтальийными потоками.

Для исследования поля течения за пластиной конечной толщины с неизобарическими начальными условиями применяются метод планарного лазерного рассеяния с нанотрассерами (NPLS) и метод представления данных с использованием условной цветовой шкалы. Результаты показывают, что сверхзвуковой слой смешения за тупой задней кромкой будет отклоняться в сторону области низкого давления, что соответствует каноническому слою смешения. При этом обнаружено, что для неизобарических случаев ламинарного сдвигового слоя не наблюдается, и, по-видимому, турбулентное состояние слоя смешения менее выражено при визуализации на низкоскоростной стороне с более высоким давлением.

Представлена физико-математическая модель плоского сверхзвукового пограничного слоя в приближении Прандтля колебательно возбужденного диссоциирующего газа. Рассматривается простейший случай двухатомного газа, параметризованный по данным для азота. Обосновывается ряд упрощенных формул расчета коэффициентов переноса и скорости реакций диссоциации-рекомбинации для молекулярно-атомной смеси, допустимых для характерных условий сверх- и гиперзвуковых пограничных слоев. Проведены сравнительные расчеты численных и локально автомодельных решений уравнений пограничных слоев на пластине для типичных условий эксперимента в высокоэнтальпийной аэродинамической трубе и гиперзвукового полета в верхней атмосфере. Показано, что рассчитанные на основе этих подходов профили концентраций атомов существенно различаются. В этой связи для адекватного учета влияния химических реакций в расчетах устойчивости пограничных слоев необходимо использовать профили гидродинамических параметров, рассчитанные численно в полной постановке. Локально автомодельные решения могут служить начальными условиями для численных расчетов.

Экспериментально получены относительные осредненные по длине однорядного пояска отверстий значения эффективности пленочного охлаждения плоской поверхности при вдуве воздуха через веерные отверстия, отнесенные к их значениям с цилиндрическими отверстиями, в широком диапазоне изменений параметра вдува m (от 0,25 до 5,5) и угла вдува a (от 30° до 75°). Установлены области режимных и геометрических параметров систем пленочного охлаждения, в которых веерные отверстия обеспечивают более высокую эффективность тепловой завесы, чем цилиндрические. На примере угла вдува α = 30° показано, что при очень высоких параметрах вдува ( m = 4,5¸5,5) на начальном участке смешения ( x / d < 10) с увеличением x / d значения снижаются с 1,7 до 1,05. На основном участке смешения ( x / d > 10) величина возрастает от 1,05 до 1,6. По эффективности тепловой завесы при оптимальных и высоких параметрах вдува m и значении угла вдува a = 45° веерные отверстия при прочих равных условиях имеют преимущество над цилиндрическими отверстиями как на начальном, так и на основном участках смешения. При угле вдува a = 75° значения выше, чем, во всем диапазоне изменения параметра вдува и относительного расстояния от сечения вдува. На начальном участке смешения ( x / d < 5) значения снижаются по ходу потока от 4 до 1,5, а на основном участке ( x / d > 5) во всем диапазоне изменения параметра вдува изменяются в диапазоне 1,5¸2,5.

С помощью оригинального сенсора, построенного на основе электроимпендансного метода, проведено экспериментальное исследование колебаний консольно-закрепленного стержня - имитатора твэла - в кольцевом канале при продольном восходящем течении жидкости. Приведены данные о траекториях перемещения оси стержня, изменении амплитуды и частоты колебаний стержня в зависимости от скорости осевого потока жидкости. Проведено сравнение данных по вибрации стержня, полученных с помощью электроимпедансного метода и скоростной видеосъемки.

Развита модель ривулета, образующегося на витках трубчатого теплообменника. Форма поперечного сечения ривулета определена с учетом сил весомости жидкости, сил поверхностного натяжения и центробежных сил. Уравнения для координат точек свободной границы ривулета представлены в интегральной форме на основе решения задачи в аналитической форме. Проведено сравнение площадей поперечного сечения ривулета и жидкого мостика, а также площадей их контактов с рабочими трубками.

Приводятся результаты экспериментальных исследований свойств капиллярного жидкого моста в зазоре между двумя стеклянными сферами равного диаметра. Показано, что для случая, когда диаметр сфер значительно больше капиллярного масштаба жидкости, форму капиллярного жидкого мостика возможно описать как фигуру, образованную из двух «капель» касающихся сфер и центрального катеноида. Контактный угол между «каплей» и сферой зависит от эффективной массы «капли», а взаимное положение катеноида и «капель» задается условием, что контактный угол между ними равен нулю. В поле силы тяжести положение минимального сечения катеноида не совпадает с серединой зазора между сферами и определяется величиной поверхностной энергии и тем как распределяется масса жидкости в мостике по «каплям» и катеноиду.

Проведено экспериментальное исследование влияния параметров многоструйного импактного двухфазного воздушно-капельного потока на эффективность охлаждения плоской поверхности большой площади. В работе применены наиболее часто встречающиеся принципы построения систем интенсивного тепломассопереноса, опирающиеся на импактные струйные потоки, которые позволяют снимать значительные тепловые нагрузки при относительно малых расходах жидкой охлаждающей фазы. Полученные результаты позволили с помощью критериев Нуссельта и Рейнольдса создать методику, которая дает возможность проводить оценку интегрального коэффициента теплоотдачи при использовании такого импактного многоструйного воздушно-капельного потока.

В промышленности встречается целый класс теплообменников, где реализуются низкие значения удельных тепловых потоков: испарители холодильных машин, парогенератор бинарной фреоновой станции, парогенератор теплового насоса и т.д. Такие режимы теплообмена реализуются, когда кипение в пленке только начинается, а интенсивность теплообмена при испарении соизмерима с теплообменом при кипении. В статье излагаются результаты экспериментального исследования теплообмена при кипении на медных оребренных трубах, вся поверхность которых полностью подвергалась специальной обработке в воздушном потоке, содержащим частицы корунда размером менее 500 микрон. Результатом такой обработки явилось заметное снижение температурного напора, при котором начиналось кипение и заметная интенсификация теплоотдачи по сравнению с оребренной трубой без обработки частицами корунда.

Представлены результаты экспериментальных исследований процессов инициирования и горения стехиометрической пропан-кислородной смеси в замкнутом объеме в виде одного цилиндра ДВС с поршнем. Исследована динамика инициирования и горения газа в цилиндре диаметром D = 72 мм, высотой h = 4 мм в зависимости от пространственного расположения N искровых очагов инициирования ( N = 1÷9) при одновременном их зажигании. Показано, что с увеличением числа очагов инициирования уменьшается период генерации силы на поршень и увеличивается амплитуда максимальных значений силы.

Описан спектрометр комбинационного рассеяния, в котором для увеличения рассеяния обеспечивается полное использование энергии зондирующего лазерного излучения при его многократном прохождении через объект исследования. В пламени смеси пропана и воздуха выполнены одновременные измерения локальных значений температуры и состава газов с широкополосной регистрацией спектров комбинационного рассеяния. Приведены результаты их обработки с применением оригинального программного обеспечения.

Представлены результаты исследования окисления бензола, пиридина и пиррола в плотном водяном паре при равномерном нагреве реактора. Из временных зависимостей температуры и давления реакционных смесей следует, что окисление топлив интенсифицируется каталитическим действием Pt-Rh/Pt термопары, введенной в центр реакционного объема. Показано, что температура воспламенения топлив T _in^* увеличивается в последовательности C₆H₆ < C₅H₅N < C₄H₄NH. Уменьшение коэффициента избытка топлива и плотности воды приводит к снижению температуры T _in^*. Установлено, что окисление бензола протекает в две стадии и характеризуется низкой степенью выгорания углерода. В обедненной топливом смеси горение пиридина сопровождается детонацией, инициируемой возникновением ударной волны в приповерхностной области Pt-Rh/Pt термопары. Увеличение плотности водяного пара препятствует полному выгоранию углерода. Особенности окисления топлив объясняются различием структуры их молекул и адсорбции компонентов реакционной смеси на поверхности платины.

Представлены исследования нестационарного кондуктивного теплообмена на цилиндрической поверхности в приближении, когда толщина теплового пограничного слоя меньше диаметра этой поверхности. Получены профили температуры у цилиндрической поверхности и удельный тепловой поток на ней. С использованием экспериментально установленной закономерности для стационарного режима теплопроводности цилиндрической поверхности (Nu = 0,5) определено значение числа Фурье, при котором наступает стационарный режим (Fo = 1,27). Для мантийных плюмов, имеющих диаметры канала d = 7,4×10³_¸ 85×10³ м, оценены время выхода плюма на поверхность ( t _в ) и время выхода на стационарный кондуктивный теплообмен ( t _с ) в зависимости от безразмерной величины Ka = N / N_H , где N - тепловая мощность на подошве плюма, N_H - тепловая мощность, отданная каналом плюма в окружающую мантию в стационарном режиме. Для Ka = 0,97 _¸ 1,58 ( t _в / t _c = ¥ _¸ 1) и Ka = 1,58 _¸ 129 ( t _в / t _c = 1 _¸ 0,005) показано влияние нестационарного теплообмена с окружающей мантией на характер выхода плюма на поверхность и установлено, что для Ка > 4 ( t _в / t _c < 0,19, d > 15 км) можно пренебречь влиянием нестационарности в период подъема плюма.

Построена математическая модель процесса растворения частицы карбида титана в расплаве титана, содержащем наноразмерные тугоплавкие частицы. Разработанная модель позволяет исследовать влияние параметров нанодисперсной среды на устойчивость к растворению тугоплавких соединений в условиях лазерной наплавки наномодифицированного покрытия с упрочняющей фазой (карбидом титана). Определено время растворения углеродосодержащего химического соединения в зависимости от концентрации наномодифицирующей добавки, размера включения и температуры расплава. Установлено, что наличие нанодисперсной фазы в жидкости снижает интенсивность массообмена, вследствие чего возрастает время растворения твердого включения.

Представлены результаты исследований сплошных вольфрамовых катодов стержневого типа в разных газах. Определены тепловые состояния электродов под действием прикатодной плазмы, излучения и джоулева тепловыделения. Показана тепловая природа скорости разрушения (эрозии) термокатода в зависимости от основных определяющих параметров дугового разряда и конструктивных особенностей катодного узла. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о возможности длительного ресурса W-катодов в технологических плазмотронах.

Представлены результаты численного и экспериментального исследований эффективности выбора пары линий возбуждения гидроксильного радикала OH перехода (1-0) системы A²Σ⁺-X²Π для измерения локальной температуры в пламени углеводородной смеси. Для численных расчетов использовался программный пакет LASKIN. Измерения выполнены для ламинарного пламени в форме конуса при горении предварительно перемешанной метановоздушной смеси с коэффициентом избытка воздуха 1,1 при атмосферном давлении. Рассмотрены комбинации различных пар линий возбуждения, рекомендуемых в литературе. Результаты численного моделирования демонстрируют хорошее соответствие с теоретической зависимостью в диапазоне температур 1200 - 2100 K для пар линий возбуждения Q₁(5):Q₁(14), Q₁(5):Q₂(11) и несколько большее расхождение для пар R₂(2):R₂(13) и R₂(2):R₂(10). При этом для пар линий возбуждения Q₁(5):Q₁(14) и R₂(2):R₂(13) имеет место наибольшая чувствительность к температуре. Преимуществом выбора последней является то, что эти переходы соответствуют близким значениям длин волн возбуждения в окрестности 282 нм, что может быть более удобно в эксперименте.

Проведены исследования гидродинамики и теплообмена спирто-водяной смеси при её циркуляции по обогреваемому цилиндрическому каналу. В качестве рабочей жидкости использовались неазеотропная и азеотропная смеси с массовой концентрацией легколетучего компонента 22 и 95 % соответственно. Эксперименты проводились при давлении 0,018-0,02 МПа. Рабочий участок изготавливался из нержавеющей трубы с наружным диаметром 8 мм и длиной 4 м. Для визуального наблюдения состава двухфазного потока использовался оптический участок, установленный за рабочим участком. Проведенные эксперименты показали, что образование паровой фазы при циркуляции неазеотропной смеси по обогреваемому каналу начинается при температуре стенки ниже равновесной температуры смеси. Определяющим условием парообразования является превышение температуры стенки над равновесной температурой легколетучего компонента.

Статья посвящена исследованию нестационарного теплообмена между сферической инкапсулированной наночастицей с фазовым переходом и окружающей средой. В расчете учтено контактное тепловое сопротивление Капицы на границе частицы. Показано, что данное явление может существенно влиять на эффективность теплообмена в наножидкостях.