Главная – Журналы – Прикладная механика и техническая физика 2022 номер 3

Представлены результаты экспериментального исследования турбулентной структуры течения двух параллельных струй в ближней области, истекающих из длинных круглых трубок. Измерения проведены при различных расстояниях между осями трубок s/d = 1,2; 1,8; 2,4, а также при различных значениях числа Рейнольдса Re =5,5x10³; 1,1x10⁴. Показано, что в ближней области тандема струй при малых расстояниях между ними продольная компонента скорости на их оси уменьшается медленнее, чем в одиночных струях. При этом расстояние между струями s/d практически не оказывает влияния на поперечный масштаб струи и турбулентные пульсации продольной компоненты скорости. Во всем поле течения, за исключением внешних областей струй, анизотропия турбулентности практически отсутствует.

Исследуется частично инвариантное решение трехмерной задачи со свободной границей для уравнений Навье - Стокса. Рассматривается область течения, представляющая собой горизонтальный слой, ограниченный снизу твердой плоскостью, а сверху - плоской свободной поверхностью. Вертикальная скорость и давление не зависят от координат $x,y$. При различных начальных скоростях течения возникают три режима движения: стабилизация к состоянию покоя при увеличении времени, разрушение решения за конечное время и автомодельный режим, в котором толщина слоя со временем неограниченно увеличивается.

С использованием модельного распределения частоты плавучести и метода Вентцеля - Крамерса - Бриллюэна получено асимптотическое решение задачи о построении решений, описывающих внутренние гравитационные волны в стратифицированной среде с медленно меняющимся по глубине фоновым сдвиговым течением. Асимптотики дисперсионного соотношения выражаются через функции Эйри. С помощью асимптотик для различных модельных распределений фоновых сдвиговых течений получены аналитические представления дисперсионных соотношений и собственных функций. Проведено сравнение точных и асимптотических результатов для различных распределений фоновых сдвиговых течений и режимов генерации, характерных для реального океана.

Исследуется процесс турбулентного перемешивания на контактных границах трехслойных газовых систем после прохождения ударной волны. Изучено влияние начальной шероховатости контактных границ на развитие неустойчивости и перемешивание газов, имеющих различную плотность. С использованием неявного метода крупных вихрей и пакета программ МИМОЗА выполнено моделирование развития неустойчивости Рихтмайера - Мешкова. Проведено сравнение полученных результатов с известными экспериментальными данными. Показано, что ширина области перемешивания, энстрофия и масса перемешанных газов существенно зависят от степени шероховатости контактной границы.

Рассмотрены физические основы процесса разрушения капель в потоке за проходящей ударной волной по одному из срывных механизмов - срыв жидкого пограничного слоя. Анализ выполнен на основе данных высокоскоростной теневой визуализации поведения капли за ударной волной в диапазоне значений числа Вебера $\We = 200\div2200$, измерений периода индукции разрушения и регистрации характера уноса массы. Сформулированы условие нестабильности поверхности жидкости по механизму срыва пленки и критерий распада межфазной границы с использованием параметров сопряженного пограничного слоя в жидкости. На основе этого, а также с учетом данных предыдущих исследований получена зависимость времени задержки разрушения капли по этому механизму от характеристик жидкости и параметров потока.

Представлены результаты оптического и газодинамического исследования плазмы СВЧ-разряда в условиях газоструйного синтеза алмаза и проведен их анализ с целью определения температуры и состава смеси в разрядной камере для дальнейшей оптимизации метода. Исследовано влияние расхода подаваемой газовой смеси на макропараметры потока смеси газа на выходе из разрядной камеры. Измеренные в разрядной камере значения давления и температуры использованы для численного анализа состава смеси в зависимости от расхода подаваемого газа. Показано, что состав смеси на выходе из разрядной камеры коррелирует со скоростью синтеза алмазных структур.

С использованием SST-(k-ω)-модели турбулентности выполнен численный анализ параметров турбулентного пограничного слоя и исследована возможность уменьшения поверхностного трения на плоской пластине путем микрообдува воздухом. Макромасштабные характеристики большого количества микроструй определяются с использованием модели микропористой стенки, встроенной в пакет ANSYS FLUENT с помощью пользовательских функций. Получены результаты численных расчетов при значениях числа Маха M=0,2÷0,5 и значениях числа Рейнольдса Re=2,88x10⁶÷7,20\x10⁶. Алгоритм позволяет достаточно точно описать незначительное увеличение толщины пограничного слоя, толщины вытеснения и толщины потери импульса, а также уменьшение градиента скорости и сдвигового трения. Показано, что при числе Маха M=0,4 и доле вдуваемого воздуха, равной 0,008, применение микрообдува пластины воздухом позволяет уменьшить коэффициент поверхностного трения на 51 % по сравнению со случаем обтекания плоской пластины. При увеличении доли вдуваемого воздуха и числа Маха коэффициент поверхностного трения уменьшается.

Рассматривается проблема измерения температуры потока газа с помощью термопар, для которых время достижения равновесной температуры меньше времени процесса измерения. Представлены результаты численного моделирования течения газа в датчике, используемом для измерения температуры торможения в аэродинамических трубах кратковременного действия. Решается сопряженная задача обтекания датчика сверхзвуковым потоком и рассчитывается поле течения внутри камеры торможения. Определяется температура термопары, установленной в торце камеры торможения. Результаты моделирования показаний термопары зависят от времени и параметров набегающего потока. Полученные показания датчика температуры торможения принимаются в качестве данных виртуального эксперимента, которые обрабатываются с помощью методов экспериментальной аэродинамики. Для восстановления температуры торможения используются метод "ступенчатого процесса" и метод "двух термопар". Разность показаний термопар представляет собой нормированную аппаратную функцию термопары. Истинные показания температуры восстанавливаются методом деконволюции. Восстановленные показания сравниваются с исходными значениями температуры торможения в набегающем на датчик потоке. Определяются источники погрешностей, возникающих при измерении, и обосновывается применимость экспериментальных методов для определения температуры торможения в аэродинамических установках кратковременного действия, в том числе с уменьшающимися со временем значениями параметров.

Исследуется воздействие источника тепла и термомеханической нагрузки на обобщенное полупространство Грина - Линдсея. В модифицированной модели термоупругого полупространства учитываются параметр нелокальности и наличие двух температур. Уравнения задачи записаны в безразмерных переменных. Задача решается с использованием преобразований Лапласа и Фурье. Характеристики поля, такие как напряжения, компоненты вектора смещения, термодинамическая температура и кондуктивная температура, получены в образах преобразований Лапласа и Фурье. Для восстановления переменных в физической области используются методы численной инверсии. Проводится сравнение результатов, полученных с использованием различных теорий термоупругости.

Аналитически исследуется производство энтропии в неосесимметричном ламинарном потоке несжимаемой вязкой жидкости в окрестности пористого вращающегося диска. В безразмерных переменных получены выражения для скорости производства локальной и полной энтропии, обусловленной вязкостью жидкости и необратимостью процесса теплопередачи. Изучено влияние скорости впрыска и числа Бринкмана на производство энтропии. Установлено, что для всех рассмотренных чисел Бринкмана существует оптимальная скорость впрыска, при которой производство энтропии минимальное.

Предлагается математическая модель нестационарной фильтрации нефти к вертикальной скважине в круговом пласте с учетом разгазирования в призабойной зоне. Исследуется влияние давления насыщения и газового фактора на изменение давления и его производную. Показано, что давление насыщения характеризует величину радиуса зоны разгазирования, на изменение проницаемости в этой зоне влияет как давление насыщения, так и газовый фактор. С использованием предложенной модели и теории обратных задач разработан метод интерпретации результатов гидродинамических исследований вертикальных скважин, эксплуатируемых с забойным давлением, меньшим давления насыщения. Данный метод позволяет оценить значения давления насыщения и проницаемости пласта по кривым восстановления давления.

Теоретически исследуется фильтрация флюида в трещине, образовавшейся вследствие гидроразрыва пласта, и окружающем трещину пласте, а также динамика изменения давления и дебита при переходных режимах работы скважины. Получены решения, позволяющие описывать связь между расходом жидкости и изменением давления в трещине. Полученные результаты устанавливают основные зависимости параметров пласта и характеристик трещины гидроразрыва пласта от времени.

С использованием модели турбулентного движения пузырьков, моделей температурного и электрического полей предложена связанная математическая модель физических полей, возникающих при электрохимической обработке поперечной канавки высокочастотным импульсом. Предложен способ замены высокочастотного импульса током постоянного напряжения. Приведены результаты экспериментальных исследований.

В линейной постановке исследуется задача об устойчивости пограничных слоев с градиентом давления, образующихся при обтекании поверхностей с однослойным вязкоупругим покрытием. В расчетах учитывается изменение скорости внешнего потока в продольном направлении, используются экспериментальные зависимости характеристик покрытия от частоты. С использованием $\e^N\!$-метода оценивается влияние податливого покрытия на положение области ламинарно-турбулентного перехода. Показано, что даже в случае достаточно жесткого покрытия ламинарно-турбулентный переход в пограничном слое с благоприятным градиентом давления может затягиваться по продольной координате приблизительно на 41 %.

Экспериментально исследовано влияние предварительной термической обработки частиц бронзы марки CuAl₁₀Fe₃Mn₂ в рабочей камере печи с различной атмосферой на процесс нанесения покрытий методом холодного газодинамического напыления и их свойства. Показано, что увеличение температуры в рабочей камере печи приводит к уменьшению микротвердости материала с HV_0,025=240 до HV_0,025=115. В процессе напыления отмечено увеличение удельной массы покрытий с 1,62 до 3,50 кг/м2. Исследование структуры поверхности и физических характеристик показало, что для покрытий, полученных из исходного порошка бронзы, пористость составляет 2 %, среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины R_a=27 мкм, микротвердость HV₁=250. Для покрытий, полученных из термически обработанного порошка бронзы, пористость равна 5 %, R_a=21 мкм, микротвердость HV_0,1=300.

Рассматривается задача оптимизации несущей способности стрингерной панели с отверстием и распространяющейся от его контура прямолинейной трещиной. Определяется контур отверстия, при котором коэффициент интенсивности напряжений в окрестности вершины трещины равен нулю (т. е. трещина неподвижна), а максимальное окружное напряжение является наименьшим. При решении задачи минимизации использовались метод последовательных приближений, минимаксный критерий и симплексный алгоритм.

Предложена конструкция узла объемного дозирования трудносыпучих порошков, позволяющая осуществлять подачу продукта с точностью, которая сопоставима с характерной для весовых систем. Численно (методом дискретных элементов) и экспериментально исследована эффективность работы основных узлов. Предложена конструкция высокоточного объемного дозатора непрерывного действия.

Рассмотрены пространственные колебания трубопровода на двух опорах, вибрирующих в вертикальном направлении с одинаковыми амплитудами и фазами. Движение трубопровода включает вращение (качение) вокруг прямой, проходящей через опоры, и изгибную деформацию. Предполагается, что изгиб происходит в плоскости качения без деформации кручения. Использованы нелинейные уравнения изгиба и углового движения трубопровода. Изучено движение трубопровода, в случае когда влияние на изгиб внутреннего давления среды в трубе значительно больше влияния ее веса. По аналогии с маятником Капицы определены значения входных параметров, при которых верхнее и нижнее изогнутые положения трубопровода являются устойчивыми. Проведены численные расчеты для армированной магниевой трубы, заполненной метаном.

Рассмотрен процесс зарождения краевой кольцевой трещины продольного сдвига (III мода разрушения) при кручении стержня с круглым поперечным сечением, выполненного из упругопластического материала, имеющего предельную деформацию. Процесс разрушения таких материалов описан с помощью модифицированной модели Леонова - Панасюка - Дагдейла, в которой используется дополнительный параметр - поперечник зоны пластичности (ширина зоны предразрушения). Для получения критических значений параметров квазихрупкого разрушения предложен сдвоенный (достаточный) критерий прочности для трещин III моды в упругопластическом материале. Построены диаграммы квазихрупкого разрушения круглого вала с краевой трещиной. Для разрушения квазивязкого и вязкого типов предельные нагрузки найдены численно методом конечных элементов. Отличие численной модели от аналитической состоит в том, что исследовались материалы, характеристики которых соответствуют режимам деформирования при полномасштабной текучести. Установлено, что результаты численных экспериментов хорошо согласуются с результатами расчетов по аналитической модели разрушения образцов при кручении в режиме маломасштабного пластического течения.