Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2022 номер 3

Цель работы - исследование газодинамической структуры сверхзвуковой недорасширенной струи в присутствии жидкого спрея применительно к тематике газожидкостных форсунок. Для регистрации волновой структуры струи используются методы теневой и АВТ-визуализации (адаптивным визуализирующим транспарантом). Для измерения скорости спрея, а также определения его концентрации и дисперсности применяется лазерный доплеровский анемометр (ЛДА). Установлено качественное отличие течения в двухфазном ядре от течения в газовой струе, изучена трансформация диска Маха в широком диапазоне режимов по газу и расходов жидкости. Показана решающая роль градиентного участка струи в области диска Маха в процессе диспергирования жидкости.

Проведены эксперименты исследования, цель которых состоит в оценке влияния двух противостоящих выемок, нанесенных на расширяющуюся часть сверхзвукового сопла, для трех значений относительного давления в сопле (NPR), равных 3,6, 5,5, 7,2. Сравнение выполнялось относительно струи, истекающей из осесимметричного сопла без выемок. Данные получены для расчетного числа Маха, равного 1,8, и при отношении площадей сопла 1,44. Также получены данные о распределениях давления, измеренного с помощью трубки Пито, вдоль оси сопла и в радиальном направлении для трех осевых координат ( x ¢ = 1, 3, 5, 8). Разработаны эмпирические соотношения для определения длины интервалов, соответствующих различным областям уменьшения давления вдоль оси x . В качестве параметра для определения влияния выемок на сопле на характеристики затухания струи использовалась эффективность выемок. Картина струйного течения из сопла с выемками существенно отличается от течения из обычного круглого сопла. При этом влияние выемок более заметно для случаев недорасширенного режима истечения струи, чем для перерасширенного режима течения. При регистрации ударно-волновых структур с помощью шлирен-метода визуализации в струях при различных NPR установлено, что струя из сопла с выемками сильно деформируется. Для описания характеристик затухания струи вводятся параметры характерных расстояний уменьшения давления на 50 и 90 % (давление измерено вдоль оси струи). Для случая истечения струи из сопла с выемками наблюдается существенное уменьшение величины пространственных флуктуаций давления и сокращение длины сверхзвукового ядра.

Исследована динамика формирования струи водного флюида сверхкритических параметров состояния, истекающей из сосуда высокого давления через тонкое сопло. Численное моделирование процесса истечения проведено с использованием системы уравнений газопарожидкостной смеси, включающей законы сохранения массы, импульса и энергии фаз в соответствии с однодавленческим, односкоростным и двухтемпературным приближениями с учетом контактного теплообмена и массообменных процессов испарения и конденсации в условиях равновесного состояния с применением модифицированного решателя reactingTwoPhaseEulerFoam открытого пакета OpenFOAM. Показан процесс формирования висячего скачка уплотнения в сверхзвуковой вскипающей струе с образованием диска Маха. Установлено, что процесс истечения сопровождается формированием вихревых зон вблизи оси симметрии, приводящих к возникновению периодических пульсаций давления и массовой скорости внутри струи, которые в дальнейшем приводят к образованию серии акустических волновых импульсов, предшествующих основному струйному течению. Приведено обоснование достоверности рассматриваемого численного метода, реализованного с применением решателя пакета OpenFOAM, путем сравнения численного и аналитического решений задачи Л.И. Седова о точечном взрыве в двухфазной газокапельной смеси в случае плоской геометрии. Представлены результаты сравнительного анализа численного решения и экспериментальной фотографии сверхзвуковой струи азота при истечении через цилиндрическое сопло из резервуара высокого давления. Полученные с применением пакета OpenFOAM численные результаты имеют удовлетворительное согласование с аналитическим решением и экспериментом.

Работа теплообменников с поперечными потоками для охлаждения цилиндров требует стабильной спутной струи за цилиндром для минимизации гидродинамического сопротивления, что обычно уменьшает эффектность теплообмена. Данная задача решается с помощью пассивного управления спутной струей в ламинарном потоке вокруг цилиндра: это достигается с помощью волнистой геометрии стенок канала. Влияние такой геометрии на теплообмен и сопротивление потоку изучалось для широких интервалов чисел Рейнольдса (Re = 20 - 200), параметра загромождения потока ( b = 0,5 - 0,8) и числа Прандтля (Pr = 0,25 - 100). Для указанных интервалов входных параметров было показано, что сопротивление потоку в случае канала с волнистыми стенками снижается минимум на ~ 36 % и максимум на ~ 95 % при соответствующей потере на ~ 8 % и ~ 40 % в эффективности теплообмена по сравнению с каналом с плоскими стенками. Гидродинамическая и теплофизическая эффективность потока в канале с волнистой геометрией по сравнению с плоской геометрией при параметре Pr = 0,744 усиливается на ~ 14 % для канала с b = 0,5 и на ~ 160 % для b = 0,9. Увеличение эффективности за счет волнистой геометрии обеспечивает правильный выбор между понижением гидродинамического сопротивления и снижением теплообмена.

Рассматриваются вопросы взаимодействия газодинамики и горения с использованием известной базы опытных данных о пограничном слое с горением этанола. Газодинамика представлена линиями тока, горение - изотермами. Исследуется влияние повышенной степени турбулентности воздуха (до 18 %), ускорения в сужающемся канале, влияние высоты ребра-стабилизатора пламени (3 и 6 мм) на структуру течения в отдельных сечениях и в пограничном слое в целом. Показано, что непосредственно за преградой, где проявляются признаки кинетического реагирования газовой смеси, линии тока пересекаются, а при горении в сужающемся канале с низкой турбулентностью воздуха изотермы и линии тока становятся эквидистантными вблизи фронта пламени, как в случае диффузионного реагирования. Массообмен на поверхности жидкого горючего остается консервативным к изменению газодинамических параметров воздушного потока.

В работе исследуется влияние продольной кривизны стенки на эффективность пленочного охлаждения, осуществляемого путем впрыскивания жидкости через один ряд цилиндрических отверстий. Рассматриваются четыре различных случая, обусловленные изменением высоты продольной кривизны. Распределение эффективности пленочного охлаждения представлено для нескольких параметров вдува. Численное моделирование проводится с использованием пакета ANSYS CFX. Турбулентность аппроксимируется моделью переноса напряжения сдвига (SST). Выполнено сравнение численных результатов с экспериментальными данными.

Проведены измерения распределения температуры при развитии естественной конвекции в вертикальной прямоугольной полости высотой 364 мм, шириной 185 мм и глубиной 40 мм, заполненной свинцово-висмутовым расплавом, на вертикальных боковых стенках которой поддерживается перепад температуры. Путем изменения электрической мощности, подводимой к нагреваемой стенке, и, соответственно, изменением отводимого от противоположной стенки тепла задавался начальный перепад температуры. Измерения проводились в квазистационарном режиме свободной конвекции, при котором параметры течения и распределения температур по сечению полости являлись постоянными в течение нескольких часов. В результате выполненных измерений получены профили температуры по ширине и глубине прямоугольной полости.

Рассмотрены процессы теплопередачи в воздушном и жидкостном пластинчато-ребристых теплообменниках термоэлектрического блока охлаждения. Выполнен анализ режимов течения в межреберных каналах, определены локальные коэффициенты теплоотдачи. Из численного решения двумерной задачи теплопроводности получены зависимости термических сопротивлений теплообменников от их геометрических параметров. Определено влияние термических сопротивлений на холодопроизводительность и холодильный коэффициент термоэлектрического блока охлаждения. Проведена оптимизация теплообменников по толщине ребер и межреберному расстоянию.

Представлен расчетный метод снижения индуктивного сопротивления путем улучшения аэродинамики концевых элементов несущих систем. Метод позволяет оптимизировать распределение интенсивности свободных вихрей концевых крылышек в расчетной плоскости Трефтца при заданной величине подъемной силы и сохранении геометрии базового крыла. Проведены оптимизационные расчеты различных несущих систем, в том числе ближнемагистрального самолета СТР-40ДТ, разрабатываемого в ФГУП «СибНИА им.С.А. Чаплыгина». Отмечается хорошее согласование результатов расчетных и экспериментальных исследований.

Проведены исследования теплоотдачи и критического теплового потока на плоских прямоугольных (16 ´ 24 мм²) теплоотдающих поверхностях (ТП), изготовленных из алюминиевого сплава Д16 и модифицированных методом микродугового оксидирования (МДО). Исследованы два типа покрытия, приготовленные с использованием различных электролитов: KOH и фосфатов. Покрытия имеют хорошую адгезию к ТП и высокую диэлектрическую прочность. Толщина покрытий составляет 20 и 7 мкм соответственно. Исследования проведены на фреоне R21 в условиях естественной конвекции при горизонтальной ориентации ТП. Для сравнения проведены измерения на идентичных рабочих участках без модифицирующего покрытия: один участок полированный, второй - шлифованный с шероховатостью 20 мкм. Показано, что интенсивность теплоотдачи на модифицированных ТП не ниже, чем на шлифованной с шероховатостью 20 мкм ТП, и до двух раз выше в сравнении с полированной ТП. Величина критического теплового потока на исследованных поверхностях практически одинаковая. Применение данных типов покрытия обеспечивает электроизоляцию теплоотдающего элемента без ухудшения эффективности отвода тепла.

В работе приводятся расчетные спектральные плотности потоков энергии излучения и излучательные способности продуктов сгорания модельных жидкостного ракетного двигателя и ракетного двигателя на твердом топливе для условий камеры сгорания, сопла, начального и основного участков факела. Исследовано влияние температурной неравновесности газа и частиц конденсированной фазы на спектральные и интегральные характеристики излучения продуктов сгорания. Проведено сопоставление полученных в работе расчетных результатов с экспериментальными и расчетными данными других авторов. Особое внимание уделяется изучению характера и уровня излучения для разных участков истекающих продуктов сгорания. Результаты работы могут быть полезны при выборе участка спектра для определения температуры продуктов сгорания пирометрическими методами.

При лазерной абляции неравномерность распределения энергии поперек лазерного пучка приводит к неоднородности нагрева и испарения с облучаемой поверхности. Проведено исследование влияния возникающей неоднородности температуры и потока испарения с поверхности на динамику разлета факела при наносекундной лазерной абляции в вакууме. Предполагается, что температура поверхности линейно зависит от энергии лазерного излучения. Проведено прямое статистическое моделирование методом Монте-Карло импульсного разлета газа для лазерного пучка с плоским профилем энергии и гауссова пучка в предположении отсутствия поглощения лазерного излучения в факеле. Для плоского пучка температура поверхности одинакова по всему пятну облучения, тогда как для гауссова пучка она меняется по радиусу пятна. Показано, что для обоих пучков окончательное распределение частиц в факеле практически совпадает. При этом для гауссова пучка факел движется немного быстрее по сравнению с плоским пучком, что приводит к увеличению кинетической энергии частиц на времяпролетном детекторе на 2 - 4 %.

Рассматривается процесс распространения тепла в пленке NbN при прохождении через нее импульса тока на основе неоднородного двумерного уравнения теплопроводности. Численно решена начально-краевая задача для продольного сечения пленки и проведен анализ теплопереноса в системе «контакты-пленка-подложка-термостат». Визуализирована температурная эволюция сечения пленки от начала импульса до выравнивания температуры. Сделана оценка максимального нагрева пленки. Показано, что материал контактов (бериллиевая бронза BeCu) обеспечивает эффективный теплоотвод от сверхпроводящей пленки, находящейся в резистивном состоянии, при протекании через нее тока большой плотности. Предложенный метод моделирования и материал контактов могут быть использованы при исследовании других металлических или полупроводниковых пленок.

Получены аналитические формулы для описания прямого термического пиролиза метана в барботажной колонне с каталитическим расплавом. Выражения могут быть имплементированы в исследовательские и промышленные численные коды с целью проведения многопараметрической оптимизации по подбору расплава (с учетом стоимости и каталитических свойств), габаритов установки, ее производительности. Аналитические зависимости также можно использовать для валидации соответствующих кодов.

27 мая 2022 года исполнилось 60 лет академику РАН Дмитрию Марковичу Марковичу - известному ученому, организатору науки, директору Института теплофизики Сибирского отделения РАН, главному ученому секретарю СО РАН, члену Президиума Российской академии наук. Д.М. Маркович родился в городе Дудинка Красноярского края. В 1979 году по окончании средней школы в поселке Удачный Якутской АССР он поступил на физический факультет Красноярского государственного университета, который успешно закончил в 1984 году. После прохождения срочной службы в Вооруженных силах СССР Дмитрий Маркович приступил к работе на кафедре теплофизики КГУ, совмещая проведение исследований с преподавательской деятельностью.

2 мая 2022 года исполнилось 90 лет известному специалисту в области механики жидкости, газа и плазмы, доктору физико-математических наук, члену редакционной коллегии журнала «Теплофизика и аэромеханика», профессору Валериану Ивановичу Яковлеву.