Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2022 номер 4

Приведен обзор экспериментальных результатов, полученных с участием авторов настоящей статьи, а также в других исследованиях по генерации и развитию локализованных возмущений двух- и трехмерных пограничных слоев. Обсуждаются сопутствующие волновые явления, вклад пространственно-временных деформаций поля скорости исходного ламинарного течения в его переход к турбулентному состоянию в пограничных слоях на поверхности летательных аппаратов, включая малоразмерные беспилотные летательные аппараты.

Представлены результаты расчетных и экспериментальных исследований эффективности распределенного вдува воздуха через перфорированный участок поверхности осесимметричного тела вращения в условиях его обтекания существенно несжимаемым потоком при числе Рейнольдса Re_L = 4,24·10⁶. Коэффициент вдува C_b менялся в диапазоне 0-0,00885. Число Рейнольдса Re^**, вычисленное по толщине потери импульса δ^** впереди перфорированного участка, составляло 5600. Показано, что по мере увеличения продольной координаты х , вплоть до расстояния 600 δ^** от области вдува, наблюдается устойчивое снижение локального трения, максимальная величина которого достигает 56,5 % непосредственно в области вдува при максимальной его интенсивности. Обнаружено, что при самопроизвольном вдуве, реализующемся за счет естественного перепада между барометрическим и статическим давлениями в рабочей части трубы, можно также обеспечить снижение коэффициента поверхностного трения, величина которого в отмеченной выше области течения в основном рабочем режиме составляет 28,5 %. В рамках численного моделирования проанализирована специфика обтекания тела вращения при наличии шероховатости перфорированной поверхности и обоснована необходимость и важность учета этого сопутствующего вдуву фактора.

В работе представлены результаты численного моделирования условий запуска сверхзвукового воздухозаборника с помощью слива части захватываемого потока через продольные щели. Канал воздухозаборника состоит из сужающегося входного участка и горловины постоянного поперечного сечения, построенных с использованием плоских поверхностей, и содержит продольные щели слива вдоль плоской нижней поверхности. Исследуются различные варианты секционного слива потока, показано изменение структуры течения в канале воздухозаборника в зависимости от варианта слива потока. Численное моделирование трехмерного течения выполнено при числе Маха набегающего потока M_∞ = 4 на основе осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса и модели турбулентности κ-ω SST.

Представлены результаты аналитического исследования нестационарного теплообмена в окрестности точки торможения осесимметричной импактной струи жидкости. Получено автомодельное решение, которое позволяет анализировать поведение теплообмена в зависимости от числа Рейнольдса, расстояния от сопла до поверхности и характерного времени. Показано поведение числа Нуссельта для решения в асимптотически предельных случаях: число Фруда Fr >> 1 (малые расстояния от сопла до преграды) и Fr << 1 (большие расстояния). Отмечено, что влияние числа Фруда может быть весьма существенным и его следует принимать во внимание при прогнозировании теплообмена. Показана значительная интенсификация теплообмена для импульсной импактной струи при малых длительностях импульса.

В представленной работе выполнена тепловая визуализация с использованием термохромной жидкокристаллической пластины для исследования и сравнения теплопередачи закрученной импактной струи, выходящей из тройного спирально-гофрированного сопла со скрученной лентой (ЗИС с СЛ), закрученной импактной струи, выходящей из тройного спирально-гофрированного сопла (ЗИС), и типичной импактной струи, выходящей из гладкого прямого круглого сопла (ТИС). Результаты экспериментов показали, что более сильная рециркуляция струи вблизи стенки возникает за счет закрученного потока, создаваемого тройным спирально-гофрированным соплом и скрученными ленточными вставками, и способствует уменьшению значения числа Нуссельта между зоной застоя и окружающей средой. Для струи, выходящей из тройного спирально-гофрированного сопла со скрученной лентой, среднее число Нуссельта для струй при L/d_H указывает, что величина коэффициента теплоотдачи значительно возрастает с увеличением коэффициента скручивания. Максимальное значение числа Нуссельта для ЗИС с СЛ получено при наименьшем коэффициенте скручивания ( y/W = 2). Это, соответственно, на 5,7 и 35,5 % выше, чем для ЗИС с СЛ при y/W = 4 и для ТИС.

Проведено систематическое сравнение результатов численного моделирования однофазного течения в цилиндрическом контейнере с неподвижными стенками и вращающимся верхним торцом в рамках решеточных уравнений Больцмана и уравнений Навье-Стокса. Исследованы различные режимы ограниченного вихревого течения жидкости в пространстве двух параметров, а именно: числа Рейнольдса и отношения высоты к радиусу цилиндрического контейнера. Проведен анализ сеточной сходимости обоих решений. Показано, что данные хорошо согласуются как между собой, так и с имеющимися экспериментальными данными, включая диаграмму появления возвратного течения на оси цилиндра, что соответствует распаду вихря.

На основе экспериментального моделирования и теоретического анализа, а также геологических и геофизических данных представлена модель термохимического плюма в зоне субдукции. Термохимический плюм зарождается на границе верхней и нижней мантии при наличии в коровом слое субдуцирующей океанической литосферной плиты химической добавки, понижающей температуру плавления вещества корового слоя. На основе экспериментального моделирования установлена структура тепловых гравитационных течений в канале плюма, выплавляемого в коровом слое. Определены тепловая мощность на подошве плюма и тепловая мощность, отданная каналом плюма в окружающую мантию. В зависимости от толщины корового слоя, скорости субдукции и угла наклона погружающейся литосферной плиты определена глубина расположения первичного магматического очага, от которого термохимический плюм зарождается и поднимается к поверхности континента, где образуется вулкан. Первичный магматический очаг образуется в области, где скорости субдукции и плавления корового слоя равны по величине и противоположно направлены. Представлена модель зарождения термохимического плюма на кровле первичного очага, и определены условия, при которых канал плюма выходит на поверхность. На основе теоретического моделирования, геологических и геофизических данных о глубине зарождения первичного очага найдены тепловые и гидродинамические условия существования термохимического плюма, зарождающегося от первичного очага и ответственного за образование вулкана на поверхности.

Представлены результаты исследования движения крупных горящих частиц титана диаметром 200 - 550 мкм в свободном падении в воздухе. Посредством видеосъемки с частотой 25 и 500 кадров в секунду зарегистрированы траектории движения частиц. Разработана математическая процедура осреднения траекторий. Траектории классифицированы в группы, вариация размера частиц в которых составляет 20 - 30 мкм. Для каждой группы размеров частиц построены обобщенные зависимости координаты частицы x(t) и ее скорости v(t) от времени t до момента начала фрагментации. Путем сопоставления эмпирических зависимостей x(t) и v(t) с аналитическим решением задачи о движении сферической частицы под действием сил тяжести и сопротивления определен эффективный коэффициент аэродинамического сопротивления горящих частиц титана в форме C_d = A /Re, где Re - число Рейнольдса. Для частиц исследованного диапазона размеров величина параметра А не зависит от диаметра частицы и составляет в среднем 61 ± 2 в диапазоне Рейнольдса от 1 до 10. Показано, что с использованием коэффициента аэродинамического сопротивления C_d = 61/Re и вязкости воздуха 5,07·10^-5 Па·с движение горящих частиц титана можно рассчитывать путем известного аналитического решения задачи о движении сферической частицы под действием сил тяжести и сопротивления с той же точностью, какую дают эмпирические зависимости.

Проведение вычислительных экспериментов в области теплового излучения продуктов сгорания ракетных двигателей позволяет отслеживать влияние определяющих факторов на характеристики излучения, что дает возможность планировать, прогнозировать и интерпретировать физический эксперимент. В работе рассмотрено влияние конденсированной фазы (частиц оксида алюминия), газовой фазы и отдельных ее компонентов (H₂O и CO₂) на спектральные и интегральные плотности потоков энергии излучения и излучательные способности на различных участках течения гетерогенных продуктов сгорания модельного ракетного двигателя на твердом топливе (РДТТ). Проведено сравнение характеристик излучения продуктов неполного сгорания и продуктов сгорания для камеры и начального участка факела РДТТ первой ступени Трайдент II (D5). Проведено сопоставление расчетов спектральной силы излучения начального участка факела с результатами других авторов

С помощью метода теневой фотографии изучены характеристики топливного спрея при распылении паровой струей. Исследуемый способ формирования двухфазного потока для диспергирования жидкого топлива обеспечивает возможность использования широкой гаммы углеводородов и повышает ресурс работы топочного оборудования за счет отсутствия в нем топливных распыляющих форсунок. С использованием длиннофокусного макроскопического объектива измерен дисперсный состав отработанного машинного масла при различных частотах подачи топлива: 10, 25 и 40 Гц. С использованием PIV-алгоритмов определена скорость дисперсной фазы, которая составила 60 м/с для всех исследованных режимов. Показано, что частота подачи жидкого топлива не оказывает влияния на размеры и скорость формируемых капель топлива.

В настоящем исследовании с использованием модели двухфазной смеси численно анализируется генерация энтропии наножидкости «вода-TiO₂» в волнистом канале при постоянном тепловом потоке ( q^"). Анализ проводится для ламинарного вынужденного конвективного течения. Рассматриваются числа Рейнольдса Re в диапазоне 50 ≤ Re ≤ 600 при объемной доле наночастиц φ в диапазоне 1 ≤ φ ≤ 5 % . Определяющие уравнения решаются с помощью программного обеспечения Ansys-Fluent 14.5. Верификация демонстрирует отличное совпадение результатов с данными литературных источников. Исследуется влияние различных Re, φ и амплитуд волнистых стенок α на поведение потока и теплопередачу. Кроме того, представлены и изучены распределение статической температуры, линии тока, генерация полной энтропии(S_g,t) и контуры числа Бежана (Be). Результаты показывают, что скорость теплопередачи возрастает при увеличении φ,Re и α. При использовании волнистой стенки теплопередача усиливается по сравнению с прямой стенкой. Критерий оценки эффективности (PEC) увеличивается с ростом φ и Re, поэтому с инженерной и экономической точек зрения рекомендуется использовать бóльшие значения для φ и Re в канале волнистой формы. Что касается S_g,t, S_g,t,h и Be, то эти параметры уменьшаются при увеличении φ и Re, за исключением S_g,v, которое увеличивается вместе с φ и Re.

Экспериментально и теоретически исследуются процессы зарождения кристаллов в алюминии и структурообразования в алюминиевом сплаве при введении наночастиц кубической формы методом поверхностной электронно-лучевой обработки. Определена зависимость скорости зарождения твердой фазы от размера наночастиц TiCN в алюминии. С использованием программного продукта MAGMASOFT проведено численное моделирование процесса структурообразования в образце сплава AlSi12Cu2NiMg при электронно-лучевой обработке.

В статье представлены результаты измерения методом импульсного нагрева коэффициента теплопроводности свинца в диапазоне температур 350-1000 °С. Описана методика обработки экспериментальных результатов. Приведена оценка погрешности экспериментальных данных. Показано, что различие в содержании примесей в образцах свинца не оказало существенного влияния на коэффициент теплопроводности расплава свинца. Отклонение экспериментальных данных по теплопроводности свинца от предложенной интерполирующей зависимости не превышает ±2 %. Проведено сравнение полученных данных с известными рекомендуемыми зависимостями для расчета коэффициента теплопроводности свинца.

Проведено комплексное исследование теплофизических свойств сверхлегкого сплава Mg-Li эвтектического состава (с содержанием лития 23 ат. %), перспективного для использования в аэрокосмической промышленности. Получены новые достоверные экспериментальные данные по теплопроводности, температуропроводности, удельной теплоемкости, плотности, термическому коэффициенту линейного расширения и относительному удлинению сплава в интервале температур 300 - 759 ÷781 K. Проведено сопоставление полученных результатов с известными литературными данными по теплопроводности и тепловому расширению для сплавов системы Mg-Li. Приведены аппроксимационные уравнения и таблица рекомендуемых данных изученных свойств. Определен относительный скачок плотности эвтектики при плавлении.

Методами математического моделирования проведен численный расчет влияния различных видов непрозрачных подложек на таяние льда. Показано, что при поддержании постоянной низкой температуры левой границы теплопроводящей подложки таяние льда не зависит от ее теплофизических свойств. Найдено пороговое значение теплофизических свойств, ниже которого зависимость от подложки необходимо учитывать.

4 августа 2022 года исполнилось 75 лет доктору физико-математических наук, профессору Амиру Анваровичу Губайдуллину - известному ученому, организатору науки, руководителю научного направления Тюменского филиала Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН.