Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2022 номер 5

Целью работы является анализ существующих и использующихся методов прямого молекулярного моделирования физических процессов и явлений. В частности, обсуждаются методы молекулярной динамики, броуновской динамики, прямого статистического моделирования Монте-Карло, стохастического молекулярного моделирования. Во всех случаях анализируются основные особенности этих методов, точность моделирования и перспективы развития. Рассматриваются примеры решения оригинальных задач, в частности, моделирования коэффициентов переноса газов в объеме и наноканалах.

Экспериментально исследовано влияние числа Рейнольдса на механизм формирования мгновенного локального отрыва потока, возникающего в пристенной области турбулентного пограничного слоя. Обсуждаются особенности применения высокоскоростного планарного метода PIV с высоким пространственно-временным разрешением. Сопоставление результатов измерения в пределах вязкого подслоя турбулентного пограничного слоя с результатами других работ показало общность механизма формирования мгновенного локального отрыва потока в диапазоне динамического числа Рейнольдса 207 ≤ Re_τ ≤ 672.

В статье представлены результаты численного моделирования пограничного слоя воздуха на нагретой поверхности при наличии слабого ускорения. Численная модель состоит из системы уравнений Прандтля, описывающих динамические и тепловые процессы в пограничном слое, и κ-ω-γ- модели турбулентности, позволяющей обоснованно моделировать ламинарно-турбулентный переход и подавление турбулентности. Для решения дифференциальных уравнений применялись конечно-разностные методы. Для некоторых расчетных случаев модель турбулентности отключалась с целью получения параметров заведомо ламинарного течения. Моделирование показало, что в рассматриваемых условиях потока возможно возникновение и развитие локальной ламинаризованной области вблизи стенки. При этом пограничный слой включает пристенный ламинарный и внешний турбулентный участки. Такой характер течения приводит к уровню трения и теплообмена, которые соответствуют промежуточному течению относительно ламинарного и турбулентного течений в таких же условиях.

В работе рассмотрены существующие подходы к определению параметров потока в рабочей части импульсных аэродинамических труб и намечены пути их усовершенствования. Разработан алгоритм расчета параметров потока в сверхзвуковых высокоэнтальпийных аэродинамических трубах кратковременного действия с использованием экспериментальных значений давления в форкамере, полного давления за прямым скачком, скорости и температуры торможения потока в зависимости от времени. Показано, что результаты измерений и расчетов, полученные с помощью данного алгоритма определения параметров потока, хорошо согласуются с расчетами параметров потока, выполненными на основе газодинамических соотношений с учетом тепловых потерь в рабочем тракте аэродинамической трубы.

Исследовано развитие кризиса течения в вихревой трубе Ранка -Хилша с квадратным сечением рабочего канала. Ранее для течения воздуха в данной трубе было экспериментально установлено выполнение гидравлического условия кризиса. Явление кризиса связывалось с тем, что продольная скорость потока на границе пристеночного вихря и циркуляционной зоны достигала значения скорости распространения центробежных волн вдоль этой границы. В предлагаемой работе представлены и проанализированы новые подробные результаты измерений кинематических характеристик кризисного течения, в том числе пульсаций скорости. Выявлены признаки наличия гидравлического прыжка вблизи входа закрученного потока в рабочий канал вихревой трубы.

Проведено экспериментальное исследование формирования циркуляционных вихревых ячеек в жидкой среде газовихревого биореактора. Исследование выполнено в промышленном стеклянном биореакторе объемом 10 литров с диаметром реакторной емкости D = 190 мм. Вихревое движение воздуха генерировалось лопастным колесом (активатором) при заполнении реакторной емкости на 50 и 80 % модельной средой. В качестве модельной среды использовался 65 % -й водный раствор глицерина с плотностью ρ = 1150 кг/м³ и с кинематической вязкостью ν = 15 мм²/с. Для наблюдения картины вихревого движения применялся метод цифровой трассерной визуализации (PIV). Показано, что при вращении активатора одновременно возникает меридиональное и циркуляционное движения жидкости. Определены закономерности вихревого движения модельной среды в зависимости от заполнения реактора и интенсивности вращения активатора. Выявлено, что под границей раздела возникают ячейки центробежной циркуляции, которые при увеличении частоты вращения активатора развиваются в глубь реактора. Установлено, что развитие центробежной циркуляции жидкости происходит аналогично тому, как это имеет место в замкнутом вихревом течении одной жидкости и в системе ограниченного вихревого движения двух несмешиваемых жидкостей.

Известно, что воздухозаборник должен равномерно подавать воздух в двигатель с минимальной потерей полного давления. Для решения этой задачи в настоящее время активно оптимизируются S-образные воздухозаборники. Равномерное распределение потока на входе в компрессор напрямую влияет на производительность двигателя, а неравномерность потока увеличивает вероятность сильных его искажений. Отрыв потока в канале приводит к снижению коэффициента восстановления давления и силы тяги двигателя. В данном исследовании в целях уменьшения потери полного давления и искажения потока выполнена оптимизация S-образного воздухозаборника. Для снижения вычислительных затрат применялись совместно генетический алгоритм и искусственные нейронные сети. Проведены две оптимизации с разными условиями. В первом случае путем изменения координат осевой линии и соотношения площадей сечений получены новые геометрические формы, что привело к улучшению коэффициента восстановления давления на 32,5 % и снижению искажения течения на 35,8 %. В случае второй оптимизации изменялась также форма каждого сечения. В качестве поперечных сечений воздуховода рассматривались суперэллиптические, яйцевидные и круглые профили. Вторая оптимизация позволила повысить коэффициент восстановления давления на 35,5 % и снизить искажение потока на 39,2 %.

Представлены результаты численного моделирования сверхзвукового (М_∞ = 7) обтекания цилиндра с передней газопроницаемой пористой вставкой (пористость 95 %, диаметр пор 2 мм), расположенного под углами атаки α = 0÷10°. Численное моделирование выполнено на основе решения трехмерных уравнений Навье- Стокса, осредненных по Рейнольдсу, с использованием трех скелетных моделей: модель из пересекающихся полых сфер, модель из непересекающихся твердых сфер с хаотическим расположением пор и модель из набора тороидальных элементов. Проведено сопоставление расчетных данных по коэффициентам сопротивления и подъемной силе цилиндра с передней газопроницаемой высокопористой вставкой с результатами экспериментов, проведенных в аэродинамической трубе Т-327 ИТПМ СО РАН. Выполнен сравнительный анализ результатов применения трехмерных скелетных моделей высокопористых ячеистых материалов для моделирования сверхзвукового обтекания тел с газопроницаемыми пористыми вставками под различными углами атаки.

Методом просвечивания образцов узким пучком гамма-излучения измерены плотность и коэффициенты теплового расширения поликристаллической, жидкой и аморфной фаз сплава Fe₆₀Co₂₀Si₈B₁₂ в интервале температур 293÷1650 K. Исследованы особенности кристаллизации расплава и аморфной пленки. Разработаны справочные таблицы свойств, оценены их погрешности и получены аппроксимационные уравнения.

В настоящей работе исследованы температуропроводность (α) и теплопроводность (λ) одного из наиболее перспективных жаропрочных никелевых сплавов Inconel 617. Измерения проводились в диапазоне температур от 300 до 1475 K методом лазерной вспышки на установке LFA-427. Оцениваемые погрешности полученных данных в зависимости от температуры составили 2 - 4 и 3 - 5 % для α и λ соответственно. Проведено сопоставление с известными литературными данными. Получены аппроксимирующие уравнения температурных зависимостей изученных свойств, и составлена таблица справочных значений, которые могут быть использованы в различных инженерных и научных задачах.

Представлены результаты численного исследования трехмерной круглой импактной струи, натекающей на нагретую плоскую пластину. Изучено влияние геометрии сопла и расстояния от сопла до пластины на аэродинамику и тепловое поведение импактной струи. Рассмотрены случаи круглого сопла и сопел с 4 и 6 шевронами и исследованы три варианта расстояния от сопла до пластины: H/D = 2, 4 и 6 при числе Рейнольдса, определенного по параметрам струи на срезе сопла, равном 5000. Результаты численного моделирования показали, что наличие шевронов интенсифицирует теплообмен в зоне торможения. Это усиление в отдельных областях может достигать 110 %. Показано, что тепловой поток через пластину имеет существенно неоднородную картину распределения для малого расстояния H/D = 2. В этом случае происходит уменьшение теплообмена между импактной струей и поверхностью преграды в узком радиальном зазоре вниз по течению от точки торможения. Зоны квазипотенциального течения, которые образуются вдоль преграды, соответствуют вырезам шеврона, в них получены высокие скорости потока и практически отсутствует турбулентность. При увеличении расстояния до преграды до H/D = 6 наблюдается осесимметричное тепловое поле. Отмечены закономерности распределения числа Нуссельта с усреднением по кольцевым поверхностям на преграде как функции радиальной координаты с центром в точке торможения.

Выполнено экспериментальное исследование истечения осциллирующей затопленной турбулентной струи в щелевой канал высотой h = 4 мм. Колеблющаяся турбулентная струя создавалась при помощи струйного осциллятора с двумя каналами обратной связи и шириной горловины выходного сопла d = h . В качестве рабочей жидкости использовалась дистиллированная вода. Измерения двухкомпонентных полей скорости проводились при помощи PIV-метода с высоким временным разрешением до 5 кГц. Получены данные о структуре и динамике течения колеблющейся турбулентной струи в щелевом канале в диапазоне чисел Рейнольдса от 1500 до 8000. Показано, что при истечении струи в щелевой канал формируются устойчивые крупномасштабные квазидвумерные вихревые структуры. Частота прохождения данных структур определяется частотой колебания струи, генерируемой струйным осциллятором. Анализ сопоставления результатов исследования с имеющимися в литературе экспериментальными данными показал, что в случае щелевого канала с соотношением h/d = 1 наблюдается уменьшение угла колебания струи, изменение распределения средних и пульсационных характеристик колеблющейся струи, а также уменьшение безразмерной частоты колебания струи с увеличением числа Re.

Приведены экспериментальные данные по реконструкции пространственной структуры закрученной струи в модели горелочного устройства. Рассмотрен изотермический случай смешения свободной струи с окружающим воздухом при различных уровнях закрутки потока. Исследуемые течения с высокой закруткой сопровождаются распадом ядра вихря и интенсивными когерентными пульсациями потока, связанными с крупномасштабными вихревыми структурами. Экспериментальные данные по распределениям аксиальной и тангенциальной скоростей получены методом цифровой трассерной визуализации. Вклад когерентных флуктуаций потока в турбулентный перенос оценен на основе ортогонального разложения (POD). Частота периодических пульсаций давления была измерена с помощью акустических датчиков. Измерения частоты прецессирующего вихревого ядра (ПВЯ) и соответствующих распределений скорости проводились при фиксированном числе Рейнольдса (16500). Получена немонотонная зависимость числа Струхаля от закрутки потока. Визуализирована пространственная вихревая структура в изотермических условиях. С помощью POD-анализа было показано, что при росте закрутки увеличиваются радиус прецессии и шаг винтовой структуры ПВЯ.

Представлены результаты экспериментальных исследований кинематической структуры потока и теплоотдачи в градиентных течениях. Полевым методом измерений (SIV) получены профили скоростей и характеристик турбулентности в характерных сечениях диффузорного и конфузорного каналов. По результатам тепловых измерений получены распределения коэффициента теплоотдачи на стенке плоского диффузора (конфузора) в широком диапазоне режимных параметров. Проведен анализ механизмов формирования теплоотдачи в градиентных течениях. Показано, что для диффузорного канала теплоотдача на стенке в целом зависит от параметров течения на входе в диффузор. Для конфузорного канала эта связь может быть определена с использованием локальных значений продольной скорости потока.

Проведено экспериментальное исследование динамики смачивания модифицированных капиллярно-пористых поверхностей, изготовленных из алюминия и титана, при условии свободно-конвективного теплообмена с окружающей средой. Установлено влияние концентрации этилового спирта и начальной его температуры на скорость движения фронта смачивания. Объемная концентрация спирта в смеси варьировалась в пределах 0 ÷ 95,5 %. Выявлены характерные режимы изменения высоты подъема жидкости по капиллярно-пористым поверхностям во времени в виде степенных зависимостей.

Выполнено экспериментальное исследование течения двухфазного потока в трех горизонтальных каналах прямоугольного сечения: 0,23×1 мм, 0,51×1 мм и 1×1 мм. В качестве жидкости использовалась дистиллированная вода, в качестве газа - азот. В работе подробно рассмотрены особенности формирования двухфазного потока. Изучено влияние высоты прямоугольного канала на границы режимов двухфазного течения. Обнаружено, что область пузырькового режима практически не подвержена влиянию высоты канала, однако с уменьшением последней существенно уменьшается область снарядного режима, при этом расширяется область снарядно-кольцевого режима течения. Детально изучены характеристики снарядного режима течения. Исследованы зависимости длины газовых снарядов и жидкостных перемычек от приведенной скорости жидкости, приведенной скорости газа, а также высоты канала. Проведено сравнение с известными корреляциями и показано, что они описывают экспериментальные данные в узком диапазоне параметров и с уменьшением высоты прямоугольного канала разброс данных возрастает.

При помощи численного моделирования методом крупных вихрей исследуются изотермические закрученные режимы течения газа в модельной камере сгорания при числе Рейнольдса Re = 15000. Идентифицирована когерентная вихревая структура - прецессирующее вихревое ядро, которое вносит существенный вклад в пульсации давления с максимумом внутри модельного фронтового устройства. В месте расположения наибольшей амплитуды пульсаций предлагается осуществлять вдув газа для подавления этой когерентной структуры. Исследованы три режима с дополнительной инжекцией амплитудой 1 - 5 % от среднерасходной скорости. Анализ мгновенных, средних и спектральных характеристик показал, что предложенный способ управления позволяет подавить амплитуду низкочастотных колебаний более чем в два раза.

Выполнены моделирование распространения и расчет нормальной скорости фронта пламени по аэровзвеси частиц бора в зависимости от давления, коэффициента избытка окислителя и размера частиц с учетом изменения механизмов переноса тепла и массы при уменьшении размеров частиц от микро- до нанодиапазона. С использованием модели распространения фронта пламени по аэровзвеси частиц бора с учетом молекулярно-кинетического режима тепломассообмена проанализировано влияние и установлены зависимости нормальной скорости пламени от начального размера частиц бора, коэффициента избытка окислителя и давления. Выявлены условия и приведено обоснование наличия экстремумов и монотонных зависимостей, обусловленных сменой режима тепломассообмена в условиях сплошной среды на свободномолекулярный режим.

Представлены результаты экспериментального исследования дилатометрическим методом теплового расширения сплава Hastelloy C276 в интервале температур 100 - 370 K. Получены температурные зависимости термических свойств. Проведено сравнение полученных результатов с данными для теплового расширения сверхпроводящих лент марок «Amperium» и «СуперОкс».