Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2022 номер 6

Показана ошибочность развиваемых и пропагандируемых С.М. Фроловым и В.И. Звегинцевым с коллегами «новых методологий» обработки и использования результатов расчетов воздушно-реактивных двигателей (ВРД) с горением во вращающихся детонационных волнах, а в последнее время в гораздо большей степени - результатов измерений сил, испытываемых моделями прямоточных (безроторных) ВРД при их «горячих» и «холодных» продувках на сверхзвуковых стендах.

Традиционный подход к измерению тяги воздушно-реактивных двигателей (ВРД) был предложен Б.С. Стечкиным в 1929 г. и состоит в определении тяги как разности импульсов газового потока на входе и выходе двигателя. Такой подход содержит как методические, так и терминологические проблемы. На основе критического анализа существующих представлений в статье предлагается новый подход к определению тяги ВРД в виде величины уменьшения исходного сопротивления летательного аппарата (ЛА) + ВРД при работе силовой установки с подачей топлива и выделением энергии. Для полученной таким образом тяги предлагается использовать термин «реальная тяга». Показано, что предлагаемый подход снимает терминологические проблемы и упрощает технику измерения тяговых характеристик ВРД. В работе рассматриваются различные варианты применения предлагаемого подхода к определению «реальной тяги» для разных случаев использования и моделирования ВРД, в том числе и при расчете траекторий полета ЛА с ВРД.

Представлены результаты экспериментального исследования тепловой эффективности в пристенной газовой завесе, вдуваемой через наклонные цилиндрические отверстия вдоль гладкой поверхности, и при организации вдува вторичного потока через цилиндрические отверстия в поперечную траншею. Выполнены измерения полей тепловой эффективности пристенной завесы с использованием инфракрасной камеры. В случае вдува в траншею характерным для экспериментальных данных является незначительное влияние параметра вдува на тепловую эффективность пристенной завесы для всех исследованных в работе траншей. Установлено, что увеличение глубины траншеи приводит к увеличению тепловой эффективности пристенной газовой завесы. Максимальное увеличение тепловой эффективности достигается для траншеи относительной глубины h/d = 0,94. Выполнены сопоставления данных собственных измерений с экспериментальными и численными результатами работ других авторов для случаев вдува через отверстия в поперечную траншею.

Представлены результаты экспериментальных и численных исследований свойств турбулентного пограничного слоя, модифицированного управляющим воздействием в виде распределенного вдува воздуха через высокотехнологичную перфорированную стенку, являющуюся частью поверхности удлиненного осесимметричного тела в условиях его обтекания низкоскоростным потоком газа. Число Рейнольдса Re^**, вычисленное по толщине потери импульса δ^** впереди перфорированного участка, образованного отверстиями диаметром 0,14 мм с микроканалами малого удлинения, составляет 2660. Осредненный по площади коэффициент вдува C_b меняется в диапазоне 0 - 0,00885. Показано, что по мере увеличения продольной координаты вплоть до расстояния 550δ^** от области вдува наблюдается устойчивое снижение локального трения, наибольшая величина которого достигает 64 % непосредственно в области вдува при максимальной его интенсивности.

Исследуется теплопроводность смеси R-32/R-125 (15/85) в интервале температур 305 - 411 K и давлений 0,1 - 1,8 МПа. Измерения выполнялись стационарным методом коаксиальных цилиндров. Погрешность экспериментальных данных по теплопроводности составляла 1,5 - 2,5%, погрешности измерения температуры и давления не превышали 0,05 K и 4 кПа соответственно. Получено обобщающее уравнение для расчета теплопроводности в зависимости от давления и температуры. Определена теплопроводность на линии конденсации и в идеально-газовом состоянии.

С помощью установленной ранее зависимости избыточной вязкости от плотности внутренней энергии получено простое малопараметрическое уравнение для описания коэффициента вязкости криптона в широкой области параметров состояния. Показано, что предложенное малопараметрическое уравнение для расчета коэффициента вязкости жидкости и газа допускает надежную экстраполяцию за пределы изученного участка.

Представлены результаты численного моделирования развития локализованных возмущений от одного и двух отдельных синхронных источников в ламинарном пограничном слое пластины при числе Маха М = 2 для различных расстояний между источниками. Расчеты выполнены в программном комплексе FlowVision при параметрах набегающего потока, характерных для аэродинамической трубы Т-325 ИТПМ СО РАН. Исследования проведены в области линейного развития возмущений. Обнаружено, что в зависимости от расстояния между источниками генерируемые возмущения могут как усиливаться, так и затухать вниз по потоку. Проведен анализ частотно-волновой структуры возмущений. В волновых спектрах возмущений, генерируемых двумя разнесенными локализованными синхронными источниками, наблюдаются узлы и пучности, положение в спектре которых определяется расстоянием между источниками.

Описана методика и приведены результаты экспериментального исследования аэродинамической структуры турбулентного обтекания, флуктуаций скорости и полей давления на поверхности одиночной траншейной лунки, расположенной на стенке плоского прямоугольного канала. Траншейная лунка в поперечном сечении представляет собой цилиндрический сегмент с полусферами на ее краях. Измерения проведены двухкомпонентным лазерно-доплеровским измерителем скорости при двух углах наклона лунки относительно направления потока φ=0 и 45°. Изучено развитие течения в поперечном к траншее направлении, а также по ее размаху. Показано принципиальное различие полей скорости и их пульсаций в траншее, расположенной нормально и под углом к потоку.

Работа посвящена исследованию электросопротивления графенового слоя, омываемого жидкостью с различными расходными параметрами. Показано, что при погружении композита - графена на полимерной подложке (ПЭТ/ЭВА) - в дистиллированную воду его сопротивление увеличивается на 120 %. При движении жидкости вблизи графенового слоя её влияние на изменение электропроводности графенового слоя ослабевает. Предложено принципиальное устройство датчика для измерения потока жидкости с использованием графенового слоя в качестве чувствительной матрицы. Установлено, что в предложенной конфигурации графеновый датчик расхода дистиллированной воды характеризуется линейной зависимостью сопротивления от расхода.

Представлены результаты экспериментальных исследований и прямого численного моделирования стационарного течения в области разветвления каналов, моделирующей проксимальный анастомоз бедренной артерии. Число Рейнольдса Re = 1500, что соответствует максимальному расходу крови за период сердечных сокращений. Варьируется соотношение расходов жидкости, протекающей через ответвление и основной канал. Выявлены закономерности развития структуры течения в основном канале и ответвлении, большое внимание уделено областям отрыва потока. Установлено существование вторичных течений, локализованных в пределах отрывных областей. Определены диапазоны соотношения расходов, при которых в слое смешения на границе этих областей появляются признаки турбулизации потока.

Работа посвящена изучению сегментированных режимов течения несмешивающихся жидкостей в микроканалах с Т- и Х-образными входами для технологий 3D-печати. На основе результатов визуализации течений построены карты режимов, с выделенной областью устойчивого снарядного потока. Обнаружено хорошее совпадение карт, построенных по приведенным скоростям потока, и показано, что влияние входа в канал на границы режимов течения несущественно. Показано, что при использовании менее вязкой несущей фазы область существования устойчивого снарядного режима расширяется в сторону больших приведённых скоростей потока. Исследован отрыв микрокапель с задней кромки снарядов. Обнаружено, что переход к отрыву микрокапель описывается в терминах числа капиллярности, построенного по суммарной среднерасходной скорости фаз, и отношения расходов фаз. Таким образом, определен диапазон безразмерных параметров работы микроканальных устройств, пригодный для 3D-печати композитных материалов с заданными свойствами.

Работа посвящена расчетному исследованию аэродинамики и теплообмена в четырехвихревой топочной камере при факельном горении бурых углей восточных месторождений. Для моделирования используется комплекс взаимосвязанных моделей, описывающих турбулентное движение газа, перенос тепловой и лучистой энергии, процессы деструкции и выгорания угольных частиц, образование оксидов азота NO_x . Результаты моделирования показали, что для рассмотренных марок бурых углей в топочной камере с исследуемой аэродинамической схемой формируется устойчивая четырехвихревая структура течения с равномерным распределением температуры в топочном объеме и допустимым уровнем образования NO_x .

Лазерно-водоструйная обработка (ЛВО) - это новый комбинированный метод, разработанный на основе традиционной технологии лазерной обработки. Он сочетает в себе высокую эффективность обработки материалов излучением лазера с воздействием охлаждающей водяной струи. ЛВО может применяться для обработки твердых и хрупких материалов, таких как кремний. Углубленное изучение технологии такой обработки имеет важное практическое значение. Для исследования влияния параметров процесса на глубину канавки реза используется метод контролируемых переменных. Полученные данные показывают, что с увеличением силы тока и длительности лазерного импульса глубина канавки увеличивается; в случае увеличения частоты повторения лазерных импульсов и скорости водяной струи глубина канавки сначала увеличивается, а затем уменьшается. Эксперимент по обработке кремния лазерным излучением с подачей струи воды может стать показательным для обработки других труднообрабатываемых материалов.

Лазерное излучение является ведущим инструментом в сфере обработки и дизайна материалов. В последнее время активно исследуется задача о контролируемом изменении свойств смачивания металлов путем микро- и наноструктурирования поверхностей. В представленной работе исследовано влияние условий наносекундной лазерной обработки на свойства смачивания медной поверхности в режиме формирования случайно распределенной иерархической структуры. Особое внимание уделено вопросу эволюции краевого угла смачивания с течением времени. Рассмотрены механизмы изменения свойств смачивания со временем. Показано, что перекрытие лазерных пятен имеет большее значение, чем плотность энергии в пучке с точки зрения гидрофобизации поверхности меди.

Проточные микрореакторы, разрабатываемые для малотоннажного производства фармацевтических субстанций, имеют небольшой объем и обеспечивают непрерывность получения продукта при условии смешения реагентов неинвазивными методами. В работе экспериментально и численно исследована эффективность использования механизмов естественной конвекции для перемешивания растворов в симметричном микрореакторе Y-типа. Зона смешения сконструирована так, чтобы раскрыть потенциал конвекции. Рассмотрены случаи как химически инертной системы, так и реагирующих растворов. Модельная реакция представлена быстро протекающей нейтрализацией кислоты основанием. Теоретическая модель включает трехмерное уравнение Навье-Стокса и уравнения переноса для реагентов, записанные с учетом нелинейной диффузии. Представлено сравнение данных экспериментов и численных результатов. Установлена зависимость длины эффективного смешения от вида неустойчивости и величины расхода растворов.

В статье представлены результаты экспериментального исследования кавитационного обтекания крыла серии NACA0012 в узком щелевом канале шириной 1,2 мм. Соотношение сторон тела обтекания составило 0,02. Для выявления основных особенностей двухфазного течения проведена высокоскоростная визуализация с помощью камеры Photron FASTCAM NOVA S12 с частотой дискретизации 20 кГц. Определена внутренняя структура кавитационных каверн. Определены основные частоты образования каверн в потоке с помощью цифровой обработки данных визуализации. Показано, что близкое расположение стенок канала значительно влияет на распространение возвратного течения под каверной и на ее отрыв.

Исследован процесс роста пузыря внутри интенсивно испаряющейся капли жидкости на нагреваемой структурированной поверхности из черного кремния. В экспериментах использовались летучие жидкости FС-72, HFE 7100, этанол и вода. Отработана методика исследования растущего пузыря внутри капли с помощью шлирен-системы. Измерены скорости контактной линии при испарении микрокапель, в том числе для капель с растущим внутри пузырем. Представлено сравнение скорости контактной линии для испаряющейся капли с пузырем и без него. Обнаружена неустойчивость контактной линии, образованная в том числе развитой структурой подложки, которая способна приводить к увеличению локальных течений в области микрорегиона, что может существенно интенсифицировать теплообмен.

Микроканальные системы охлаждения получают широкое распространение благодаря своей эффективности. В работе проведено исследование кипения диэлектрической жидкости FC-72 в плоском микроканале высотой 66 мкм и шириной 10 мм. Нагрев осуществлялся тонкопленочным ITO-нагревателем, находящимся в непосредственном контакте с рабочей жидкостью. Исследованы режимы течения при кипении в широком диапазоне расходов жидкости. Показано, что режимы кипения в плоском микроканале существенно отличаются от режимов течения в круглых и прямоугольных мини- и микроканалах. Построены зависимости теплового потока от температурного напора. Исследована зависимость коэффициента теплоотдачи от теплового потока для различных режимов двухфазного потока.

В статье представлены результаты расчетов плазменного воспламенения и горения угля в топке котла ПК-39-II Рефтинской ГРЭС. Для математического моделирования сжигания угля в топке котла использовалась трехмерная математическая модель Cinar ICE, программный комплекс для физического моделирования и расчета гидродинамики, тепломассообмена и горения топлив в объеме топочных устройств. Расчеты выполнены для двух режимов горения пылеугольного топлива: традиционного и с использованием плазменной активации горения угля. Показано, что применение плазменно-топливных систем (ПТС) позволяет оптимизировать процесс сгорания угля в топочной камере. Трехмерное моделирование оснащенной ПТС пылеугольной топки позволяет определить оптимальную схему компоновки ПТС на котлах тепловых электростанций.

Методом дифференциальной сканирующей калориметрии проведено экспериментальное исследование удельной теплоемкости гадолиний-скандий-галлиевого и кальций-ниобий-галлиевого гранатов, которые широко используются в лазерной технике и микроэлектронике. Получены новые экспериментальные результаты по удельной изобарной теплоемкости в интервале температур 300 - 1270 K, на основании которых разработаны аппроксимационные уравнения и таблица рекомендуемых значений для научного и практического использования. Проведено сопоставление с известными литературными данными. Оцениваемая погрешность полученных данных составила 2 - 4 %.

На примере н-гептана экспериментально изучается сжигание жидких углеводородов при их распылении струей перегретого водяного пара как перспективный способ эффективного и экологически безопасного сжигания. В исследовании используется горелочное устройство с принудительной подачей воздуха внутрь камеры газогенерации. Оно представляет собой модернизированную конструкцию атмосферного горелочного устройства с естественным притоком воздуха, исследованного авторами ранее, и позволяет получить дополнительную информацию о влиянии изменения коэффициента избытка воздуха внутри устройства на процесс сжигания жидкого топлива в присутствии перегретого водяного пара. На основе термопарных измерений, газового анализа промежуточных компонентов пламени, измерения полноты сгорания и вредных выбросов в конечных продуктах сгорания получены новые данные эколого-энергетических характеристик исследуемого горелочного устройства, проведено их сопоставление с показателями горелочного устройства с естественным притоком воздуха. Установлено, что образование монооксида углерода при сжигании гептана сокращается на 25 %, а образование оксидов азота - на 15 % при снижении коэффициента избытка воздуха в камере сгорания от 0,7 до 0,16. При этом для горелочного устройства с естественным притоком воздуха характерна более высокая температура пламени и меньшая длина факела. В то же время уровень выбросов СО и NO_x во всех режимах соответствует европейскому стандарту EN 267. Определено, что принудительно вводимый поток воздуха не оказывает заметного влияния на выделяемое тепло для исследуемых режимов, а теплота сгорания топлива во всех случаях близка к высшей теплоте сгорания гептана, что свидетельствует о высокой эффективности исследуемого способа сжигания.

Представлены результаты экспериментального исследования турбулентной структуры течения в ячейке вихревой матрицы, представляющей собой область между пересекающимися ребрами на противоположных стенках плоского канала. Угол между ребрами составлял 2β = 60°, 90° и 120°; число Рейнольдса, рассчитанное по средней скорости и гидравлическому диаметру канала изменялось в диапазоне Re = (1 - 7)×10⁴. Измерения аэродинамических характеристик потока внутри ячейки решетчатой матрицы, размещенной в прямоугольном канале сечением 20×150 мм и длиной 400 мм, проводились с помощью двухкомпонентного лазерного доплеровского анемометра (ЛДА). Изучена структура течения в отдельных ячейках размером 15×15 мм, образованных скрещивающимися ребрами на противоположных стеках канала. Показана сложная трехмерная структура течения в ячейках матрицы и сильная турбулизация потока в пристенных областях. Установка ребер приводит к значительному росту гидравлических потерь, особенно при больших углах скрещивания.