Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2023 номер 1

Проведено численное и экспериментальное исследование течения около типовой модели гражданского самолета на больших углах атаки в диапазоне от 0 до 90° при дозвуковых скоростях набегающего потока. Эксперименты выполнены в аэродинамической трубе Т-105 ЦАГИ. Расчеты проведены в рамках решения уравнений Рейнольдса. Сравнение расчетных и экспериментальных интегральных характеристик показало хорошее согласование с достаточной для практики точностью. Выявлены физические особенности течения и их влияние на аэродинамические характеристики стационарной модели при больших углах атаки, а также на режиме вращения модели с постоянной угловой скоростью.

Проведено численное моделирование генерации и развития вихрей Гёртлера в сжимаемом пограничном слое на вогнутой поверхности. Расчет проведен в программе Fluent пакета Ansys. Рассмотрены стационарные и нестационарные возмущения при числе Маха набегающего потока М ≈ 4. Показано, что при введении периодического в трансверсальном направлении к потоку возмущения на прямом участке поверхности оно затухает, а на вогнутой поверхности нарастает. Сравнение результатов выполненных расчетов с расчетами в рамках линейной теории устойчивости показало, что область восприимчивости пограничного слоя к возмущениям на вогнутой поверхности составляет примерно 17 толщин пограничного слоя. После зоны восприимчивости возмущения нарастают по экспоненциальному закону с небольшими отклонениями. Профили пульсаций потока хорошо согласуются с данными, полученными по линейной теории устойчивости. Показано, что развитие нестационарного возмущения вдоль поверхности модели при рассматриваемых параметрах мало отличается от стационарного возмущения.

Данные экспериментальных исследований гидродинамики противоточных потоков жидкости и пара в дистилляционных колоннах со структурированными насадками необходимы для верификации расчетных моделей, описывающих гидродинамику и процессы тепло- и массообмена в промышленных дистилляционных колоннах. В работе представлено описание конструкции многоточечного термоанемометра с координатным устройством, разработанного для измерений скорости потока пара в условиях струйного орошения насадки при противоточном потоке фаз смеси фреонов. Тестирование измерительной системы проведено на потоке воздуха, проходящего через 210-миллиметровый слой структурированной насадки Sulzer 500X. Измерения проводились на крупномасштабной исследовательской модели дистилляционной колонны диаметром 900 мм. Получены экспериментальные данные по распределению локальной скорости потока воздуха на выходе из однослойной насадки Sulzer 500X. Сканирование пакета насадки с шагом 1 и 5 мм показало наличие периодической ячеистой структуры распределения скорости газового потока, коррелирующей со структурой исследуемой насадки.

Прямое статистическое моделирование использовано для изучения влияния разреженности на структуру осесимметричной недорасширенной струи. Сравнение с данными других авторов показало, что этот метод позволяет с высокой точностью воспроизвести характеристики стационарной ударно-волновой структуры струи. Степень разреженности оказывает заметное влияние на течение, приводя, в частности, к изменению типа отражения от оси висячего скачка в первой бочке струи и исчезновению развитого диска Маха, что влечет перестройку структуры последующих бочек. Впервые в расчете, выполненном с помощью молекулярно-кинетического подхода, отмечалось формирование замкнутой зоны возвратного течения за диском Маха, что ранее наблюдалось только при моделировании путем решения континуальных уравнений.

Выполнено исследование влияния несимметричных граничных условий на режимы течения в модельной гидротурбине. Показано, что изогнутая отсасывающая труба практически не влияет на вихревую структуру, сохраняя такое явление, как перезамыкание вихревого жгута. Также остаются неизменными профили осевой и тангенциальной скоростей. Наблюдается изменение пульсаций давления, несмотря на сходство средних величин и нестационарной вихревой картины течения. В случае несимметричной модели пульсации давления выше, чем для симметричной модели. Это может свидетельствовать о суперпозиции пульсаций, вызванных вращением прецессирующего вихревого ядра с генерируемыми им же продольными (синхронными) колебаниями давления.

Работа посвящена исследованию малых мультироторных аппаратов, которые совершают полеты в приземном слое атмосферы, где уровень набегающих на винт возмущений потока может существенно меняться и приводить к изменению характеристик работы пропеллера. Осевое обтекание двухлопастного винта неизменяемого шага диаметром 380 мм экспериментально исследовалось в малошумной аэродинамической трубе Т-324 ИТПМ СО РАН. Эксперимент проводился в диапазоне чисел Рейнольдса, рассчитанном по параметрам течения, реализующегося в сечении 75 % от радиуса винта до 1,5∙10⁵. В качестве основного способа измерений использовался термоанемометрический метод. Установлено влияние пульсаций набегающего потока на характеристики течения в следе за пропеллером

В работе исследуются характеристики электрического поля, поля течения и температурного поля ионного охладителя. Результаты показывают, что наилучшие характеристики охладителя достигаются при отношении расстояния между пластинами к их толщине, равном 5, расстоянии между электродами 5 мм и при «нулевом» положении иглы. Авторами предложена и оптимизирована двухступенчатая конструкция ионного охладителя, в которой средняя скорость ионного ветра увеличилась по сравнению с одноступенчатой конструкцией на 30,8 % - т.е. до 3,57 м/с. Результаты исследования расширяют существующие знания о возможных конфигурациях электродов в ионных охладителях и способствует практическому применению этих устройств.

Проведены экспериментальные исследования работы центробежного дискового насоса. Для обобщения экспериментальных данных представлены безразмерные параметры. Предложен метод расчета расходно-напорных и дроссельных характеристик, обеспечивающий точность, достаточную для инженерных расчетов.

С помощью RANS-подхода установлено явление интерференции струйного потока при его торможении в ходе взаимодействия с наветренной кромкой наклонной канавки на обтекаемой пластине и стенке узкого канала и сгенерированного на входе в канавку смерчеобразного вихря. Экспериментально подтверждены возникающие экстраординарные перепады статического давления между зонами торможения и разрежения. Скорость возвратного течения возрастает до двух раз, а скорость вторичного течения достигает величин, превышающих среднемассовую скорость. Обоснованы аномальная интенсификация отрывного течения и теплообмена в наклонных канавках на структурированных поверхностях с многократным (до 6 - 9 раз) увеличением относительного трения и тепловых потоков внутри канавок по сравнению с плоской стенкой, а также ускорение пристенного потока, обусловленного наличием однорядных наклонных канавок в узких каналах (максимальная скорость в ядре структурированного канала возрастает более чем в 1,5 раза по сравнению с максимальной скоростью в плоскопараллельном канале). Выполнено аэродинамическое проектирование новых энергоэффективных поверхностей, структурированных канавками.

Рассматриваются четыре варианта энергетического цикла с использованием углекислого газа в качестве рабочего тела при кислородном сжигании газообразного топлива. Во всех случаях подвод теплоты обеспечивается в зоне закритических параметров СО₂. Принципиальная разница в вариантах заключается в способе повышения давления рабочего тела. Подвод теплоты к циклу осуществляется в камере сгорания, а работа цикла связана с непрерывным обновлением рабочего тела, так как часть СО₂ и все водяные пары, полученные при сжигании топлива, выводятся за рамки цикла. В статье показано, что наиболее высоким термическим КПД, достигающим 64,5 %, обладают циклы с одноступенчатым повышением давления насосом. Установлены количественные оценки влияния термодинамических параметров на энергетические характеристики циклов.

Представлены результаты численного моделирования процессов горения газокапельной топливной смеси в потоке окислителя в условиях, типичных для гибридных ракетных двигателей. Исследовано влияние размера и частоты подачи капель топлива на полноту сгорания, температуру и положение диффузионного пламени в пограничном слое потока окислителя. Показано, что влияние капель жидкого топлива проявляется в локальном уменьшении температуры газа и повышении концентрации газообразного топлива в непосредственной близости от капель. Добавление капель в поток газообразного топлива приводит к незначительному уменьшению толщины пламени и его температуры, которые, однако, не испытывают крупномасштабных возмущений в результате движения капель и остаются практически стационарными.

Проведено экспериментальное исследование сжигания жидких углеводородов при их распыле струей перегретого водяного пара, углекислого газа и воздуха. На примере дизельного топлива получены результаты, направленные на выявление преимуществ использования в качестве распылителя-разбавителя перегретого водяного пара перед другими газами-разбавителями. Для этого изучались и сравнивались данные термопарных измерений, выполнялся газовый анализ промежуточных компонентов пламени при распылении топлива различными распылителями-разбавителями и проводилось сопоставление как полноты сгорания, так и вредных выбросов в конечных продуктах сгорания. Получено, что режим с воздушным распылением имеет более высокую температуру пламени (~ 150 °С) во всем измеряемом диапазоне по сравнению с паровым и углекислым распылением. При этом режимы с паром и углекислым газом имеют схожие температурные профили. Анализ уходящих газов показал, что при распылении паром снижение показателя NO_x достигает 25 и 70 % по отношению к углекислому газу и воздуху соответственно, что делает предпочтительным его использование в качестве распылителя-разбавителя при сжигании жидких топлив по сравнению с другими изученными газами.

Изучена проблема измерения геометрических параметров наледи методом фазовой триангуляции в ограниченном объеме с преломлением оптических сигналов. Для проведения данных исследований разработан алгоритм измерения и калибровки на основе указанного метода. Кроме того, для учета отражающих свойств наледи, условий внешнего освещения и обеспечения минимальной погрешности измерения геометрических параметров наледи разработаны программные комплексы для контроля качества работы измерительной системы с текущими параметрами и для расчета геометрических параметров наледи, а также программно-аппаратный комплекс для измерения геометрических параметров наледи методом фазовой триангуляции в ограниченном объеме с преломлением оптических сигналов. Измерительная система настроена для измерительного объема с характерным размером (100×100×60) мм. Достигнута погрешность измерения, равная 12 мкм. Проведены эксперименты по измерению геометрических параметров наледи, образованной на цилиндрической поверхности. Восстановлены значения локальной толщины наледи и статистическое значение толщины, составляющее 1,6 мм. Разработанные технологии могут быть использованы в экспериментах на аэродинамическом стенде по исследованию процессов обледенения, нацеленных на разработку методов борьбы с обледенением в различных областях промышленности.

В статье представлены результаты измерений коэффициентов теплопроводности сплава Pb-Na 20 ат. % и эвтектики (Pb-Bi)-Na 20 ат % при температурах 350 - 800 °С. Описана экспериментальная методика, представлены оценки перепадов температур в теплопроводящем подслое ТВЭЛов из исследованных сплавов.

Методом просвечивания образцов узким пучком гамма-излучения измерена плотность жидких фторида лития и смеси фторид лития - фторид натрия эвтектического состава (с содержанием 39 мол. % NaF) в интервале температур от ликвидуса до ~1280 K. Проведено сравнение полученных результатов с имеющимися литературными данными. Исследование жидкой эвтектики LiF - NaF выполнено в существенно более широком интервале температур по сравнению с другими авторами, а полученные для нее значения объемного коэффициента теплового расширения являются, по-видимому, наиболее надежными.

Предложено новое термическое уравнение состояния для метана в явном виде, включающее кроссоверную функцию, новую регулярную и масштабную части с 22 регулируемыми коэффициентами в реальных переменных температура - плотность. Коэффициенты определены по массиву ρ, ρ, T -данных СH₄, данные по теплоемкостям C_v, C_p и скорости звука W не привлекались, кроме данных изохорной теплоемкости C_v в идеально-газовом состоянии и значения C_v при 100 K на ветви жидкости кривой равновесия жидкость - пар. В регулярной области расчетные величины C_v, C_p и W близки к экспериментальным и табличным значениям, в критической области расхождения с табличными величинами составляют не более 5 %, что связано с применением масштабного уравнения состояния. Среднее абсолютное отклонение описания давления СH₄ составляет 0,3 %, среднеквадратичная погрешность σ_p = 0,5 %, погрешность в C_v - не более 5 %. Результаты расчетов сравниваются с данными известных кроссоверных уравнений состояния для СН₄. Сделан вывод о предпочтительности предлагаемой модели уравнения состояния для расчетов теплофизических свойств метана.

В работе исследуется динамика роста газового пузырька в высоковязкой газонасыщенной жидкости (магматическом расплаве), подвергшейся декомпрессии. Предложена математическая модель процесса, представляющая собой совместную динамическую и диффузионную задачу. Найдено приближенное полуаналитическое решение, основанное на существовании квазистационарного состояния для процесса роста пузырька. Показано влияние тех или иных факторов на рассматриваемый процесс на всех его стадиях. В частности, проиллюстрирована существенная зависимость скорости роста пузырька от скорости декомпрессии. Показано, что на больших временах рост пузырька имеет автомодельный характер и происходит только в результате десорбции газа из окружающей его жидкости.

Рассмотрена модель зарождения кристаллической фазы на поверхности сферических частиц при охлаждении модифицированного расплава ниже температуры ликвидуса. Показана связь между величиной переохлаждения, размером зародышей, образующихся на поверхности частиц, и количеством затрачиваемой энергии. Проведено численное моделирование затвердевания модифицированного двухкомпонентного расплава алюминия в цилиндрическом тигле с рассмотрением термодинамических процессов, гетерогенного зародышеобразования и кристаллизации. Определены условия образования зародышей кристаллов размером как меньше, так и больше размеров частиц-затравок. Показано, что для эффективного модифицирования металла необходимо использование порошков с частицами максимально однородного размера. Достоверность предложенной модели подтверждена удовлетворительным совпадением результатов численного расчета с данными физического эксперимента.

Представлены результаты основных физических процессов, обеспечивающих работу полого катода вакуумных плазмотронов с формированием высокоэнтальпийной плазмы внутри полости. Взаимодействие плазмы с внутренней поверхностью катода определяет температурное поле полого катода и распределение тепловых потоков в вакуумном разряде. На формирование температурного поля в теле катода, кроме прикатодных процессов, оказывают значительное влияние условия теплообмена катода с окружающей средой, характеристики материала катода и его геометрические размеры. Исследования спектров излучения плазмы в полости катода показали, что появление линий спектра зависит от условий возбуждения и определяет границы энергии электронов, ускоренных в прикатодном слое.

Представлены результаты термодинамических расчетов и экспериментальных исследований плазменной переработки медико-биологических отходов и топливной биомассы, включая отходы деревообрабатывающей промышленности и сельского хозяйства, показавшие перспективность использования плазмохимической технологии переработки различных отходов с получением горючего газа и инертного минерального материала. Сопоставление результатов эксперимента и расчетов показало их удовлетворительное согласование. Как в расчетах, так и в экспериментах вредных примесей в продуктах плазменной переработки исследованных отходов обнаружено не было.

30 ноября 2022 года ушел из жизни выдающийся ученый в области теплофизики и теплоэнергетики, доктор технических наук, профессор, действительный член Российской академии наук Александр Иванович Леонтьев.