Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2023 номер 5

Рассматривается развитие пристенного срывного вихря, возникающего при сверхзвуковом обтекании внешнего двугранного угла за счет перепада давления между его гранями, в диапазоне углов атаки α = 0,5° - 6°. Подробно прослеживаются процессы зарождения и развития срывного и вторичного вихрей по мере увеличения угла α. Особое внимание уделяется изменению структуры течения в зоне расположения вихрей. Показано явное нарушение автомодельности течения в передней части модели в зоне формирования вихревой системы.

В работе представлены результаты серии экспериментальных и расчетных исследований процессов гидродинамики и теплообмена закрученного потока, обогреваемого за счет встречного потока теплоносителя в теплообменном канале при штатных технологических параметрах ядерной энергетической установки. В результате экспериментов получены поле температуры теплообменного канала в целом и коэффициент гидравлического сопротивления каналов с ленточными завихрителями постоянного шага закрутки. Численное исследование проводилось в отечественном программном пакете ЛОГОС и в комплексе Ansys CFX. Моделирование выполнено с использованием модели турбулентности k-ω SST с поправкой на кривизну линий тока и вращение. Создано два варианта сетки для проведения расчета. Проведен сравнительный анализ расчетных и экспериментальных величин коэффициента гидравлического трения, температуры закрученного потока и коэффициентов теплоотдачи от стенки к закрученному потоку. Анализ позволил выявить слабые и сильные стороны расчетной методики, реализованной в отечественном пакете. Выполнено сопоставление величин отклонений полученных значений. Наблюдается неплохое согласование расчетных и экспериментальных данных между собой, а также с данными, полученными на основе обобщенных зависимостей. Один из важнейших выводов исследования заключается в необходимости модернизации процесса решения связанной задачи теплообмена в пакете ЛОГОС с целью расширения круга решаемых задач.

Представлены результаты исследований процесса вдува воздуха через перфорированный участок поверхности на осесимметричном теле удлинением 25,3 в условиях его обтекания несжимаемым потоком при числе Рейнольдса Re_L = 4,36·10⁶. Коэффициент вдува C_b изменялся в диапазоне 0 - 0,00885. Показано, что распределенный вдув через перфорированную стенку улучшенной геометрии обеспечивает существенный выигрыш в сопротивлении трения тела в сравнении с аналогичной величиной на базовой конфигурации. Начиная с передней границы указанного участка и далее вниз по течению наблюдается устойчивое снижение локального трения, величина которого достигает 72 % непосредственно в области вдува при максимальной его интенсивности. С учетом энергетических затрат на процесс вдува при размещении участка вдува на цилиндрической части тела экономия энергии может составить от 1,4 до 6,1 %. Эффективность данного способа управления пограничным слоем может быть уточнена путем более тщательного определения вклада составляющей сопротивления, обусловленной силой давления и силой трения на головной части тела. Отмечается важность оценки возможности применения предлагаемого подхода при вдуве через участок поверхности на лобовой части тела.

В работе оценивается влияние способа учета стенки на точность воспроизведения с помощью κ-ε-модели несжимаемых турбулентных отрывных течений с теплообменом и без него. С использованием пакета OpenFOAM вычислительной динамики жидкости и газа (CFD) с открытым исходным кодом моделировались два эталонных случая: обтекание круглого цилиндра при Re = 3900 и обтекание нагретого квадратного цилиндра при Re = 21400. Выполнено сравнение результатов, полученных с помощью трех вариантов κ-ε -модели - κ-ε -модели Лаундера - Шармы (LSKEY), κ-ε -модели Лэма - Бремхорста (обе - с поправкой Япа) (LBKEY) и двухслойной κ-ε -модели (TLKE), с данными экспериментов и прямого численного моделирования (DNS). Цель cравнения - определение способности модели предсказывать осредненные характеристики потока, интегральные величины на поверхности и характеристики теплообмена в различных точках следа. На основании представленного исследования сделан вывод, что модель LSKEY работает лучше других моделей при воспроизведении характеристик течения и теплообмена в следе и на поверхности. Кроме того, сравнение показало, что модели LSKEY и LBKEY требуют сравнимых затрат компьютерного времени на проточный цикл, а вычислительное время, необходимое для модели TLKE, почти в два раза превышает время, трбуемое для проведения расчетов по моделям LBKEY и LSKEY. Полученные результаты призваны привлечь внимание к модели LSKEY со стороны специалистов в области CFD. В частности, эта модель может быть использована при расчетах течений в других подходах, особенно в методах с разрешением масштабов, например, при решении уравнений Навье - Стокса с частичным осреднением (PANS), где оптимальный способ учета стенки наряду с более коротким временем счета мог бы дать значительное преимущество. По мнению авторов, эти преимущества модели LSKEY ранее в значительной степени упускались из виду, возможно, из-за предвзятого предпочтения ей модели TLKE, которая по умолчанию присутствует в популярных коммерческих CFD-пакетах.

Выполнено экспериментальное исследование процесса истечения воздуха из емкости с характерной продолжительностью от 0,6 до 9 с через дросселирующие трубки различной конфигурации. Определена эквивалентная площадь выходного отверстия в зависимости от отношения длины дросселирующей трубки к ее номинальному диаметру. Получено, что в процессе истечения температура газа внутри емкости снижается на 10 - 15 %, что значительно отличается от теоретической оценки, сделанной в предположении адиабатичности процесса (60 %). По результатам измерения давления и температуры газа в емкости предложен способ вычисления теплового потока от стенок емкости к истекающему газу.

Предложен новый подход в методе решеточных уравнений Больцмана для тепловых задач, который применяется для реализации граничных условий на границе раздела жидкость - твердое тело. На основе этого подхода создан и протестирован компьютерный код. Верификация проводилась путем сравнения с надежными численными данными из литературных источников для вариантов теплопроводных блоков с квадратным и круглым сечениями. Для обтекания блока с круглым сечением доступно также аналитическое решение и экспериментальные данные. Тестирование программы показало, что она подходит для решения задач с поверхностью раздела фаз при высоких отношениях теплопроводностей соседних фаз. В работе проведена верификация метода для случая теплопроводного блока с квадратным сечением, а также выполнено численное моделирование для задачи сопряженного конвективно-кондуктивного теплопереноса в квадратной полости, которая вмещает блок с круглым сечением. Новый подход в методе решеточных уравнений Больцмана снижает требования к компьютерной памяти, а также решает многие численные проблемы, возникающие при комбинировании метода решеточных уравнений Больцмана и классических методов моделирования.

В работе рассматривается проблема измерения температуры потока газа термопарами, у которых время достижения равновесной температуры сопоставимо со временем процесса измерения, а теплоотвод в конструктивные элементы приемника может быть большим. Представлены результаты численного моделирования течения газа в приемнике, используемом для измерения температуры торможения в высокоэнтальпийных импульсных аэродинамических трубах. Решается сопряженная задача обтекания приемника потоком воздуха и рассчитывается поле течения внутри камеры торможения с учетом потерь в подводящие провода и конструктивные элементы приемника. Полученные данные рассматриваются как результаты виртуального эксперимента и обрабатываются методами экспериментальной аэродинамики. Восстановленные показания сравниваются с исходными численными значениями температуры торможения в набегающем на приемник потоке. Определяются источники неопределенностей, возникающих при измерении, и обосновывается применимость экспериментальных методов для определения температуры торможения в аэродинамических установках кратковременного действия, в том числе с падающими со временем параметрами. Показано, что метод «двух термопар» может быть успешно применен для определения температуры торможения даже в случае тепловых потерь в элементы приемника, сопоставимых с подводом тепла из газового потока. При этом значения восстановленной температуры торможения соответствуют температуре потока в приемнике с точностью 1,2 - 3 % в зависимости от начальной температуры термопары.

Для моделирования самовозбуждающихся колебаний тела предложена гипотеза формирования периодических вихревых структур в донном следе, частота схода которых совпадает с собственной частотой колебаний тела, а их силовое воздействие на тело математически описывается гармонической функцией времени. Получены аналитические формулы для аэродинамических производных и эквивалентных аэродинамических производных. Показано, что математическая модель удовлетворительно описывает зависимости угла тангажа от времени и зависимости эквивалентных аэродинамических производных от амплитуды колебаний для двух моментов инерции тела. Математическая модель прогнозирует гиперболический закон зависимости амплитуды автоколебаний от приведенной частоты.

Исследована морфология углеродного материала, формируемого в дуговом разряде в смеси и-бутана, н-бутана и пропана при распылении графит никелевого электрода. Эксперименты проведены при изменении давления газовой среды. Обнаружены углеродные глобулы, графеновые структуры и углеродные нанотрубки. Установлено, что при давлениях 75 и 400 торр в получаемых материалах преобладают углеродные глобулы. При давлениях газа 200 торр в материале, собираемом с поверхности холодного экрана, присутствуют как графеноподобные структуры, так и значительное количество углеродных нанотрубок. Обсуждаются физические причины, влияющие на наблюдаемые явления.

Представлены результаты расчетных оценок эффективности регенеративного охлаждения модельного цилиндрического проточного тракта при использовании в качестве горючего-хладагента суспензии наночастиц теплопроводного металла в н-декане. Адаптирована стандартная математическая модель сопряженного теплообмена с учетом температурных зависимостей теплофизических свойств суспензии наночастиц металла и н-декана. Приведены данные по прогреву наносуспензии и стенок модельного проточного тракта по длине при разном содержании в суспензии металлических наночастиц. Показана область, где использование суспензии дает преимущества по теплосъему относительно н-декана.

Для измерения теплопроводности образца Novec 7100 применялся стационарный метод коаксиальных цилиндров. Эксперименты выполнялись в интервале температур 350 - 385 K и давлений 0,12 - 0,21 МПа. 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 в идеально-газовом состоянии. Выполнено тестирование ранее разработанного подхода к прогнозированию теплопроводности на основе одного измерения.

Проведено численное моделирование нестационарных процессов при лазерной сварке пластин из пористого и монолитного (непористого) металла. Исследовано влияние скорости сварки на качество получаемых соединений и морфологию шва. Рассчитанные характеристики соединений пористых и монолитных пластин из нержавеющей стали качественно согласуются с результатами проведенных физических экспериментов.

В статье рассматриваются физико-химические и тепловые процессы при конверсии метана в синтез-газ в неизотермических условиях в микроструктурных реакторах-теплообменниках на основе микроканалов. Предложен метод синтеза композитного тонкослойного катализатора на основе родия для проведения паровой конверсии метана и монооксида углерода, приведены результаты экспериментальных и численных исследований особенностей паровой конверсии в условиях управляемого теплового режима микроканального реактора. Получено определяющее влияние тепловых процессов на скорость и последовательность многостадийных гетерогенных реакций, разработаны методы управления процессом паровой конверсии для достижения высокой полноты химических превращений.

Приведены результаты экспериментального исследования растворимости (VLE-свойств) кристаллического трикозана в чистом и модифицированном сверхкритическом диоксиде углерода в диапазоне изменения температуры 308,15 - 315,15 K и давлений 8,00 - 20,32 МПа с применением динамического метода. Для модификации диоксида углерода использованы такие органические растворители, как диметилсульфоксид, этанол, ацетон, хлороформ. Установлено, что использование сорастворителей с концентрацией 5 масс % приводит к росту растворимости трикозана более чем в два раза. Результаты измерений описаны моделью уравнения состояния Пенга-Робинсона.

Методом просвечивания образцов узким пучком гамма-излучения измерены термические свойства жидких сплавов индий-свинец с содержанием 20 и 33 ат. % Pb при температурах от линии ликвидуса до 880 K. Рассчитаны скачки плотности сплавов при фазовом переходе «твердое тело - жидкость». Проведено сравнение экспериментальных значений мольного объема и объемного коэффициента теплового расширения расплавов с результатами расчета по законам для идеального раствора и данными других авторов.