Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2023 номер 6

В статье приводятся результаты численных расчетов высокоскоростных турбулентных течений воздуха в плоском канале переменного сечения с резким расширением с учетом сопряженного теплообмена с медными пластинами, моделирующими чувствительные элементы датчиков тепловых потоков. Расчеты выполнены для условий высокоэнтальпийной аэродинамической установки импульсного типа, особенностями которой являются короткая длительность рабочего режима и нестационарные «падающие» условия на входе в модельный канал. При различных числах Маха на входе в модельный канал проанализирована волновая структура сверхзвукового течения, которая оказывает влияние на тепловые потоки на стенках. Выполнена валидация расчетного алгоритма на экспериментальных данных о прогреве чувствительных элементов датчиков тепловых потоков для нестационарных входных условий на входе в канал. Численно исследовано влияние числа Маха, статических параметров и параметров торможения на скорость прогрева чувствительных элементов, расположенных в различных частях канала. Проведено сравнение тепловых потоков, полученных в расчетах при постоянных и «падающих» условиях на входе в канал. Показано, что для повышения точности моделирования тепловых потоков необходимо учитывать интенсивность пульсаций параметров потока и их изменение по длине канала.

Тепловыделяющие сборки с плотной упаковкой перспективны с точки зрения повышения коэффициента конверсии и теплоотдачи в малых модульных реакторах. Основной особенностью течения в плотных упаковках является формирование квазипериодических крупномасштабных пульсаций скорости в зазоре между ТВЭЛами, которые приводят к усилению перемешивания между подканалами и сильно увеличивают теплообмен между твэлами и теплоносителем. Появление крупномасштабных пульсаций напрямую связано с отношением шага к диаметру (P/D) пучка стержней и числом Рейнольдса (Re). В настоящей работе при помощи метода PIV с высоким временным разрешением экспериментально исследуется нестационарная структура течения в зазоре между плоской стенкой и тремя стержнями с относительным шагом P/D = 1,077. Представлены осредненные, в том числе трехмерные, характеристики течения. Исследовано влияние числа Re на колебания потока в зазоре. При помощи метода POD проведен анализ пространственных наиболее энергетических мод течения. Полученные результаты указывают на наличие нескольких бегущих волн, распространяющихся по потоку. Обнаружена модуляция колебаний потока в зазоре. Результаты исследования хорошо согласуются с результатами других авторов.

Турбулентные течения в плоском диффузоре характеризуются наличием в профилях пульсаций продольной скорости двух локальных максимумов. В работе выполнено экспериментальное исследование механизма формирования турбулентной структуры потока в плоском диффузоре. С этой целью проведены измерения параметров кинематической структуры течения в диффузоре с углом раскрытия 2,5°. С применением оптического метода измерений получены профили скоростей и турбулентных характеристик потока в характерных сечениях канала, на основе которых выявлены вторичные течения в диффузоре. Предложена физическая модель формирования турбулентной структуры потока. В рамках нее наличие высокой степени турбулентных пульсаций вдали от стенки увязывается с конвекцией турбулентности из пристеночной области в ядро потока вторичным течением в виде усредненного спирального движения среды в плоском диффузоре.

В работе представлены результаты численного исследования газодинамики течения и интегральных параметров потока на входе в канал, расположенный за коническим или плоским скачком уплотнения. Рассмотрен диапазон чисел Маха набегающего потока М = 2 - 4 и углов наклона поверхности сжатия клина и конуса δ= 10-90°. Получены данные по структуре течения на входе в канал, среднемассовым значениям числа Маха, коэффициенту потерь полного давления и расхода. Проведен сравнительный анализ этих параметров, и отмечены преимущества или недостатки расположения входного сечения канала в разных типах потоков.

В работе представлен метод молекулярного моделирования коэффициентов переноса жидкостей, являющийся альтернативой методу молекулярной динамики. Коэффициенты переноса определяются с помощью флуктуационно-диссипационных теорем. Динамика молекул рассчитывается стохастически, причем межмолекулярные силы задаются с помощью созданной базы данных межмолекулярных сил. Построена функция распределения межмолекулярных сил и получена формула для ее аналитической аппроксимации. Эффективность метода продемонстрирована на примере расчета коэффициентов вязкости и теплопроводности жидких аргона и бензола. Полученные данные сопоставлены с данными экспериментов и молекулярно-динамического моделирования, установлено их хорошее согласование. Показано, что при сопоставимой точности моделирования развиваемый метод оказывается существенно более экономичным по времени по сравнению с методом молекулярной динамики.

Выполнено экспериментальное исследование сверхзвуковых газожидкостных струй коаксиальной форсунки при высокой концентрации жидкости. Использовался комплекс оптической диагностики газокапельных потоков: методы визуализации и PIV (particle image velocimetry), лазерный доплеровский анемометр и прибор Malvern Spraytec для изучения дисперсного состава спрея. Исследования показали, что профили скорости и концентрации капель с ростом расхода меняются: за головным скачком появляется протяженная зона с малыми скоростями капель, концентрация при этом уменьшается значительно медленнее, чем при низких расходах. Малый рост энергии струи при расходах жидкости свыше 100 л/ч и заметное увеличение размеров капель свидетельствуют об исчерпании возможностей струи газа по разрушению жидкости на указанных режимах.

Методом прямого статистического моделирования Монте-Карло исследуется истечение разреженного газа в вакуум через короткие линейно расширяющийся и сужающийся каналы. Задача решается в полной геометрической постановке, а именно: с включением в рассмотрение достаточно больших областей на входе и выходе модельного канала. В широком диапазоне разреженности газа выполнен расчет массового расхода через канал и поля течения газа как внутри канала, так и в областях вверх и вниз по течению. Результаты расчета сравниваются с соответствующими данными для канала постоянного поперечного сечения. Установлено сильное влияние геометрии канала и разреженности газа на массовый расход и на поле течения.

Проведено экспериментальное исследование динамики парового пузырька, всплывающего в кольцевом канале при субатмосферном давлении. Образование парового пузыря происходит после вскипания перегретой дегазированной жидкости в кольцевом канале, состоящем из двух стеклянных трубок диаметрами 25 и 16 мм. Исследование показало, что динамика паровой полости при всплытии парового пузырька в кольцевом канале имеет качественное отличие от динамики указанного газового пузырька и при этом демонстрирует много общего с динамикой парового пузырька Тейлора, всплывающего в круглой трубке малого диаметра. Одной из особенностей поведения паровой полости в кольцевом канале является то, что в пульсационном режиме на стадии схлопывания паровая полость может распадаться на несколько частей.

Представлены результаты экспериментального исследования процесса всплытия кластера монодисперсных газовых пузырьков в вязкой жидкости в присутствии и в отсутствие поверхностно-активного вещества в области чисел Рейнольдса Re = 0,01 ÷ 1. Проанализировано влияние типа поверхностно-активного вещества на динамику всплытия пузырькового кластера. Определена качественная картина всплытия монодисперсного кластера пузырьков в зависимости от начальной объемной концентрации в диапазоне С_V = 0,001 ÷ 0,04. Получены новые экспериментальные данные по скорости и коэффициенту сопротивления компактного кластера монодисперсных пузырьков, всплывающего в присутствии и в отсутствие поверхностно-активного вещества в жидкости, для контактного и бесконтактного типов всплытия пузырьков.

Проведено исследование отражения гидравлических прыжков на мелкой воде. Получены теоретические критерии перехода между регулярным и маховским отражениями, показано существование области углов падения, в которой возможны оба типа отражения. При численном моделировании наблюдался согласующийся с теоретическими предсказаниями гистерезис перехода. Показано, что гистерезис может быть получен при плавном изменении как угла клина, генерирующего гидравлический прыжок, так и числа Фруда набегающего потока.

В работе исследуется переход от кинетического к диффузионному горению с применением оптических методов диагностики. Получены экспериментальные данные о полях температуры, составе и скорости движения газа вблизи передней кромки пламени водорода, истекающего из щели 2×20 мм в воздух. Методом балансов в уравнениях переноса энергии, импульса и вещества получено распределение скорости образования продуктов сгорания, интенсивности тепловыделения и давления. Показано, что при переходе к диффузионному горению тепловыделение по длине пламени снижается медленней, чем скорость образования воды.

В приближении Дана - Линя - Алексеева и при постоянных числах Прандтля и Шмидта сформулирована задача гидродинамической устойчивости пограничного слоя с диффузионным горением, которая сводится к решению системы обыкновенных дифференциальных уравнений десятого порядка с однородными граничными условиями. При числах Льюиса, равных единице, она может быть понижена до восьмого порядка. В невязком приближении задача устойчивости сводится к интегрированию одного дифференциального уравнения второго порядка. На основе полученных уравнений устойчивости и расчетов стационарных параметров течения прямым численным моделированием впервые исследована устойчивость сверхзвукового пограничного слоя с диффузионным горением на проницаемой пластине с подачей водорода через ее поры. При числе Маха M = 2 с помощью расчетов установлена возможность стабилизации течения пламенем. Показано, что в рамках невязкой теории устойчивости могут быть получены достаточно надежные данные о максимальных степенях роста возмущений.

В представленной работе исследуется качество распыливания воды системой с пневматическим впрыском, предназначенной для подачи воды во впускную систему поршневого двигателя внутреннего сгорания. Система состоит из двухцилиндрового поршневого компрессора, в рабочих полостях которого происходит сжатие несущей фазы водовоздушной смеси. Поршневой компрессор соединен с распылителем через длинные каналы. Определение размеров капель основывалось на автоматической обработке изображений, полученных методом Shadow Photography. Для определения поля скорости использовался метод 2D-PIV . Результаты экспериментов показали, что предложенная система впрыска позволяет получить высокое качество распыливания при соотношении массовых расходов воздуха и воды, составляющем не менее 0,46. Значение среднего заутеровского диаметра при этом составило не более 31,1 мкм.

В представленной работе рассматривается СВЧ-обработка снежно-ледяной массы, этапами которой являются нагрев и плавление. Построена нелинейная математическая модель двухфазной задачи Стефана для слоистой системы диэлектриков, найдены приближенные аналитические решения, которые позволяют учесть влияние теплофизических и электрофизических свойств слоев, провести параметрический анализ.

В работе проведен анализ картин течения при обтекании модели здания кубической формы. Сопоставлены расчетные и экспериментальные данные для задач различного масштаба. Геометрические размеры моделей варьируются от 0,025 до 6 м, при этом диапазон чисел Рейнольдса в анализируемых данных составляет от 10⁴ до 10⁶. Показана масштабируемость задачи, что дает основание для проведения лабораторных трубных экспериментов.

В работе методом ультразвукового интерферометра в интервале температур от 293 до 393 K при давлениях от 0,13 до 1,5 - 2,8 МПа измерена скорость звука U в газовых смесях гелий-ксенон с содержанием гелия 60,34, 71,72 и 85,32 ат. %. Погрешности измерения температуры, давления и скорости звука составили соответственно ±20 мK, ±4 кПа и ±(0,15 - 0,30) %. С помощью аппроксимации экспериментальных данных для каждого состава получены уравнения, описывающие изменение скорости звука от давления и температуры во всем интервале измерений. Выполнен анализ существующих справочных и экспериментальных данных по скорости звука в инертных газах и He-Xe-смесях. Предложен метод расчета U смесей с содержанием гелия выше 71,7 ат. % He до температуры 1500 K и давления до 7 МПа.

Проведено численное моделирование процессов переноса тепла и влаги, а также фазового перехода лед - вода в сезонно-талом слое почвы. Проанализировано влияние последствий природного пожара на температуру почвы и глубину протаивания в зависимости от влагоудерживающих свойств почвы в условиях криолитозоны Сибири. Результаты расчетов демонстрируют существенное увеличение глубины протаивания в результате выгорания верхнего органического горизонта. Количественные показатели воздействия природных пожаров существенно зависят от влагоудерживающих свойств верхних органических горизонтов почвы.

На массивном изопериболическом калориметре смешения измерен инкремент энтальпии и определена теплоемкость сплавов Na₁₅Pb₄ и Na₅₀Pb₅₀ в интервале температур 430 - 1075 K, включающем твердое и жидкое состояния. Установлено, что значения теплоемкости расплавов существенно превышают расчеты этой величины по законам для идеального раствора и это отличие уменьшается с ростом температуры. Полученные результаты подтверждают существующие представления об образовании в расплавах систем щелочных металлов со свинцом различных комплексов с частично ионным характером межатомного взаимодействия.