Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 1999 номер 2

С 1950 г. после окончания Московского авиационного института я работал по распределению в Энергетическом институте им. Г. М. Кржижановского, в лаборатории термодинамики двухфазных потоков, и был непосредственным свидетелем и участником многих событий в этом центре теплообменной науки того времени. Я с удовольствием и благодарностью вспоминаю встречи и консультации с известными учеными, труды которых стали классическими и получили мировое признание, – академиками М. В. Кирпичевым, М. А. Михеевым, М. А. Стыриковичем, членами - корреспондентами АН А. С. Предводителевым, А. А. Померанцевым, М. П. Вукаловичем, профессорами К. Д. Воскресенским, З. Л. Миропольским, Ю. А. Суриновым, В. А. Баумом и многими другими. Большинство из них уже ушли из жизни, однако их достижения навечно вписаны в историю науки о теплообмене. В одной статье невозможно оценить вклад в теорию теплообмена всех отечественных ученых, поэтому я, как правило, рассматривал только те работы, которые получили признание мировой научной общественности и укрепили международный авторитет нашей науки о тепло- и массо-обмене.

Предложена математическая модель для расчета параметров стационарного течения газа внутри плоского сужающегося канала, образованного двумя симметрично расположенными клиньями. Модель описывает течение с нерегулярным (маховским) отражением падающей ударной волны. При некоторых предположениях решение задачи сводится к системе нелинейных алгебраических и интегральных уравнений. Представленная модель течения газа описывает следующие структуры течения: нерегулярное отражение ударных волн, кривизну ударных волн и контактного разрыва, волну разрежения и звуковую линию. Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными показывает, что данная модель позволяет рассчитывать высоту “ножки” Маха и длину дозвуковой области течения.

Работа посвящена изучению продольного обтекания двух одинаковых параллельно расположенных тел вращения (комбинация конуса с углом полураствора = 20° и цилиндра диаметром D) в присутствии плоской пластины при числе Маха М= 4,02. Расстояния между осями тел вращения и от последних до поверхности пластины составляют соответственно z = 1,4D и y 0,97D. Проведено сопоставление экспериментальных и расчетных результатов в интерференционной области исследуемых моделей. Показано, что при использовании численных алгоритмов, основанных на математической модели уравнений Эйлера (в том числе в случае моделирования влияния вязкости путем задания неравномерного потока во входном сечении) наибольшее расхождение между результатами эксперимента и расчета имеет место в межмодельном канале в областях отрыва при взаимодействии падающих скачков уплотнения с турбулентными пограничными слоями моделей.

В связи с разработкой метода прямого измерения скорости гиперзвукового потока оценивается точность восстановления параметров течения по скорости, числу Маха и давлению торможения за прямым скачком. Приведен пример конкретной реализации в гиперзвуковом эксперименте усовершенствованного авторами метода электроразрядного трассирования, в котором достигнута высокая точность измерения скорости, позволяющая определить потери тепла при прохождении газа по тракту газодинамической установки. Реализованный метод дает возможность по результатам одного эксперимента построить поле скоростей.

Исследована вторичная неустойчивость на группе вихрей, развивающихся в пограничном слое. Показано, что для бегущих волн существует область линейного развития и темпы роста возмущений существенно зависят от расстояния между вихрями. Предложены и обоснованы методы управления вторичной неустойчивостью этих вихрей с помощью контролируемой волны и локализованного отсоса.

Рассмотрены процессы возбуждения и развития вниз по потоку пакетов волн неустойчивости (волновых поездов), которые порождались локализованной вибрацией поверхности. Проведено разложение волновых поездов, состоящих из мод неустойчивости Толлмина – Шлихтинга, на наклонные нормальные во времени и в пространстве моды. Зависимости амплитуды и фазы нормальных мод от продольной координаты экстраполировались в положение источника возмущений для определения их начальных значений. Форма и амплитуда колебаний поверхности вибратора были измерены с высокой точностью с помощью двух различных экспериментальных методик. После двойного фурье - преобразования получен частотно - волновой спектр вибратора, в котором амплитуда и фаза вибраций определялась для мод, соответствующих волнам неустойчивости, возбуждаемым в пограничном слое вибратором. Из анализа экспериментальных данных определены комплексные коэффициенты восприимчивости пограничного слоя Блазиуса к трехмерным вибрациям поверхности как функции поперечного волнового числа и угла наклона волны к потоку для трех значений частоты возмущения.

Обсуждаются результаты экспериментального исследования взаимодействия несжимаемого двумерного турбулентного следа, генерируемого установленным под углом атаки крыловым профилем, с пограничным слоем, формирующимся на аналогичном профиле, расположенном ниже по течению. Выполнены обширные измерения осредненных параметров течения и характеристик турбулентности в области взаимодействия. Особое внимание уделяется анализу структуры течения при изменении положения нижерасположенного крыла по ширине следа. Полученные результаты сравниваются с соответствующими данными для случая изолированного обтекания. В частности, обнаружено заметное снижение уровня турбулентных пульсаций скорости в пограничном слое при расположении крылового профиля в периферийной части следа. Подобный эффект зафиксирован также в области течения за пределами пограничного слоя для случая, когда крыловой профиль находится в центральной части следа. Показано, что хотя процесс взаимодействия носит весьма сложный характер, распределение нормализованного дефекта средней скорости во внешней области взаимодействующего течения приближенно описывается в рамках известных корреляционных соотношений, справедливых для спутного потока позади поперечно обтекаемого кругового цилиндра. Приведен анализ составляющих взаимодействующего течения, т. е. изолированных турбулентного следа и пограничного слоя, и показана возможность их описания в автомодельных переменных.

Показано, что в случае совместного воздействия податливого покрытия, газовых микропузырьков и полимерных добавок на пристенную турбулентность в определенном диапазоне расходов воздуха и полимеров общая эффективность снижения турбулентного сопротивления равна алгебраической сумме малых индивидуальных эффективностей. При увеличении индивидуальных эффектов снижение сопротивления при совместном действии превышает их сумму, а далее может быть меньше такой суммы. Проведенный анализ свидетельствует о существовании взаимовлияния этих средств управления турбулентностью.

Проведено исследование локальных гидродинамических характеристик спутного опускного пузырькового течения в вертикальной трубе внутренним диаметром 42,2 мм. Для измерения трения на стенке, локального газо-содержания и пульсаций трения применялся электродиффузионный метод. Использование специального смесителя позволяло изменять диаметр газовых пузырей при одних и тех же расходах жидкости и газа. Особое внимание уделялось измерениям в непосредственной близости стенки. Установлено увеличение трения на стенке по сравнению с однофазным турбулентным течением. Проведено сравнение структур опускного газожидкостного и восходящего течений. Отмечен эффект подавления пульсаций трения на стенке в опускном пузырьковом течении.

Представлены результаты вычисления распределений средней температуры, радиального потока тепла и дисперсии температурных пульсаций в развитом турбулентном течении несжимаемой жидкости в круглой трубе, вращающейся относительно продольной оси. Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериементальными данными. Наилучшее ее совпадение отмечено оказывается наилучшим в области логарифмического слоя, что подтверждлает адекватность гипотезы равновестной турбулентности, лежащей в основе вывода явной алгебраической модели.

Для нестационарного вихревого следа за нагретым цилиндром, обтекаемым потоком воздуха, проведен сравнительный анализ взаимных спектров пульсаций скорости и температуры при возникновении дорожки Кармана в результате развития неустойчивости сдвигового течения в следе (Re = 60) и при образовании вихрей непосредственно из оторвавшегося пограничного слоя цилиндра (Re = 110).

Проведены экспериментальные исследования кризисов теплообмена в воде при ступенчатом подводе тепловой нагрузки на поверхность нагрева, обедненной центрами парообразования. Рабочим участком служила трубка из нержавеющей стали. Перегревы перед вскипанием превышают пороговые значения, когда появляются фронты испарения, но имеют значения меньше тех, при которых возникает третий кризис теплообмена в условиях естественной конвекции. Распад метастабильной пристенной жидкости происходит в виде фронтов испарения, распространяющихся вдоль теплоотдающей поверхности. При этом минимальный критический тепловой поток при нестационарном тепловыделении оказался близким к значению первого критического теплового потока.

Методом ультразвукового интерферометра исследована скорость звука в жидком и газообразном фторированном углеводороде R - 227 (CF₃ – CHF – CF₃) в интервале температур от 0 до 120°С до давления 2,6 МПа. В том же температурном интервале проведены измерения давления насыщенного пара. На основе полученных данных оценены температура кипения при атмосферном давлении и энтальпия испарения. По экспериментальным данным о скорости звука рассчитана молярная изобарная теплоемкость R - 227 в идеально - газовом состоянии.

Численно исследован процесс взаимодействия высоконапорных струй кислорода с поверхностью жидкого металла в сталеплавильном конвертере, где под силовым воздействием струй в толще металла образуется каверна, поверхность которой является гидродинамически неустойчивой. Предложены упрощенная схема химических реакций и механизмы диспергирования капель металла с поверхности раздела фаз, позволяющие правильно описывать газодинамическую картину течения в полости каверны. Моделирование двухфазного турбулентного течения в каверне рассматривается в рамках континуальной модели на основе осредненных уравнений Навье – Стокса. Для их замыкания используется – – модель турбулентности, учитывающая наличие второй фазы. Проведено исследование структуры течения в каверне. Предложены практические рекомендации по повышению эффективности процесса дожигания в каверне монооксида углерода.