Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 1999 номер 4

Статья посвящена обзору исследований, проведенных в ИТПМ СО РАН по решению задач аэродинамического проектирования крыльевых профилей и их оптимизации. Описан ряд предложенных, реализованных и апробированных авторами подходов к решению как отдельных аспектов проблемы, так и задачи в целом.

В работе представлены результаты экспериментального исследования характеристик развития -структур и механизма их преобразования в турбулентные пятна. Показано, что уединенная -структура может быть как затухающей, так и нарастающей вниз по потоку, трансформирующейся в турбулентное пятно. Структурно оба типа возмущений представляют собой два противовращающихся вихря ("ноги" возмущения), замкнутых в области переднего фронта "головкой". Их топологическое различие состоит в том, что если затухающая -структура больше напоминает шпильковый вихрь и не выходит за верхнюю границу пограничного слоя, то "головка" нарастающей -структуры выходит за верхнюю границу пограничного слоя и возмущение приобретает вид греческой буквы . Установлено, что нарастание -структуры связано с развитием вторичного высокочастотного возмущения на "ногах" структуры. Причиной этого, по-видимому, является наличие локального поперечного градиента скорости du/dz в области "ног" -структуры, создающего условия для развития на нем вторичных возмущений. Показано, что частота вторичного возмущения уменьшается вследствие непрерывного растяжения локализованного возмущения при его распространении вниз по потоку. Механизм вторичного высокочастотного разрушения -структур наблюдается и при их периодической генерации.

Работа посвящена экспериментальному исследованию законов развития трехмерных волн неустойчивости малой амплитуды в автомодельном двумерном пограничном слое при наличии неблагоприятного градиента давления. На первом этапе с помощью специально сконструированной ложной стенки переменной геометрии вдоль поверхности плоской пластины реализовано автомодельное погранслойное течение с постоянным значением параметра градиента давления (Хартри). Характеристики этого течения подробно исследованы как в потенциальном потоке, так и внутри пограничного слоя. Далее с помощью вибратора в потоке возбуждались локализованные по размаху модели и гармонические во времени волны неустойчивости (волновые поезда). Подробно исследована их эволюция вниз по потоку при различных частотах возбуждения. Полученная количественная информация о законах развития трехмерных возмущений в таком течении представляет собой экспериментальный базис для сопоставления с расчетами и с предыдущими экспериментальными результатами, полученными для безградиентного течения.

Численно исследована устойчивость течения в ламинарном пограничном слое на профиле крыла, в том числе в предотрывной области, для двух уровней турбулентности набегающего потока. Показано, что максимальные амплитуду и скорость нарастания при переходе к турбулентности в пограничном слое имеют возмущения, возникающие впервые в сечении потери устойчивости. Во всех исследованных сечениях по хорде крыла реализуются два механизма развития возмущений: вязкий и невязкий. Увеличение турбулентности внешнего потока стабилизирует течение на начальном участке пограничного слоя, смещает вниз по потоку точку потери устойчивости и область действия вязкой неустойчивости. При этом частота наиболее неустойчивых колебаний уменьшается, а длина волны возмущений возрастает. Сравнение результатов расчета с экспериментом показывает их хорошее согласование, особенно для малотурбулентного потока.

Представлены результаты экспериментального исследования распределения статического давления в радиальном проницаемом канале с глухим торцом. Варьировались в широких пределах расход вдуваемого воздуха и высота канала. Проанализировано изменение по длине скоростных характеристик и параметра ускорения. Проведено сравнение с расчетами по одномерной и двумерной моделям в канале с пористыми стенками.

Предложена новая схема расчета поля концентрации смесей жидкостей при их турбулентном течении по фильтрационному каналу. Уравнение концентрации преобразовано к новой форме с введением дополнительной переменной. Это дало возможность проведения расчета на равномерных численных сетках, причем даже для случаев, когда традиционные методы расчета приводят к неудовлетворительным результатам из-за специфики граничных условий для малого коэффициента диффузии. Модельный численный эксперимент показал возможность снижения влияния поля концентрации путем турбулизации текущей по каналу жидкой смеси и ее разделения на компоненты.

Проанализирован механизм переноса теплоты при развитом пузырьковом кипении жидкости на гладкой поверхности, при котором определяющую роль играет испарение макропленки. На основе предложенной физической модели поведения макропленки жидкости и выполненного расчета испаряющегося мениска получено приближенное выражение для прямого расчета теплообмена при развитом пузырьковом кипении. Согласно модели, теплоотвод от греющей стенки осуществляется через пленку жидкости, существующую под паровыми конгломератами вплоть до кризиса. Движение жидкости в пленке происходит под действием капиллярных сил. Путем совместного решения уравнений движения и переноса теплоты в макро-пленке получено выражение для профиля жидкости в окрестности активного центра кипения. Результаты расчетов теплоотдачи и толщины пленки хорошо согласуются с опытными данными.

Приводятся результаты расчетно-теоретических исследований развития системы плоских сверхзвуковых струй в спутном сверхзвуковом потоке. Расчеты выполнены на основе параболизованных уравнений Навье – Стокса с привлечением алгебраической (Болдуина – Ломакса) и двухпараметрической – -моделей турбулентности. Полученные данные описывают волновую картину газодинамического участка с наличием области сжатия и разрежения, взаимодействия волн возмущения с образованием скачков уплотнения. Показано возникновение диссипативных ячеистых структур в поле кинетической энергии турбулентности, порожденное волновой структурой газодинамического участка.

Рассмотрена задача взаимодействия частиц с энергоемкими вихрями в изотропной турбулентности. На основе гипотезы Коррсина определено время взаимодействия частиц с турбулентными вихрями при наличии эффектов инерционности, осредненного скоростного скольжения и межчастичных столкновений.

В рамках линейной теории устойчивости определено условие устойчивости пленочного течения жидкости с переменной вязкостью на вращающемся диске к длинноволновым возмущениям малой амплитуды, которое представляет собой сложную функцию гидродинамических и тепловых параметров, определяющих влияние теплообмена и переменной вязкости. На основе результатов, полученных при исследовании устойчивости пленочного течения жидкости с переменной вязкостью на вращающемся диске, найдено соотношение для определения длины волны наиболее быстро растущих возмущений, включающее в себя характеристики пленочного течения и позволяющее провести оценку параметров минеральных волокон, которые образуются при срыве пленки с кромки вращающегося диска.

Экспериментально исследованы в диаметральном дисковом насосе трения в широком диапазоне параметров такие важные интегральные характеристики, как объемный расход, напор и полезная мощность насоса. Обнаружена универсальность распределения : при фиксированном значении все точки ложатся на одну кривую независимо от значений других безразмерных параметров: Re, и . По результатам исследования получены эмпирические зависимости и предложена инженерная методика расчета этих параметров, необходимая для их проектирования.

Показано, что при охлаждении вытяжной трубы дождем или снегом труба работает в режиме захлебывания, а при охлаждении ветром со скоростью 10 м/с и более имеет место интенсивный брызгоунос сконденсированной жидкости парогазовым потоком. Предлагается способ, позволяющий снижать скорость парогазового потока внутри трубы в 3 – 5 раз, а также очищать парогазовые выбросы от пыли, влаги и серосодержащих до санитарных норм.

Проведены расчеты сжимаемого пограничного слоя на теле конус – цилиндр в присутствии локального источника энергии на оси симметрии перед телом. В рамках линейной теории исследуется устойчивость этого пограничного слоя при числе Маха =2. Показано влияние подвода энергии на характеристики пограничного слоя и устойчивости.

Проведены экспериментальные наблюдения взаимодействия потока в вихревой камере с незакрученной осевой струей. Закрученный поток в камере формируется путем тангенциальной подачи жидкости. Струя в поток вводится через небольшое отверстие в центре заглушенного торца камеры. Наблюдения выявили качественную структуру течения в камере. Показано, что на небольшом расстоянии от дна камеры струя распадается и за точкой распада возникает циркуляционная зона с возвратным осевым течением.

Рассмотрена конвективная составляющая теплообмена в широко применяющейся технологии плазменной резки листовых металлических материалов. На основе анализа теплопередачи через пленку стекающего расплава выделен безразмерный комплекс, определяющий интенсивность переноса тепла. Показано, что литературные данные по режимным параметрам обобщаются предложенной зависимостью.