Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2003 номер 3

Представлены результаты исследования характеристик модельного гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД) с трехмерным воздухозаборником в новой аэродинамической трубе с адиабатическим сжатием АТ 303, недавно созданной в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН. Установка работает в диапазоне чисел Маха набегающего потока М = 8 – 20 и позволяет воспроизводить числа Рейнольдса Re₁ в диапазоне от 3,6 10⁶ до 10⁸ 1/м – значения, близкие к натурным. Испытания модели проведены при числе Маха М 8 как без подвода горючего в камеру сгорания, так и с подачей газообразного водорода. Измерены распределения давления и тепловых потоков вдоль основного клина сжатия воздухозаборника и всего двигательного тракта с целью исследования возможного влияния числа Рейнольдса на течение в ГПВРД в широком диапазоне Re₁ от 2,7 10⁶ до 4 10⁷ 1/м в условиях обтекания модели с естественным развитием пограничного слоя. При подаче водорода реализованы режимы с его самовоспламенением. Результаты экспериментов показали, что в течение кратковременного рабочего режима трубы (50 – 60 мс) в модельном двигателе сначала формируется режим горения при сверхзвуковой скорости на входе в камеру сгорания и с подводом тепла к потоку, в среднем сверхзвуковому, а затем развивается режим горения с подводом тепла за псевдоскачком в воздухозаборнике при критических условиях запирания потока на выходе участка камеры сгорания с постоянной площадью поперечного сечения.

В диапазоне скоростей потока от малых дозвуковых до предкритических выполнены численно-аналитические и экспериментальные исследования обтекания моделей симметричного крылового профиля с акцентом на выявление роли сжимаемости среды. Показано, что для тел хорошо обтекаемой формы, относительная толщина которых не превышает 12 %, нет оснований считать, что эффект сжимаемости, по крайней мере, до чисел Маха М = 0,15 сколько-нибудь существен. При этом, однако, обнаружены заметные различия данных в окрестности передней кромки крылового профиля, обусловленные допущением малости возмущений, которое в большинстве анализируемых методов не является справедливым. Кроме того, вследствие неодинаковой точности предсказания результатов на различных участках обтекаемой поверхности, коэффициент сжимаемости, по-видимому, не может приниматься лишь в виде функции числа Маха для всей области исследуемого течения, как это считается в ряде классических подходов.

Представлены экспериментальные данные по исследованию устойчивости трехмерного сверхзвукового пограничного слоя на скользящем крыле. Изучалось развитие искусственных волновых поездов и их взаимодействие со стационарным возмущением. Эксперименты выполнены на модели скользящего крыла с чечевицеобразным профилем, углом скольжения передней кромки 40^o под нулевым углом атаки. Определены волновые характеристики бегущих возмущений. Установлено, что эволюция контролируемых возмущений на энергонесущих частотах подобна развитию бегущих волн для случая дозвуковых скоростей. В результате исследований обнаружено принципиальное различие природы неустойчивости в градиентных плоских и пространственных сверхзвуковых пограничных слоях. Показано, что основным механизмом возникновения турбулентности в сверхзвуковом пограничном слое на скользящем крыле является вторичная неустойчивость поперечного течения.

Проведено систематическое экспериментальное исследование ламинарно-турбулентного перехода при течении воды в длинной круглой трубе при изменении температуры в диапазоне 0,8 – 50 ^oС. В экспериментах использовался стеклянный капилляр длиной 300 мм и диаметром 1,2 мм. Показано, что критическое число Рейнольдса является универсальной величиной во всем рассматриваемом диапазоне температур.

Приведены результаты экспериментальных исследований релаксационных свойств несжимаемого турбулентного пограничного слоя на плоской пластине, возмущенного присутствием на ее поверхности поперечно-обтекаемого кругового цилиндра, в условиях воздействия умеренно повышенной турбулентности внешнего потока. Анализируется эволюция профилей средней скорости, интегральных характеристик и продольной компоненты пульсаций скорости неравновесного (по Клаузеру) пограничного слоя вниз по потоку от источника возмущений. Выявлены особенности развития неравновесного сдвигового течения, связанные с протяженностью неравновесной области и темпом релаксации как средних, так и пульсационных параметров потока.

Численный анализ эволюции безымпульсного турбулентного следа в линейно стратифицированной среде выполнен с применением двух математических моделей. Результаты расчетов сопоставляются с экспериментальными данными. Удовлетворительное описание процесса анизотропного вырождения турбулентности в следе дает модель, основанная на усовершенствованных алгебраических представлениях тройных корреляций поля скорости и уравнении переноса скорости диссипации.

Предложена математическая модель для описания импульсной лазерной абляции в вакууме сублимирующего твердого материала при умеренной интенсивности лазерного излучения. Для описания поглощения лазерного излучения и нагрева твердого материала используется тепловая модель на базе нестационарного одномерного уравнения теплопроводности с объемным тепловым источником, а для моделирования разлета пара в вакуум – метод прямого моделирования Монте-Карло. Согласование тепловой и газодинамической задач осуществляется с помощью граничных условий на поверхности. Эффективность применения предложенной модели рассмотрена на примере моделирования импульсной лазерной абляции графита в наносекундном диапазоне длительности импульса.

Рассмотрены плоскоодномерная и радиально-симметричная задачи о нагреве пористой проницаемой среды, насыщенной жидкостью, с подводом тепла через непроницаемую для воды или пара границу. Построены автомодельные решения, описывающие распространение поля давления, возникающего вследствие термического расширения или вскипания жидкости. Исследована зависимость теплового удара от интенсивности нагрева и параметров пористой среды. Установлено, что основная часть подводимого через границу тепла затрачивается на нагрев пористой среды, затраты тепла на фазовые переходы незначительны.

Представлены результаты исследования тепломассообмена в тепловых установках быстротекущих процессов на основе теории локально-неравновесных процессов для сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростей потока.

Приведено решение уравнения конвективной диффузии для частиц размером при ряде допущений, связанных с закономерностями аэродинамики турбулентного течения газа в циклонной камере. Получена обобщенная зависимость для фракционного коэффициента проскока пыли в прямоточном циклоне (ПЦ) от инерционного числа Стокса с учетом и без учета диффузионных эффектов. Результаты расчетов сопоставлены с экспериментальными данными. Показано, что диффузия частиц мало влияет на процесс пылеулавливания в ПЦ.

Исследованы закономерности формирования вихревых структур при истечении продуктов горения пропановоздушной смеси из полуоткрытой трубы. Обнаружено, что вихревая структура может состоять из двух-трех кольцевых вихрей, следующих друг за другом. Установлено, что вихревая структура порождается релаксационными колебаниями столба газа в трубе, поддерживаемыми распространением пламени по богатой горючей смеси. Найдены условия образования вихревой структуры в виде зависимости безразмерной энергии, выделяемой при горении, от числа Струхаля. Предложен механизм релаксационного горения, связанный с развитием низкочастотных колебаний газа в трубе.

На основе уравнений магнитной газовой динамики проведен расчет характеристик электрической дуги, горящей в канале плазмотрона с пористой межэлектродной вставкой в условиях интенсивного вдува газа. Турбулентные характеристики течения учитывались по k–-модели с модификацией на пристенную область. Результаты расчета сопоставлены с экспериментальными данными и с расчетами в рамках ламинарной модели течения.

Разработана индукционная модель, приведены результаты численного моделирования температурных полей при высокочастотной импульсной обработке стали. Представлены результаты экспериментов по определению полей твердости в образце и их сопоставление с расчетами температурных полей.

Рассматривается методика оптимизации параметров комбинированной теплопроизводящей установки с тепловым насосом, учитывающая ее функционирование в течение расчетного периода с переменной тепловой нагрузкой. Разработана математическая модель комбинированной теплопроизводящей установки, составными частями которой являются газотурбинная установка, котел-утилизатор и теплонасосная установка парокомпрессионного типа. В широком диапазоне изменения цен на топливо определены оптимальные конструктивные решения по установке и тарифы на производимое тепло, обеспечивающие заданную внутреннюю норму возврата капиталовложений.

Рассмотрены методика и некоторые результаты схемно-параметрической оптимизации котлов ТЭС с кольцевой топкой.

30 июля 2003 г. исполнилось 70 лет известному ученому в области физической газодинамики, динамики разреженных газов и теплофизики академику РАН, профессору Алексею Кузьмичу Реброву.