Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2009 номер 1

Выполнена оценка экономии топлива на траектории разгона воздушно-космического самолета при подводе энергии в набегающий поток. Начальная и конечная скорости полета заданны. Использована модель глиссирующего полета над холодным воздухом в бесконечном изобарическом тепловом следе. Сравнение расходов топлива произведено на оптимальных траекториях. Расчеты выполнены при использовании комбинированной силовой установки, состоящей из прямоточного воздушно-реактивного двигателя и жидкостного ракетного двигателя. В первой части статьи для оценки тяги и удельного импульса ПВРД построена эксергетическая модель. Для оценки аэродинамического сопротивления летательного аппарата используется квадратичная зависимость от аэродинамической подъемной силы. Энергия на нагрев потока получается за счет эквивалентного уменьшения эксергии продуктов сгорания. Получены зависимости увеличения коэффициента дальности крейсерского полета при различных числах Маха. Во второй части статьи приводится математическая модель разгонного участка траектории полета летательного аппарата и результаты расчета по уменьшению затрат топлива на траектории разгона при заданном значении подводимой перед летательным аппаратом энергии.

Приводятся результаты экспериментальных и расчетных исследований особенностей обтекания расположенных над горизонтальной поверхностью параллельно друг другу и потоку двух идентичных цилиндрических тел вращения диаметром D = 50 мм и удлинением корпуса λ = 5 с коническими головными частями с углами раствора θ = 40° и 60° при числах Маха М_∞ = 4,03, Рейнольдса Re₁ ≈ 55⋅10⁶ м⁻¹, фиксированном удалении от поверхности Y = Δy/D = 0,96 и расстояниях между их осями Z = Δz/D = 1,06−2,4. Рассматриваются особенности пространственных турбулентных отрывных течений, реализующихся на телах и пластине, а также возможности прогнозирования действующих на тела аэродинамических сил и моментов на основе численных расчетов в рамках уравнений Эйлера.

Рассматривается влияние малых углов атаки и скольжения на изменение момента крена при сверхзвуковом обтекании тел близких телам вращения. На основе метода дифференциальной гипотезы локальности получены интегральные выражения производных коэффициента момента крена по углам атаки и скольжения. Определено понятие нормы этих производных и получены ее оценки.

Произведен расчет амплитуды и скорости деформации поверхности податливого покрытия турбулентными пульсациями давления. Комплексная податливость, определенная по двумерной модели, имеет две компоненты - вдоль покрытия и перпендикулярно ему. Получена зависимость компонент безразмерной податливости от отношения длины волны к толщине покрытия при 0,3 < λ/H < 30 и от отношения скорости течения к скорости распространения волны при 0,1 < V/C < 10.
Амплитуда деформации и скорость смещения поверхности твердых податливых покрытий, которые могут быть использованы на практике, рассчитаны в диапазоне скоростей 5÷55 м/с турбулентного потока воды и воздуха. Исследовано также влияние коэффициента потерь и коэффициента Пуассона материала покрытия.
Показано, что среднеквадратичное смещение их поверхности не превышает толщины вязкого подслоя. Однако скорость движения поверхности сопоставима с пульсациями скорости в пограничном слое около стенки. Это может являться причиной снижения трения на податливой стенке. Произведенный расчет отношения энергии, диссипирующей в стенке, к энергии, рассеянной в потоке из-за трения, составил 10⁻⁴ для воды и 10⁻⁶ на податливой стенке отбором энергии из течения для воздуха, что не подтверждает гипотезу, объясняющую снижение трения.

Приведены результаты визуальных исследований структуры потока при течении затопленной круглой струи в узком канале. Исследования выполнены при ламинарном и турбулентном режимах течения. В потоке обнаружены характерные крупномасштабные структуры и зоны с интенсивным турбулентным перемешиванием.

Численно изучается структура решений стационарной неизотермической задачи двухфазной фильтрации несмешивающихся жидкостей. Исследуется характер сходимости нестационарных решений к стационарным. Показывается, что при различных значениях параметров решение может иметь участок, где s(x) ≡ 0 или s(x) ≡ 1. Изучается влияние температуры на структуру решений уравнения для водонасыщенности.

Выполнено экспериментальное исследование формирования струй на поверхности неизотермической пленки воды, вертикально стекающей по нагревателям с разными размерами и граничными условиями. Измерены расстояния между струями в зависимости от числа Рейнольдса, плотности теплового потока и длины пробега пленки (расстояния между нижним краем сопла пленкоформирователя и местом измерения характеристик пленочного течения). Обнаружен эффект разрушения солитонообразных волн при нагреве пленки жидкости. Выделены четыре зоны влияния длины пробега пленки воды на формирование струй.

На основе численного моделирования проведено исследование оседания частиц плотной полидисперсной суспензии в тарельчатой центрифуге. Показано, что причиной немонотонного поведения зависимости скорости седиментации от размера частиц является действие различных механизмов взаимодействия частиц. Проверена пригодность формулы для измерения скорости оседания частиц плотной полидисперсной суспензии в тарельчатой центрифуге.

Экспериментально исследованы процессы растворения и гидратообразования за фронтом ударной волны умеренной амплитуды в воде с пузырьками из смеси азота и углекислого газа при различных начальных статических давлениях в среде и концентрациях поверхностно-активных веществ в воде. Показано, что их наличие в среде не оказывает существенного влияния на процессы растворения и гидратообразования за ударной волной на исследуемых временах. Предложена гипотеза о частичной гидратизации азота из смеси газов в процессе интенсивного образования гидрата углекислого газа при давлении за волной меньшем, чем равновесное давление гидратообразования азота при данной температуре.

Создана компьютерная модель начальной стадии процессов конденсации. На решетке вакансий адсорбции 70×70 разыгрываются стохастические процессы адсорбции, поверхностной диффузии, десорбции. Проведены испытания модели на примере, приближенном к сорбции водяного пара воды на условной кристаллической грани. Результаты расчетов демонстрируют процессы зародышеобразования, роста зародышей и развитой конденсации. Проведены расчеты для различных энергий адсорбции. Результаты расчетов показали, что со снижением энергии адсорбции меняется характер и скорость нуклеации и последующей конденсации. При снижении энергии адсорбции вероятность нуклеации островков на подложке снижается, заполнение следующих атомных слоев на островках происходит раньше, чем заполнение подложки, скорость роста островков в высоту увеличивается в сравнении с конденсацией сплошной пленки, а скорость роста площади островков уменьшается. Имеется характерная энергия адсорбции, при которой скорость роста островков в высоту достигает максимума. При дальнейшем понижении энергии адсорбции имеет место рост островков только в высоту, однако скорость роста снижается. Явления, обнаруженные в расчетах, иллюстрируют механизм зарождения столбчатых и нитевидных кристаллов.

Проанализированы различные экспериментальные данные задачи кипения жидкостей с различными физическими свойствами. Чтобы исключить или свести до минимума влияние свойств охлаждаемой стенки на величину критического теплового потока, рассмотрены опыты, полученные при кипении на толстостенной охлаждаемой стенке только из нержавеющей стали или нихрома. Для исключения влияния капиллярных сил характерный линейный размер теплоотдающей стенки соответствовал условию

Проведено численное моделирование конвективно-радиационного теплопереноса в замкнутой области с источником тепловыделения при наличии теплопроводных стенок конечной толщины. Получены распределения как локальных характеристик (линии тока, поля температуры), так и интегральных (средние числа Нуссельта на характерных границах), описывающие основные закономерности исследуемого процесса в реальном диапазоне изменения определяющих параметров. Установлены масштабы влияния излучения при формировании тепловых режимов. Проанализировано влияние фактора нестационарности на развитие полей как гидродинамических, так и термодинамических характеристик. Получены корреляционные соотношения для определения среднего числа Нуссельта на границах газовой полости и твердой стенки в зависимости от числа Грасгофа.

Показано, что на основании анализа поля температур внешней поверхности космического аппарата возможно определение его ориентации - направлений на основные источники тепла в пределах Солнечной системы, включая Солнце и близлежащую планету. Для аппарата простейшей конфигурации эта задача может быть решена аналитически. В реальных аппаратах должны быть установлены простые термочувствительные элементы, имеющие слабую тепловую связь с космическим аппаратом и высокую чувствительность к изменению внешних тепловых условий. Эксперимент показал, что точность определения ориентации с помощью такой системы измерения температур достигает 5 угл. мин. при скорости вращения космического аппарата до 30 угл. град./мин.

На основе гидродинамики сверхтекучей турбулентности численно исследовано влияние времени повторения мощных прямоугольных импульсов на их динамику. Рассмотрены плоский, цилиндрический и сферический случаи. Расчеты проведены при отсутствии переноса массы (второй звук), что соответствует условиям проведения экспериментов. Проводится качественное сравнение полученных численных результатов с экспериментальными данными.

Рассматривается принципиально новая установка для получения силикатных тугоплавких расплавов с использованием высококонцентрированных тепловых потоков. Разработана математическая модель, описывающая температурные поля в гарнисажном слое в процессе взаимодействия плазменного потока с частицами тугоплавкого силикатного материала. Приведены типичные численные результаты распределения температуры в различных сечениях гарнисажного слоя. Проведено сравнение численных и экспериментальных данных и получено их удовлетворительное соответствие.

Представлена математическая модель теплообмена между встречными потоками газа и пористым материалом шихты техногенных отходов в рабочем пространстве шахтной печи. В модели учтены химические превращения в отдельных компонентах шихты и радиационный теплообмен между газовой и твердой фазами. Приведены результаты расчета.