Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2009 номер 3

Представлены результаты измерений полей средней скорости и полей пульсаций скорости в сверхзвуковых потоках с использованием лазерного измерительного комплекса «ПОЛИС». Эксперименты выполнены в сверхзвуковых импульсных и стационарных аэродинамических трубах при числе Маха 4,85 и 6. Прямыми измерениями скорости подтверждена обоснованность методики оценки скорости потока в рабочей части импульсной аэродинамической трубы по измерению давления торможения в форкамере установки. Определены размеры трассирующих частиц, вводимых в сверхзвуковой поток генератором тумана, получены данные о структуре пульсаций скорости в следе за кососрезным газодинамическим свистком в режиме автоколебаний.

В рамках слабонелинейной теории устойчивости рассмотрено взаимодействие возмущений в сверхзвуковом пограничном слое при числе Маха M = 2 на непроницаемой и пористой поверхностях. Проведено моделирование взаимосвязей в нескольких триплетах, составленных из двумерных и трехмерных волн, на частотах, связанных условиями фазового синхронизма. Выявлено, что на непроницаемой поверхности их взаимодействия значительно сильнее в несимметричном триплете. Установлено, что на пористой поверхности линейные инкременты вихревых возмущений значительно увеличиваются, расширяется область опасных частот и возрастает пространственная протяженность существования растущих колебаний. Нелинейные взаимодействия, как правило, значительно интенсивнее по сравнению с непроницаемой поверхностью, они осуществляются в широком частотном диапазоне, что приводит к широкополосному нарастанию субгармонических вихревых волн Толлмина−Шлихтинга. Увеличение пористости поверхности приводит к интенсификации нелинейных процессов.

Экспериментально исследовано положение перехода пограничного слоя из ламинарного состояния в турбулентное на гладкой плоской пластине при нулевом угле атаки в диапазоне чисел Маха М_∞ = 2−6. Показано, что результаты измерений конца области перехода обобщаются простой и доступной для практического использования зависимостью, не требующей дополнительных измерений, которая справедлива в диапазоне чисел Маха М_∞ = 2−10, и с погрешностью, не превышающей 20 %, может быть использована для оценки положения переходной области на плоской пластине в геометрически подобных аэродинамических трубах.

Представлены результаты численного моделирования и экспериментальных исследований высокоэнтальпийных турбулентных течений в окрестности 90-градусных обратных уступов при числах Маха M_∞ = 2−4. Эксперименты выполнены в трубе кратковременного действия ИТ-302M ИТПМ СО РАН. Расчеты проведены на основе полных осредненных по Фавру уравнений Навье−Стокса, дополненных моделью турбулентности Уилкокса. При различных числах Маха численно исследовано влияние температурного фактора на структуру течения в отрывной зоне и распределения температуры. Показано, что температура стенки существенно влияет на количество и размеры рециркуляционных вихрей, а также на распределение температуры в зоне отрыва и присоединения потока. Результаты расчетов сопоставлены с экспериментальными данными по распределению давления на поверхности модели и волновой структуре течения.

Представлены результаты численного моделирования ламинарного и турбулентного обтекания обратного уступа и выступа в канале с использованием коммерческого пакета Fluent. Результаты расчета сравниваются с экспериментальными данными.

Экспериментально и численно исследуется газодинамическая структура течения в зоне взаимодействия струй, истекающих с сильной степенью недорасширения из двух сверхзвуковых сопел, расположенных около корпуса космического аппарата. Методом электронного пучка получены продольные и поперечные распределения плотности. Проведено их сравнение с результатами расчета невязкого газа. Получены обобщенные зависимости для определения величины плотности газа в области взаимодействия двух струй и положения границы этой зоны.

В изотермическом приближении построено точное аналитическое решение задачи о вращении прямого кругового цилиндра в разреженном молекулярном газе. В режиме течения со скольжением с учетом поправки второго порядка по числу Кнудсена получено выражение для скорости разреженного молекулярного газа, увлекаемого вращающимся в нем цилиндром. В качестве основного уравнения используется обобщение БГК-модели кинетического уравнения Больцмана на случай учета вращательных степеней свободы молекул газа, а в качестве микроскопического граничного условия на поверхности цилиндра — модель диффузного отражения. Показано, что данный подход позволяет учесть зависимость скорости газа от числа Прандтля и температуры газа.

Известная задача перехода течения около кругового цилиндра при Re = 40 от симметричной формы к вихревой дорожке Кармана может быть рассмотрена как задача развития и усиления вихревых волн. В следе за цилиндром наблюдается развитие трех пучков вихревых волн малой интенсивности, которые хорошо визуализируются как структуры относительной завихренности Ω = Ω(t₁) − Ω(t₀) — разности завихренности Ω в два различных момента времени. При этом t₀ — фиксировано. В поле чередующаяся структура квадруполей характеризуется линейным параметром l = h/d отношением ширины центрального пучка вихревых волн к расстоянию между центрами квадруполей "одного знака". При достижении значения l = 0,281, которое совпадает со значением аналогичного параметра устойчивой вихревой дорожки Кармана, происходит переход от симметричного обтекания вязкой несжимаемой жидкостью к вихревой дорожке.

Рассмотрена устойчивость к малым возмущениям течения в трубе кольцевого сечения при наличии спирального магнитного поля. Исследованная конфигурация канала состоит из двух бесконечных коаксиальных цилиндров, между которыми помещена слабоэлектропроводящая вязкая несжимаемая жидкость, которая движется под действием осевого градиента давления. Азимутальное магнитное поле создается током, протекающим по центральному цилиндру, а продольное — внешним соленоидом. Использовалось магнитогидродинамическое приближение. Обнаружено, что внесение азимутального магнитного поля может приводить к дестабилизации течения по сравнению со случаем только продольного магнитного поля.

Изучается линейная задача устойчивости одного подкласса стационарных винтовых течений однородной по плотности невязкой несжимаемой идеально проводящей жидкости в магнитном поле. Прямым методом Ляпунова получены необходимое и достаточное условие теоретической (на полубесконечных интервалах времени) устойчивости, а также достаточные условия практической (на конечных временных промежутках) неустойчивости данных течений по отношению к малым винтовым же возмущениям. В случае, когда критерий теоретической устойчивости нарушен, а достаточные условия практической неустойчивости, наоборот, справедливы, построена априорная экспоненциальная оценка снизу роста рассматриваемых малых возмущений, при этом инкремент содержащейся в ней экспоненты является произвольной положительной постоянной величиной.

Получены точные решения двух задач о вращательных колебаниях твердого тела в идеальной жидкости в присутствии поля тяжести.

Исследуется взаимодействие звукового импульса с пористым слоем. При этом возможно наличие преграды, экранируемой слоем, а также зазора между пористым слоем и преградой. Предложена методика расчета в линейном приближении давлений и напряжений в пористом слое, в зазоре и на преграде. Методика позволяет интерпретировать данные по взаимодействию акустических волн с пористым слоем, полученные в эксперименте или с помощью конечно-разностных методов. Исследованы особенности прохождения акустической волны в пористый слой и последующего отражения от преграды. Проведено сравнение расчетных данных с данными эксперимента других авторов по прохождению импульса через погруженную в воду пористую пластину.

Представлены результаты измерений среднего времени ожидания вскипания н-пентана и н-гексана вплоть до границы достижимого перегрева. Опыты проведены в стеклянных капиллярах с существенно уменьшающейся величиной перегреваемого объема жидкости для предварительно заданного метастабильного состояния (p, T = const). Полученные данные не подтверждают соотношение JVτ = 1, вытекающее из условия гомогенности и стационарности случайного процесса, приводящего к вскипанию перегретой жидкости (J — частота гомогенного зародышеобразования, V — объем перегреваемой жидкости, τ — среднее время ожидания ее вскипания). Таким образом, опыты по кинетике вскипания перегретых жидкостей, связанные с измерением средних времен ожидания вскипания в стеклянных капиллярах, не могут служить доказательством правильности классической теории нуклеации для перегретых жидкостей, т. к. в них не выполняется одно из основополагающих условий теории — условие гомогенности вскипания.

Представлены результаты экспериментального исследования развития кризисных явлений в стекающей пленке криогенной жидкости при периодическом импульсном тепловыделении. Получены опытные данные по эволюции локальной температуры вдоль тепловыделяющей поверхности. Показано, что амплитуда пульсаций температуры нагревателя существенным образом зависит от плотности теплового потока и координаты вдоль течения плёнки жидкости. Представлены новые опытные данные по критическим тепловым потокам, соответствующим образованию стабильных сухих пятен и кризису осушения в зависимости от длительности импульсов тепловыделения. Показано, что параметры возникающих метастабильных регулярных структур и критические параметры осушения теплоотдающей поверхности определяются динамикой подвижных границ смачивания в процессе самоорганизации системы.

С использованием предложенной трехмерной модели проведено численное исследование конвективного тепломассопереноса в расплаве при получении поликристаллического кремния вертикальным методом Бриджмена. Течение в жидкости описывается уравнениями Навье-Стокса в приближении Буссинеска, а распределение концентрации растворенного вещества определяется из решения уравнения конвективной диффузии. Рассмотрено влияние неоднородного разогрева боковых стенок сосуда и формы фронта кристаллизации на структуру течений в расплаве и распределение растворенного в жидкости вещества.

Экспериментально и на основании расчетно-теоретических исследований показано, что двухфазная зона с переменной по координате концентрацией жидкой и твердой фаз образуется как при нагреве оксида алюминия концентрированным лазерным излучением, так и при свободном охлаждении расплава. В процессе нагрева эта зона образуется только на начальной стадии плавления. Ее ширина невелика и меньше глубины проникновения греющего лазерного излучения из-за влияния интенсивного отвода тепла излучением и теплопроводностью через кристалл. Протяженность двухфазной зоны, образующейся при кристаллизации в условиях свободного охлаждения, много больше, чем при плавлении, и она может занимать почти всю толщину расплава. Температурное плато яркостной (эффективной) температуры, регистрируемое при затвердевании пирометром с длиной волны 0,65 мкм, объясняется образованием протяженной двухфазной зоны. Однако это плато реализуется не для всех длин волн. Показана важность влияния величины коэффициента поглощения расплава на возможность появления температурного плато. В результате кристаллизации с формированием двухфазной зоны может образовываться пористая структура, состоящая из кристаллов малых размеров, приводящая к существенной диффузности отражения поверхности.

СО₂-лазеры с поперечным разрядом и конвективным охлаждением газа находят все большее применение. Одним из способов повышения эффективности данного типа лазеров является увеличение скорости прокачки газа через область разряда и использование для этого диаметральных дисковых вентиляторов-теплообменников. Однако их применение сталкивается с некоторыми трудностями, связанными с взаимодействием тлеющего разряда с газовым потоком. Проведено исследование проблемы устойчивости объемного разряда в замкнутом контуре с диаметральными дисковыми вентиляторами-теплообменниками.