Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2011 номер 4

Представлены результаты численных и экспериментальных исследований параметров звукового удара для двух вариантов компоновок гражданских сверхзвуковых самолетов. Для численного моделирования используется комбинированный метод, основанный на расчете пространственного обтекания в ближней зоне компоновки и последующем определении параметров возмущенного течения на больших удалениях от исследуемой модели. Результаты численного моделирования сопоставляются с экспериментальными параметрами звукового удара, измеренными в ближней зоне, и результатами их пересчета (в рамках квазилинейной теории) на большие расстояния. Подобная валидация позволила определить степень адекватности невязкой модели Эйлера для решения поставленной задачи. Обсуждаются причины некоторого несоответствия расчетных и экспериментальных данных. Проведенный анализ подтверждает возможность снижения уровня звукового удара создаваемого сверхзвуковым пассажирским самолетом с нетрадиционной компоновкой, выполненной по схеме тандемного расположения двух крыльев на фюзеляже.

Изучено влияние эффектов разреженности в задаче гиперзвукового обтекания профиля с затупленной передней кромкой в режимах течения, когда радиус затупления кромки сопоставим с длиной свободного пробега в набегающем потоке. Течение у цилиндрически затупленной толстой пластины под нулевым углом атаки численно моделировалось в переходном режиме с использованием метода прямого статистического моделирования Монте−Карло, конечноразностного решения кинетического уравнения релаксационного типа (эллипсоидальной статистической модели) и решения уравнений Навье−Стокса. Показано, что при числах Кнудсена по радиусу затупления менее 0,1 уравнения
Навье−Стокса могут успешно применяться для описания вязкого течения за ударной волной при учете начальных эффектов разреженности через граничные условия скольжения и температурного скачка на поверхности пластины. При числах Кнудсена около 0,5 эффекты разреженности более заметны, в частности имеет место существенная анизотропия функции распределения, но уравнения Навье−Стокса
по-прежнему дают качественно верный результат. Исследован начальный этап развития пограничного слоя в окрестности кромки. В рассмотренном диапазоне чисел Кнудсена вблизи кромки толщина
энтропийного слоя сопоставима с толщиной пограничного слоя. По мере удаления от передней кромки наблюдается поглощение энтропийного слоя пограничным слоем. В исследованном диапазоне параметров взаимодействие пограничного и энтропийного слоев приводит к увеличению устойчивости течения.

В статье рассматривается оптический бесконтактный метод измерения полей скорости в объеме потока для гидроаэродинамического эксперимента. Суть метода состоит в измерении перемещения частиц в потоке за короткое время между вспышками лазера. В работе предложено и реализовано
несколько алгоритмических оптимизаций, позволяющих уменьшить время обработки данных. Показано, что использование пороговой фильтрации фона на зарегистрированных проекциях ⎯ изображениях частиц и быстрой оценки начального распределения интенсивности в объеме позволяет увеличить до двух-трех раз скорость работы алгоритма томографической реконструкции. В работе проведено исследование точности реконструкции и ошибки определения смещения частиц по модельным искусственным изображениям. Описанный томографический метод оценки поля скорости в объеме потока был применен для диагностики турбулентной затопленной струи, вытекающей в узкий канал. Применение разработанных подходов в эксперименте позволило получить пространственное распределение среднего поля скорости и мгновенные поля скорости в области измерения.

Проанализировано влияние модуля упругости материала покрытия на параметры деформации твердых податливых покрытий. Расчет, произведенный по двумерной модели, показал, что максимальная деформация покрытия достигается при отношении скорости течения U к параметру = (E/3ρ)^0,5, примерно равном 2,5, однако скорость движения поверхности стенки имеет первый локальный максимум при ≈ 1. Определен диапазон значений параметров покрытия, при которых обеспечивается компромисс между его твердостью и интенсивностью взаимодействия с турбулентным течением. Для резиноподобных материалов с коэффициентом Пуассона около 0,5 отношение скорости потока к параметру должно быть в диапазоне 1÷1,5. Показано, что при таких параметрах среднеквадратичная величина прогиба поверхности покрытий меньше толщины вязкого подслоя, а ее отношение к длине волны очень мало и составляет (1÷5)·10⁻⁴. Такая форма деформированной поверхности кардинально отличается от параметров волновой стенки в экспериментах Кендалла, результаты которых используются для расчета обратного влияния деформации стенки на течение. Сделано предположение, что твердые податливые покрытия не вызывают нестабильности взаимодействия с обтекающим их течением. Анализ скорости движения поверхности покрытия показал, что ее среднеквадратичное значение составляет 5÷6 % от величины динамической скорости течения при изменении модуля упругости материала покрытия в широком диапазоне (от 0,01 до 10 МПа). Это подтверждает ранее предложенный механизм снижения трения, основанный на изменении картины порождения рейнольдсовых напряжений вблизи податливой стенки. Проведенный анализ позволил объяснить сравнительно небольшое снижение сопротивления, полученное в экспериментах с твердыми податливыми покрытиями. Величина реализуемая в этих исследованиях, составляла от 0,06 до 0,3, что много меньше оптимального значения.

Исследуется естественная конвекция вязкой несжимаемой жидкости в канале, образованном двумя бесконечными вертикальными параллельными пластинами. Рассматривается полностью развитое ламинарное течение в вертикальном канале при стационарно-периодическом режиме на границах. Учитывается влияние внутреннего нагрева вследствие вязкой диссипации. В результате разделения скорости и температуры на стационарную и периодическую части возникает обыкновенное дифференциальное уравнение второго порядка, решение которого дает выражения для скорости и температуры, амплитуд и фаз температуры и скорости, а также скорости теплопереноса и трения на пластинах. При наличии вязкой диссипации жидкость с относительно малым числом Прандтля имеет более высокую температуру, чем стенки канала, и тепло переносится от жидкости к пластине.

Дан вывод критерия сопряжения для вращающегося диска. Анализируются характеристики
сопряженного теплообмена на одиночном диске и в полости, образованной вращающимся и неподвижным дисками.

В работе представлены результаты экспериментального исследования теплообмена и гидродинамики стекающих пленок бинарных смесей фреонов R21 и R114 на поверхностях сложной геометрии. В качестве рабочих участков использовались вертикальные трубы диаметром 50 мм из алюминиевого сплава Д16Т с гладкой и структурированной поверхностями. Диапазон изменения числа Рейнольдса пленки на входе в рабочий участок Re =10÷155. Визуализация и запись изображения волновой поверхности стекающей пленки жидкости проводились на высокоскоростную цифровую видеокамеру. В режиме испарения коэффициенты теплоотдачи на гладкой и структурированной поверхностях определяются расходом жидкости и слабо зависят от теплового потока. При малых расходах жидкости коэффициенты теплоотдачи на структурированной поверхности уменьшаются по сравнению с гладкой поверхностью за счет накопления жидкости и увеличения эффективной толщины в каналах микротекстуры. При больших расходах жидкости изменение структуры волновой поверхности пленки приводит к увеличению коэффициентов теплоотдачи по сравнению с гладкой поверхностью.

Исследуется вскипание метастабильной жидкости на поверхности цилиндрического нагревателя при больших значениях перегрева, когда формируется фронт испарения. Вскипание начинается с образования на стенке нагревателя сферического пузырька. В результате развития межфазной неустойчивости появляются фронты испарения, распространяющиеся вдоль нагревателя с постоянной скоростью. Разработана математическая модель, которая описывает рост сферического пузырька и паровой каверны, образующейся за фронтом испарения. Результаты численного моделирования хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными.

Проведено компьютерное моделирование спектра интенсивностей свободно излучающего объекта из тантала. Моделирование измерений происходило в узком спектральном окне, которое передвигалось по спектру с заданным шагом. Таким способом осуществлялся поиск спектральных интервалов, на которых зависимость излучательной способности (или ее логарифма) от длины волны наиболее проста и достаточно точна, в частности, линейна. В случае успешного поиска указанного спектрального интервала искомая температура определялась в спектральном окне по методу наименьших квадратов. Если излучательная способность (или ее логарифм) линейно зависит от длины волны, то возможна альтернативная оценка искомой температуры. В этом случае искомая температура определяется по смене выпуклости спектральной зависимости излучательной способности в процессе подбора ее численной величины от значений меньших, чем величина истинной температуры, до значений больших, чем величина истинной температуры. Этот способ прост, не требует решения системы уравнений
и может значительно сузить температурный интервал, к которому принадлежит искомая температура.

Исследовалось влияние концентрации пылевых частиц на параметры плазмы газового разряда с помощью самосогласованной кинетической модели, основанной на решении уравнения Больцмана для функции распределения электронов. Показано, что увеличение параметра Хавнеса приводит к увеличению среднего электрического поля и плотности ионов, к уменьшению заряда пылевых частиц и плотности электронов в облаке пылевых частиц. Самосогласованные расчеты в широкой области параметров плазмы разряда и пылевых частиц позволили получить ряд законов подобия для потенциала поверхности пылевой частицы и электрического поля в зависимости от плотности пылевых частиц, их радиуса и плотности разрядного тока. Полученные результаты показывают, что с ростом плотности пылевых частиц процесс самосогласованной подстройки пылевых частиц и параметров разряда приводит к увеличению числа высокоэнергетичных электронов, а не к обеднению функции распределения электронов.

Приведены результаты применения метода измерения распределения температуры в азотной плазменной струе, истекающей из плазмотрона постоянного тока с секционированной межэлектродной вставкой, по относительным интенсивностям молекулярных полос излучения азота 1-ой отрицательной N₂⁺(B²Σ_u⁺ − X²Σ_g⁺) и 2-ой положительной N₂(C³П_u⁺ − B³П_g⁺) систем. Для регистрации спектра излучения применен малогабаритный спектрометр среднего спектрального разрешения, позволяющий анализировать контуры колебательно-вращательных полос молекулярного спектра. Приведено сравнение полученного распределения с измерениями по линиям излучения атомов меди и среднемассовой температурой в воздушной плазменной струе.

Рассмотрены двумерная математическая модель в приближении частичного локального термодинамического равновесия плазмы и методика численного расчета характеристик нестационарной электрической дуги, включая сопряженный теплообмен потока электродуговой плазмы с обрабатываемым изделием (анодом). Результаты тестирования вычислительного алгоритма свидетельствуют в целом о корректности модели и методики расчета. Представлены результаты расчета характеристик дуги с условного момента зажигания до выхода на стационарный режим. Выявлено, что вокруг столба дуги формируется одиночный тепловой тор, который достаточно быстро рассеивается в окружающей среде.

Теплопроводность хладагента R-409A в паровой фазе исследована в интервале температур 306-425 K и давлений 0,12−1,33 МПа. Измерения проводились стационарным методом коаксиальных цилиндров. Погрешность экспериментальных данных по теплопроводности составляла 1,5−2,5 %, погрешности измерения температуры и давления не превышали 0,05 K и 4 кПа соответственно. Получена аппроксимирующая зависимость теплопроводности от давления и температуры. Рассчитана теплопроводность на линии конденсации и в идеально-газовом состоянии.

Предлагается новый оптимальный способ запуска паровихревых плазмотронов, который полностью снимает опасность конденсации водяного пара в дуговой камере и все связанные с ней нежелательные последствия.