Главная – Журналы – Прикладная механика и техническая физика 2014 номер 3

Представлены результаты экспериментального исследования ламинарно-турбулентного перехода при гиперзвуковом обтекании конусов с различными радиусами затупления под нулевым углом атаки при числе Маха набегающего потока M_∞ = 6 в диапазоне значений единичного числа Рейнольдса Re_{∞, 1} = 5,79 · 10⁶ ÷ 5,66 · 10⁷ м^-1. Изучены режимы обтекания, при которых возможно возникновение реверса ламинарно-турбулентного перехода (уменьшение длины ламинарного участка с увеличением радиуса затупления). С помощью люминесцентных покрытий получены распределения теплового потока по поверхности модели. С использованием полей теплового потока проведен анализ линий начала перехода в пограничном слое. Определено критическое число Рейнольдса Re_{∞, R} ≈ 1,3 · 10⁵, начиная с которого ламинарно-турбулентный переход существенно зависит от неконтролируемых возмущений, таких как шероховатость носка модели. При этом в закритических режимах в большинстве случаев линия начала перехода сдвигается к носку модели (реверс перехода). Проведено сравнение полученных результатов с известными результатами экспериментов.

Исследована устойчивость свободной вертикальной жидкой пленки при совместном воздействии силы тяжести и термокапиллярных сил. Для случая плоского стационарного течения с постоянной толщиной пленки найдено точное решение уравнений Навье - Стокса и теплопроводности. Показано, что, в случае если свободные поверхности пленки идеально теплоизолированы, расход жидкости через поперечное сечение слоя равен нулю. Установлено, что при учете теплообмена с окружающей средой для замыкания модели необходимо задавать расход жидкости и производную от температуры по продольной координате либо расход и толщину пленки. Исследована устойчивость решения с постоянной толщиной пленки при малых значениях волнового числа. Получено решение спектральной задачи для возмущений в виде затухающих колебаний.

Представлены результаты решения линейной задачи об установившихся колебаниях горизонтального цилиндра, погруженного в жидкость, верхняя граница которой частично закрыта твердой крышкой, при этом оставшаяся часть поверхности является свободной. Использованы методы мультиполей и разложения по собственным функциям. Выведены соотношения эквивалентности. Выполнены расчеты коэффициентов присоединенной массы и демпфирования, а также амплитуд волн на свободной поверхности жидкости.

Получены нелинейно-дисперсионные уравнения мелкой воды на сфере без использования предположения о потенциальности течения. Выведены уравнения типа уравнений Буссинеска для слабонелинейных волн над подвижным дном. Установлено, что для всех полученных нелинейно-дисперсионных уравнений на сфере имеет место баланс полной энергии.

С использованием двумерной системы уравнений несжимаемой жидкости, записанной для продольно-вертикальной плоскости, исследовано течение в естественных водотоках со свободной поверхностью. В рамках теории подобия с помощью разложения искомых переменных в степенные ряды заданной структуры задача сводится к последовательности обыкновенных дифференциальных уравнений, для которых получено аналитическое решение. Решение воспроизводит пространственную картину потока, обтекающего донную поверхность произвольной геометрии. Представлены результаты расчета поля давления вблизи подводного трубопровода, которое может использоваться при анализе устойчивости системы трубопровод - донный грунт в случае появления размывов.

Исследуются течения вязкой несжимаемой жидкости между двумя бесконечными вращающимися проницаемыми концентрическими цилиндрами вблизи точки бифуркаций, в результате которых возникают вторичное стационарное течение и автоколебания с азимутальными волнами. Методами теории бифуркаций коразмерности два гидродинамических течений, обладающих цилиндрическими симметриями, найдены стационарные, периодические и квазипериодические режимы движения жидкости с двумя, тремя и четырьмя независимыми частотами.

C использованием нелинейных уравнений мелкой воды и метода сращиваемых асимптотических разложений в плоской постановке решена задача об ударе тела типа ящика с плоским упругим днищем по тонкому слою жидкости под малым углом. Установлено, что при некоторых значениях входных параметров задачи давление жидкости вблизи ребра тела становится меньше атмосферного, происходит отрыв жидкости от днища ящика. Выполнены расчеты, демонстрирующие влияние упругости днища и отрыва жидкости на движение тела. Показано, что наличие упругого днища приводит к существенному изменению распределения гидродинамического давления и может стать причиной более высоких, чем в случае жесткого тела, нагрузок.

Рассматривается эволюция малых отклонений от сферической формы кавитационного пузырька в ходе его однократного сжатия в условиях экспериментов по акустической кавитации дейтерированного ацетона. Движение пара в пузырьке и окружающей жидкости определяется как суперпозиция сферической составляющей и ее несферического возмущения. При описании сферической составляющей учитываются нестационарная теплопроводность пара и жидкости, неравновесность испарения-конденсации на межфазной поверхности. В начале процесса сжатия пар в пузырьке считается идеальным газом с давлением, близким к однородному. При моделировании высокоскоростной стадии сжатия применяются реалистичные уравнения состояния. При описании несферической составляющей движения учитываются влияние вязкости жидкости, поверхностного натяжения, плотности пара в пузырьке и неоднородность его давления. Получены оценки амплитуды малых возмущений (в виде гармоник степени n = 2,3,… с длиной волны λ = 2πR/n, где R - радиус пузырька) сферической формы пузырька в ходе его сжатия до момента достижения в нем экстремальных значений давления, плотности и температуры. Эти результаты представляют интерес при исследовании явления пузырькового термояда, поскольку несферичность пузырька препятствует его сильному сжатию.

Экспериментально исследованы бифуркации стационарной конвекции воздуха в подогреваемой снизу кубической полости при контролируемых отклонениях от равновесных условий подогрева вследствие медленного квазистационарного наклона полости на заданный угол α. Установлено, что в надкритическом диапазоне чисел Рэлея Ra при угле наклона полости, не превышающем 7º, возможно существование двух устойчивых стационарных режимов конвекции (нормального и аномального) с циркуляцией в противоположных направлениях. Исследованы трансформации распределения температуры в срединной (по отношению к плоскостям, в которых расположены теплообменники) плоскости при переходе от аномального режима течения к нормальному путем мгновенного поворота всей массы воздуха в полости вокруг вертикальной оси на угол от 90 до 135º. Показано, что такой поворот обусловлен превышением критического значения угла наклона полости α_cr (Ra), определенного экспериментально для интервала чисел Рэлея 0 < Ra < 25 Ra_cr , где Ra_cr - критическое число Рэлея устойчивости состояния механического равновесия при подогреве снизу.

Проанализированы основные принципы метода молекулярной динамики. Рассмотрены симплектические разностные схемы для численного решения уравнений молекулярной динамики. Исследована устойчивость и даны оценки погрешностей в законе сохранения энергии, имеющих место при использовании данных схем. Путем осреднения по объему атомной системы выведены уравнения механики сплошных сред. С использованием вириального принципа и метода осреднения по объему получены выражения для тензора напряжений. Проанализированы принципы построения ЕАМ- и МЕАМ-потенциалов взаимодействия атомов в кристаллах. С использованием метода молекулярной динамики получено решение двух задач о разрушении композитов медь - молибден.

Исследована задача нахождения вектора перемещений из системы нелинейных дифференциальных уравнений, в которую входят компоненты градиента перемещений. Выражения в правой части этой системы при определенных значениях параметров имеют кинематический смысл тензоров конечных деформаций Лагранжа и Эйлера. Задача заключается в построении обобщенных формул Чезаро при конечных деформациях. Процесс построения решения включает два этапа: алгебраический и дифференциальный, причем второй имеет место для пространства с размерностью, большей либо равной двум. Предложен алгоритм обращения исходной системы и проведены аналитические построения для случая двумерного пространства. Получено решение задачи на первом (алгебраическом) этапе, т. е. выведено точное аналитическое выражение компонент вектора перемещений через известный тензор конечных деформаций и неизвестную скалярную функцию, имеющую кинематический смысл поворота. Сформулированы необходимые условия существования такой зависимости.

Рассмотрены прямая и обратная задачи об антиплоских вынужденных колебаниях поперечно-неоднородного упругого слоя. Механические характеристики слоя (плотность и модуль сдвига) считаются функциями поперечной координаты. Предложена методика решения прямой задачи, основанная на использовании интегрального преобразования Фурье и решении краевой задачи методом пристрелки. Рассмотрена обратная задача об определении законов распределения механических параметров по известной информации о волновом поле на части верхней поверхности. Построены итерационные последовательности интегральных уравнений. Приведены результаты численных экспериментов, даны рекомендации по оптимальному выбору частоты колебаний и отрезка, на котором определяются перемещения.

С использованием второго варианта теории Тимошенко в прямоугольной декартовой системе координат сформулирована задача деформирования армированных металлокомпозитных пластин с учетом их ослабленного сопротивления поперечному сдвигу в условиях установившейся ползучести. Рассмотрена аналогичная модельная задача осесимметричного изгиба армированных пластин в полярной системе координат.

Рассмотрено квазистатическое скачкообразное распространение трещины гидроразрыва в породе с регулярной структурой при отсутствии фильтрации. Предложено использовать диаграмму хрупкого разрушения, учитывающую давление жидкости гидроразрыва и горное давление. Построены кривые разрушения, которые описывают разрушение хрупкой породы, когда жидкость гидроразрыва частично заполняет трещину, и по которым предсказана возможность скачкообразного распространения трещины гидроразрыва, в случае если жидкость постепенно затекает в образовавшуюся трещину. Регулярность структуры разрушения хрупкой породы оценивается по результатам двух натурных экспериментов: критическому коэффициенту интенсивности напряжений и пределу прочности на растяжение горной породы. Проведены эксперименты по импульсному нагружению образцов, изготовленных из органического стекла, при скачкообразном распространении трещины по концентрическим дугам окружности. Показано, что результаты экспериментов согласуются с данными теории.

Предлагается экспериментальный метод оценки объемной доли углерода в стали с помощью ультразвука. Исследуется воздействие звуковых волн на образец, погруженный в резервуар с водой. Скорость продольных волн измерялась погруженным в воду частотным датчиком (5 МГц). Скорость поперечных волн измерялась контактным частотным преобразователем (4 MГц). Коэффициенты затухания ультразвуковых продольных и поперечных волн определялись по параметрам трех последовательных отраженных при прохождении образца волн. Приведены результаты исследований влияния термообработки на параметры ультразвуковых волн. Показано, что с помощью параметров ультразвуковых волн можно не только определить объемную долю углерода в стали, но и получить информацию о ее структуре и эластичности.

Исследовано влияние упругой деформации при растяжении (сжатии), кручении, нагружении внутренним давлением и их комбинировании на магнитные характеристики трубной стали марки 09Г2С. Установлено, что в случаях сжатия, кручения и воздействия внутреннего давления коэрцитивная сила, остаточная индукция и максимальная магнитная проницаемость однозначно зависят от напряжений. Показано, что под действием растягивающих напряжений напряженность прикладываемого магнитного поля, в котором магнитострикция становится отрицательной, уменьшается. Обнаружено, что при комбинировании растяжения (сжатия) с кручением действие касательных напряжений ослабляет влияние нормальных напряжений на магнитные характеристики, в случае комбинирования всех трех видов нагружения увеличение внутреннего давления приводит к росту коэрцитивной силы, уменьшению остаточной индукции и максимальной магнитной проницаемости. По результатам измерений построена зависимость интенсивности напряжений от коэрцитивной силы при различных значениях параметра Лодэ, определяющего вид напряженного состояния объекта.

Предложена связанная модель формирования покрытия на поверхности детали цилиндрической формы при осаждении из плазмы, учитывающая явления термодиффузии, диффузионной теплопроводности, переноса массы под действием градиента напряжений и образования химических соединений. Скорость роста покрытия считается заданной функцией скоростей частиц и их концентрации вблизи поверхности растущего покрытия. Задача решается численно. Показано, что в процессе роста перекрестные диффузионные потоки, диффузионная теплопроводность и термодиффузия приводят к уменьшению ширины переходной зоны между подложкой и покрытием. Это влияние становится наиболее существенным в случае, если подложка обладает низкой теплопроводностью. Учет напряжений в системе покрытие - подложка, возникающих в процессе осаждения, приводит к изменению эффективных коэффициентов переноса и оказывает значительное влияние на результат моделирования распределения химических элементов и их соединений в покрытии.