Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2014 номер 5

Нестационарный конвективный теплообмен при обтекании нагретого кругового цилиндра воздухом и маслом моделируется численно на основе решения нестационарных уравнений Навье-Стокса и энергии с помощью многоблочных вычислительных технологий, реализованных в пакете VP2/3 с использованием композитных пересекающихся структурированных сеток различной топологии. Интенсификация процессов переноса тепла и импульса связывается со значительным уменьшением толщины температурного пограничного слоя. Особое внимание уделяется автоколебательному режиму течения и теплообмена, анализу осредненных и пульсационных характеристик, сравнению сред с постоянными физическими свойствами и неоднородных сред.

Представлены результаты экспериментального исследования пленочного охлаждения плоской поверхности системой парных отверстий. Для безградиентного обтекания при малых (m = 0,5) и умеренных (m = 1) значениях параметра вдува эффективность охлаждения пластины выше, чем для стандартной двухрядной системы круглых отверстий, но соответствует ей при m = 1,5. Внешняя турбулентность потока (≈ 7 %) практически не оказывает влияния на эффективность пленочного охлаждения, а ускорение внешнего потока в диапазоне изменения параметра K от 0,5·10^–6 до 3,5·10^–6 снижает ее до 25 %.

Предложена модель расчета толщины турбулентной пленки, движущейся под действием силы тяжести и касательного напряжения трения газового потока. Использована простейшая аппроксимация турбулентной вязкости, дающая кубический закон затухания в вязком подслое и логарифмическую асимптотику скорости вдали от стенки. Целью работы является построение явных формул для толщины пленки в зависимости от числа Рейнольдса и фактора трения газового потока. Сравнение расчетов по модели с имеющимися в литературе экспериментальными данными показывает, что отклонение максимально при ламинарно-волновых режимах и может достигать 10–20 %.

Экспериментально исследовано взаимодействие распространяющегося в воде вихревого кольца с твердой поверхностью, движущегося по нормали к ней, при вариации скорости движения более чем в 30 раз и чисел Рейнольдса более чем в 60 раз. Рассмотрены ламинарные и турбулентные вихревые кольца. Установлено, что отношение диаметров вихревого кольца до взаимодействия с поверхностью и в момент его отхода от нее практически не зависит от скорости и числа Рейнольдса. Отмечено, что диаметр вихревого кольца в момент его отхода от поверхности в пределах экспериментального разброса совпадает с размером следа, остающегося на поверхности после налетания на нее вихревого кольца. На основании этого предполагается, что наблюдавшаяся ранее ограниченность такого следа связана с отходом вихря от поверхности.

Рассмотрено влияние на линейную устойчивость изменений динамических и тепловых пограничных слоев сжимаемого газа при осуществлении различных способов управления режимами течения (использование градиента внешнего потока, распределенного массообмена (вдува или отсоса) и теплообмена в виде нагрева или охлаждения обтекаемой поверхности) на сверхзвуковых скоростях. При невысоких числах Маха (М = 2) в пограничных слоях развиваются вихревые возмущения, а при высоких (М = 5,35) к ним добавляются акустические. Факторы, способствующие демпфированию вихревых мод: отрицательный внешний градиент, отсос и охлаждение обтекаемой поверхности. Они сопровождаются формированием более тонких и более наполненных (с большими положительными градиентами средних скоростей в пристенной области) динамических пограничных слоев. Напротив, положительный внешний градиент, вдув и нагрев утолщают эти слои и дестабилизируют вихревые возмущения. Акустические волны реагируют на изменения средних параметров по-разному: при внешнем градиенте и массообмене — однонаправлено с вихревыми, а при теплообмене — разнонаправлено. Это связано с противоположным откликом на формирующиеся тепловые пограничные слои. В работе подробно разобраны случаи, когда реализуются аномальные зависимости, связанные с конкурентным влиянием динамических и тепловых средних параметров. Приведены кривые нейтральной устойчивости и частотные разрезы, дающие представление об инкрементах возмущений. Информационные картины позволяют понять возможные механизмы воздействия на режимы обтекания.

Анализ экспериментальных данных показывает, что характер колебательного движения летательных аппаратов не зависит однозначно от величины коэффициентов аэродинамических производных демпфирования. В настоящей работе предпринята попытка объяснить этот феномен. Разрабатывается методика, позволяющая адекватно характеризовать колебательное движение летательных аппаратов на основе анализа коэффициентов аэродинамических производных демпфирования.

Численно исследовано влияние вибрационного воздействия на цилиндрическую полость, заполненную вязким совершенным газом. Задача решена в двумерной осесимметричной постановке. Стенки полости теплоизолированные. Проведено сравнение численного решения задачи с аналитическим в линейном приближении. Описаны нелинейные эффекты и эффекты неодномерности.

Сравниваются экспериментальные и расчетные амплитудно-частотные характеристики пульсаций давления в Т-образных каналах. При численном моделировании использовался метод, основанный на решении одномерных нестационарных уравнений газовой динамики с учетом особенностей в области разветвления каналов. Показано хорошее согласование спектров пульсаций статического давления с результатами экспериментов.

Проведено экспериментальное исследование движения капель мелкодисперсной жидкости (воды) в потоке высокотемпературных (более 1000 K) газов. Установлены три режима перемещения капель в газовой среде в условиях интенсивного парообразования. Определены диапазоны изменения скоростей газов, а также скоростей и размеров капель, соответствующие выделенным режимам перемещения последних.

Численно решена сопряженная задача Стефана о нестационарном радиационно-конвективном теплообмене при турбулентном обтекании горизонтальной испаряющейся полупрозрачной пленки расплава высокотемпературной смесью газов с твердыми частицами. Движущаяся пленка подвергалась интенсивному радиационному нагреву внешним источником, излучение которого взаимодействовало с газодисперсной средой и пленкой в ограниченном спектральном диапазоне. Рассчитаны поля температуры и скорости в пограничном слое и пленке. На основе результатов численного решения проанализиовано влияние излучения на динамику температурных полей и скорость движения границы испарения.

Методами численного эксперимента решена однофазная задача Стефана для полупрозрачной серой кристаллической среды с учетом изотропного рассеяния в объеме. Показана зависимость альбедо рассеяния излучения от коэффициента отражения границ. Условия протекания фазового перехода, полученные в ходе решения задачи, в зависимости от оптических свойств границ позволяют создавать как эффективные материалы тепловой защиты, так и более совершенные методы плавления полупрозрачных материалов.

Экспериментально исследована кинетика роста жидкой прослойки в процессе контактного плавления системы олово-таллий в нестационарно-диффузионном режиме. Контактные пáры представляли собой чистое олово и образцы, состав которых менялся от чистого таллия до Sn_0,41Tl_0,59. Из полученных результатов следует независимость граничного состава жидкости от состава таллийсодержащего образца и соответствие граничного состава жидкости диаграммному ликвидусу, что предполагает необходимость образования вещества солидусного состава по другую сторону межфазной границы. Рассмотрены различные механизмы реализации квазиравновесного состояния на межфазных границах. Показана невозможность образования фазы солидусного состава путем диффузии из жидкой прослойки в кристалл в условиях конкурентного роста жидкой фазы. Предложена модель, согласно которой квазиравновесное состояние на границе жидкость/кристалл формируется путем образования и распада метастабильного (пересыщенного) жидкого раствора.

В работе приведены результаты исследований структуры, физико-механических свойств и жаростойкости интерметаллидных покрытий системы «Ni-Co-Cr-Al-Y», полученных методом плазменного порошкового напыления на стандартной установке УПУ-3Д (плазмотрон с самоустанавливающейся длиной дуги) и модернизированном оборудовании с использованием плазмотрона ПНК-50 (плазмотрон с секционированной межэлектродной вставкой) повышенной мощности. Получены покрытия с более высокими значениями плотности (ρ = 7,9 г/см³) и микротвердости (Н_μ = 770 кгс/мм²), с низкой пористостью (П = 5,7 %, П_з = 5,1 %, П₀ = 0,6 %) и высокой жаростойкостью ((M – М₀)/М₀ = 1,2). Разработанное покрытие предназначено для защиты рабочей поверхности лопаток турбин газотурбинных двигателей газотурбинных энергетических установок.

Изучены электрофизические и теплофизические характеристики низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа в аргоне в широком диапазоне параметров разряда: плотностей тока разряда — 0,1–0,8 A/см ², давлений аргона — 15–6000 Па. Разработана упрощенная модель низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа, основанная на одновременном решении уравнения баланса электронов и метастабильных атомов на оси газоразрядной трубки, уравнений баланса для температуры газа и энергии электронов. Выполнен расчет зависимости напряженности электрического поля низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа от давления аргона и тока разряда. Показано, что результаты расчетов хорошо совпадают с результатами измерений и описывают их основные особенности: падающую вольтамперную характеристику разряда и наличие локального минимума в зависимости напряженности электрического поля от давления.