Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2016 номер 2

Обсуждаются вопросы численного моделирования сверхзвуковых течений газа с учетом термохимической неравновесности на основе уравнений движения механики сплошных сред в двухтемпературном приближении. В качестве вычислительного инструмента для расчета течений с термохимической неравновесностью использовался коммерческий пакет программ ANSYS Fluent с дополнительным пользовательским модулем с открытым кодом. Проводится сравнительный анализ численных результатов, полученных с использованием различных моделей колебательно-диссоциативного взаимодействия в бинарных газовых смесях азота и кислорода. Результаты численного моделирования сравниваются с доступными экспериментальными данными.

Целью работы является численное исследование влияния четырех вихрей на динамические, скалярные и турбулентные поля струи водорода. Эти вихри, образованные вихрегенераторами в окрестности сопла, формируются с периодичностью или симметрией, в результате чего образуются соответственно четыре вихря одинаковых или противоположных направлений. Для исследования несимметричной турбулентной струи применяется модель напряжения Рейнольдса второго порядка. Результаты показывают, что присутствие вихря вблизи сечения выхода струи заметно усиливает перемешивание, что обеспечивает хорошее горение.

В работе численно моделируется сверхзвуковое течение воздуха в плоском канале с поперечным вдувом турбулентной струи водорода через щель на нижней стенке. Предложен алгоритм решения осредненных по Фавру уравнений Навье-Стокса для течения совершенного многокомпонентного газа на основе WENO-схемы. Основное внимание уделяется взаимодействию ударно-волновой структуры с пограничными слоями на нижней и верхней стенках канала в условиях внутреннего турбулентного течения, а именно, проведено детальное изучение структур потоков, исследованы отрыв и смешение в зависимости от ширины щели струи. Установлено, что помимо известных ударно-волновых структур, возникающих при взаимодействии набегающего потока с поперечной струей и при взаимодействии головного скачка уплотнения с пограничными слоями вблизи стенок, образуется дополнительная система скачков уплотнения и отрыв потока на нижней стенке на некотором расстоянии от струи вниз по потоку. Проведено сравнение с опытными данными.

В последние годы во многих областях промышленности, в том числе в авиационной отрасли, при разработке систем управления полетом широко используются пропорционально-интегрально-дифференциальные регуляторы для улучшения динамического поведения характеристик аппаратов. В настоящей работе предлагается подобный регулятор для улучшения устойчивости и эффективности системы самолета общей авиации. Проектирование параметров оптимального пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора для управления тангажом самолета важно для расширения диапазона безопасного полета. Разработана математическая модель для описания управления продольным тангажом самолета. Спроектирован регулятор на основе динамического моделирования системы самолета. Использованы различные методы настройки, а именно, метод Зиглера-Николса, модифицированный метод Зиглера-Николса, методы настройки Тиреуса-Луйбена, Астрома-Хаглунда. Различные методы настройки во временной области сравниваются с целью получения оптимальных значений параметров. Результаты показывают, что пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор для управления динамикой самолета по тангажу, настроенный по методу Зиглера-Николса, имеет лучшие показатели по сравнению с другими по устойчивости и эффективности во всех условиях. В будущем планируется дальнейшее исследование по получению оптимальных параметров данных регуляторов с использованием методов искусственного интеллекта.

Рассматривается способ образования и нагрева в форкамере импульсной трубы в качестве рабочего тела углекислого газа СО₂. Для образования и нагрева СО₂ форкамера наполняется исходной смесью газов СО, О₂, СО₂, между которыми в форкамере после инициирования происходит экзотермическая химическая реакция в соответствии с формулой СО + 0,5О₂ + х СО₂ = (1 + х )СО₂. Концентрации оксида углерода СО и кислорода находятся в стехиометрическом соотношении. Варьирование числом молей х балластного СО₂ в левой части химической формулы позволяет в широких пределах изменять температуру образующегося рабочего тела. Опытами в импульсной аэродинамической трубе ИТ-302М ИТПМ СО РАН показано, что рост давления в форкамере в изохорном процессе за счет совместного подвода тепла, выделяющегося в результате реакции СО + 0,5О₂ и электрического разряда, соответствует полноте сгорания СО, практически равной единице. Время завершения реакции при инициировании ее электрической дугой составляет не более нескольких миллисекунд.

В работе представлены результаты расчетного моделирования обтекания потоком однофазного теплоносителя квадратного и треугольного пучков стержней для определения параметров разрабатываемой интегральной модели турбулентности, которая может быть использована при моделировании активных зон ядерных реакторов и теплообменников в приближении анизотропного пористого тела.

Рассматривается динамика кавитационного пузырька, изменение полей давления и скорости окружающей жидкости в процессе его осесимметричного сжатия вблизи плоской твердой стенки. Предполагается, что в начальный момент времени жидкость покоится, а пузырек имеет форму сфероида. Жидкость считается невязкой и несжимаемой, движение ее ¾ потенциальным. Деформация поверхности пузырька и скорость жидкости на ней рассчитываются по схеме Эйлера с применением метода граничных элементов до момента соударения между собой каких-либо частей поверхности пузырька. Исследуется влияние удаленности пузырька от стенки и его начальной несферичности на поля давления и скорости жидкости, форму пузырька, давление в его полости в конце рассматриваемого промежутка времени. Показано, что максимальное давление в жидкости реализуется у основания возникающей при схлопывании кумулятивной струи, направленной к стенке. В верхней половине этой струи скорость и давление практически постоянны, при этом давление в струе примерно равно давлению в пузырьке.

Статья посвящена численному исследованию тепломассопереноса в процессе прямого испарительного охлаждения воздуха в режиме вынужденной ламинарной конвекции в канале между двумя неограниченными параллельными пластинами с чередованием по длине влажных и сухих участков. Решается система уравнений Навье-Стокса и уравнений энергии и диффузии пара в двумерном приближении. На входе в канал все термогазодинамические параметры постоянны по сечению, а стенки канала являются адиабатическими. Исследования проведены при вариации количества сухих участков ( n = 0¸16), их относительной длины ( s / l = 0÷1) и числа Рейнольдса Re = 50¸1000 при течении сухого воздуха ( j ₀ = 0) с неизменной температурой на входе ( t ₀ = 30 °C). Основное внимание уделено оптимизационному анализу характеристик испарительной ячейки. Показано, что увеличение числа чередующихся ступенек приводит к росту параметров тепловой и влажностной эффективности. С увеличением числа Re и уменьшением протяженности влажных участков параметр эффективности снижается.

Исследуется горизонтальный слой воды толщиной 0,29-0,44 мм, локально нагреваемый со стороны подложки. Величина термокапиллярной деформации, возникающей при локальном нагреве, измеряется с помощью инвертированного лазерного сканирующего конфокального микроскопа Zeiss LSM 510 Meta. Нагреватель в виде полоски шириной 0,5 мм, длиной 40 мм и высотой 0,5 мкм из оксида индия напылен на сапфировую подложку. Температура воды со стороны подложки измеряется с помощью ИК-сканера Titanium 570M. Детально исследуется влияние начальной толщины слоя и мощности нагрева на величину термокапиллярной деформации и температурное поле. Показано, что деформация увеличивается с ростом тепловой мощности и уменьшением толщины слоя. Результаты численного моделирования находятся в хорошем качественном соответствии с результатами измерений.

Методом быстрых разложений получено приближенное аналитическое решение задачи о температурном поле в прямоугольной пластине с внутренним источником, зависящим от температуры. Найдено критическое значение параметра, характеризующего тепловыделение, которое влияет на вид аналитического решения принципиально. Показано, что максимальная погрешность решения составляет 0,02 при учете первых трех членов ряда Фурье в быстром разложении. Приведены температурные поля и дан анализ влияния габаритных размеров пластины и величины тепловыделения на их формирование. Сделаны рекомендации по выбору формы пластины.

Методом просвечивания образцов узким пучком гамма-излучения измерены плотность и тепловое расширение жидких сплавов литий-свинец с содержанием Pb 83,0 и 84,3 ат. % в интервале температур от ликвидуса до 1000 К. Впервые непосредственно измерен скачок плотности при фазовом переходе твердое тело-жидкость для сплава Li_15,7Pb_84,3. Проведено сравнение данных настоящей работы с результатами работ других авторов.

В связи с нехваткой энергии во многих частях мира особую важность приобретают работы по исследованию и разработке термоэлектрических материалов. Эффективность термоэлектрического материала зависит от его добротности. Другими важными факторами при применении нового термоэлектрического материала являются его доступность, простота изготовления и стоимость. В настоящей работе представлена теоретическая модель для увеличения термоэлектрической эффективности.

В работе исследована модель нагрева лазерным излучением наночастиц металла в инертной матрице, учитывающая процессы плавления. При расчетах использованы параметры золота и пентаэритрита тетранитрата. Рассчитаны кинетические зависимости температуры на поверхности наночастицы и толщины проплавленного слоя матрицы. Определены основные управляющие безразмерные параметры модели и получено выражение для максимальной толщины проплавленного слоя. Результаты могут быть использованы при прогнозе стабильности устройств нелинейной оптики, содержащих наночастицы золота, а также для повышения эффективности гипертермической терапии рака и оптимизации оптических детонаторов.

Потери тепла излучением являются основным видом тепловых потерь в термальных системах. В настоящей работе проведено численное исследование переходной характеристики двух круговых экранов теплового излучения, вставленных между двумя параллельными круглыми поверхностями с коэффициентами излучения e ₁ и e ₂. Полагалось, что эти две основные излучающие поверхности и два радиационных экрана имели одинаковые размеры. Также предполагалось, что радиационные экраны имеют различные коэффициенты излучения на верхней ( e ₃ и e ₅) и нижней ( e ₄ и e ₆) поверхностях, которые являются разными, но линейными функциями температуры. Рассматриваемая конфигурация позволяет подробно исследовать в первую очередь переходные температурные и теплообменные характеристики системы. Приводятся некоторые новые результаты по переходным температурным и теплообменным характеристикам системы, таким как влияние местоположения экрана, коэффициент излучения экрана, температурная зависимость коэффициента излучения экрана, размеры системы, температура горячей и холодной поверхностей и коэффициенты излучения горячей и холодной поверхностей. Было замечено, что увеличение температуры первого радиационного экрана при изменении таких параметров, как излучательная способность поверхности, расстояние между радиационными экранами или температура горячей поверхности, не обязательно уменьшают температуру второго радиационного экрана.

Рассматривается возможность использования дифференциального метода теплового расчета топок для определения тепловых и аэродинамических параметров в камерах радиации трубчатых печей с трехъярусным расположением акустических горелок на боковых стенах. Метод основан на совместном численном решении двухмерных уравнений переноса излучения в S ₂-приближении метода дискретных ординат, энергии, движения, k-e модели турбулентности и одностадийной модели горения газообразного топлива. Приведены некоторые результаты расчетов.

Разработан новый подход к решению задач оптимизации непрерывных параметров теплоэнергетических установок, основанный на такой организации оптимизационного процесса, при которой решение системы уравнений, описывающих теплоэнергетическую установку, достигается только в конечной точке оптимизационного процесса. На примере оптимизации параметров угольного энергоблока на суперсверхкритические параметры пара показана эффективность предлагаемого подхода по сравнению с ранее используемым, в котором система уравнений решалась на каждой итерации оптимизационного процесса.

Обсуждается используемый в Центре импульсно-детонационного горения (ЦИДГ) способ сравнения импульсных детонационных двигателей (ИДД) и прямоточных воздушно-реактивных двигателей с горением в дозвуковом потоке (ПВРД) по их удельным импульсам. Необходимость такого обсуждения обусловлена тем, что в принятом в ЦИДГ подходе к расчету удельного импульса ИДД использован прием, который более чем вдвое завышает значения этой характеристики относительно ее действительной величины, в то время как для удельного импульса ПВРД берутся заниженные значения. В итоге величина удельного импульса ИДД заметно превышает величину удельного импульса ПВРД либо оказывается близка к нему. Эти выводы подвергнуты анализу, показывающему их ошибочность.

В работе экспериментально исследована когерентная структура пульсаций скорости закрученной струи с распадом вихревого ядра. В результате измерений ансамбля трехмерных полей мгновенной скорости методом tomographic particle image velocimetry (tomographic PIV) и анализа методом proper orthogonal decomposition (POD) обнаружена интенсивная когерентная составляющая, соответствующая структуре струи из вихревого ядра и двух вторичных спиральных вихрей. Установлено, что динамика когерентной структуры соответствует её вращению вокруг оси струи в направлении закрутки потока и может быть описана уравнением бегущей волны: Re[A( y , r )×e ^{i(mθ + ky -ωt)}] с номером спиральной моды m = +1 для положительно определенных k и ω .

С использованием бесконтактного метода лазерной доплеровской анемометрии и специальной процедуры выделения неосесимметричной моды пульсаций течения исследовано влияние эффекта горения на нестационарную вихревую структуру в форме прецессирующего вихревого ядра. Исследования показали, что горение оказывает существенное влияние на параметры такого ядра, уменьшая амплитуду (отклонение вихря от центра горелки) и увеличивая частоту прецессии. При этом акустические датчики регистрируют снижение уровня пульсаций давления, генерируемых прецессирующим вихревым ядром, почти на порядок. Вместе с тем, распределения пульсаций тангенциальной скорости и кросскорреляционный анализ показывают, что прецессия вихря остается достаточно выраженной и в условиях горения, внося заметную когерентную составляющую в распределения пульсаций скорости.

12 марта 2016 года известному российскому ученому-теплофизику доктору технических наук профессору Ивану Ивановичу Гогонину исполнилось 80 лет.