Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2017 номер 2

18 мая 1957 года было подписано историческое Постановление Правительства СССР об организации Сибирского отделения Академии наук (СО АН). Инициаторами этого решения были крупнейшие ученые ¾ академики М.А. Лаврентьев, С.А. Христианович и С.Л. Соболев. Они не только предложили создать в Сибири крупный научный центр, но и заявили о готовности переехать туда на работу вместе со своими учениками.

В результате многолетних исследований обтекания двумерных элементов неровности поверхности дозвуковым воздушным потоком сформированы физические модели их влияния на переход к турбулентности в пограничном слое. В основу моделей заложены свойства устойчивости пристенного течения в окрестности его геометрических неоднородностей. Механизмы дестабилизации пограничного слоя элементами неровности, выявленные в рамках традиционного анализа малых колебаний слоев сдвига скорости и с применением развитых в последнее время подходов к рассмотрению локальной/глобальной модальной/немодальной устойчивости течения, обсуждаются в настоящем обзоре. При его подготовке предпочтение авторов было отдано тому, чтобы в сжатом виде обозначить основные пути турбулизации течения, избегая многочисленных деталей, которые приводятся в оригинальных работах.

Изучена возможность применения вдува воздуха в несжимаемый турбулентный пограничный слой несимметричного крылового профиля через мелкоперфорированную секцию, являющуюся частью обтекаемой поверхности крыла. Вдув осуществлялся путем подачи внешнего напорного потока через проницаемую носовую часть крыла. Показано, что при размещении секции вдува на «плоской» стороне крыла можно достичь лишь незначительного выигрыша в профильном сопротивлении. Вместе с тем, полученные результаты показывают, что имеется резерв повышения аэродинамической эффективности крыла за счет более удачного выбора участка вдува в области разрежения потока.

В результате экспериментального исследования и численных расчетов было определено значение коэффициента восстановления клиновидного тонкопленочного анемометрического датчика. Несмотря на важную роль этого параметра при работе подобных датчиков в пленочной термоанемометрии, в литературе соответствующих данных до сих пор не публиковалось. Эксперименты проводились в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича (ИТПМ СО РАН) в Новосибирске. Для численного моделирования использовался программный комплекс StarCCM+, представляющий собой коммерческий симулятор второго порядка, реализующий метод конечных объемов. Число Маха в представленном анализе варьировалось в диапазоне от 2 QUOTE до 4 QUOTE , а единичное число Рейнольдса изменялось от 3,8×10⁶ QUOTE до 26,1×10⁶ QUOTE (м^-1) в зависимости от числа Маха. Во время эксперимента температура торможения поддерживалась постоянной для каждого значения числа Маха в диапазоне T₀ = 289 ± 7 K QUOTE . Численное моделирование было проведено для трех значений температуры торможения: 259 QUOTE , 289 QUOTE и 319 K QUOTE . Разница между экспериментальными и расчетными данными не превышала 0,5 %, что свидетельствует о хорошем согласовании данных. Было проанализировано влияние числа Маха, единичного числа Рейнольдса и температуры торможения на коэффициент восстановления, и были получены три аппроксимирующие функции для него. В целом, коэффициент восстановления демонстрирует небольшие изменения как функция трех изученных параметров. Полученные зависимости имеют один и тот же диапазон изменения коэффициента восстановления.

С помощью установленной ранее зависимости избыточной вязкости от плотности внутренней энергии и малопараметрического единого уравнения состояния для расчета термодинамических свойств жидкости, газа и флюида получено уравнение для расчета избыточной вязкости аргона в области «смешанного» механизма передачи импульса при сдвиговом течении. Проведено сопоставление различных вариантов аппроксимации зависимости избыточной вязкости от плотности энергии взаимодействия и установлен оптимальный вариант этой зависимости. Получено простое единое малопараметрическое уравнение для описания коэффициента вязкости аргона в широкой области параметров состояния. Показано, что предложенное малопараметрическое уравнение для расчета коэффициента вязкости жидкости и газа позволяет производить надежную экстраполяцию за пределы изученного участка.

В работе представлены результаты экспериментов и моделирования образования покрытия при холодном газодинамическом напылении за маской, располагаемой параллельно поверхности плоской преграды на различных расстояниях. Экспериментально определены картины скоростей движения частиц алюминия (средний размер ~ 30 мкм) и меди (~ 60 мкм) и измерены их скорости в окрестности маски. Обнаружено наличие распределения скоростей частиц по углу в струе с характерным стандартным отклонением 1,5-2 град. Проведено моделирование образования покрытия за маской с учетом этого распределения. Результаты моделирования согласуются с экспериментальными данными, что подтверждает важную роль распределения частиц по углу в процессе образования покрытия в маскированной области.

Работа посвящена определению основных закономерностей двухфазного смесеобразования в проточном тракте газодинамической системы воспламенения. В статье представлены математическая модель и результаты расчетно-экспериментального исследования особенностей нестационарного газодинамического течения, а также процессов дробления и испарения капель в резонансной полости газодинамической системы воспламенения. Рассмотрены различные конфигурации форсунок для подачи жидкости и установлено влияние наиболее значимых факторов на тепловыделение и концентрацию испарившейся жидкости в резонансной полости. Полученные данные могут быть использованы для выбора форсунок и режимов подачи жидкого горючего, позволяющих обеспечить стабильные условия воспламенения двухфазных топливных смесей в газодинамической системе воспламенения.

На основе уравнения Понтрягина для среднего времени первого выхода случайного процесса из заданного интервала исследуется среднее время ожидания момента воспламенения частиц в турбулентном потоке газа. Разработан метод прямого численного моделирования флуктуаций температуры газа с заданной автокорреляционной функцией и флуктуаций температуры частиц с экзотермической химической реакцией. Метод основан на численном решении системы стохастических дифференциальных уравнений. Результаты прямого численного моделирования тестируются путем сравнения с аналитическими решениями, полученными ранее для частиц без тепловыделения. Аналитические расчеты времени воспламенения и расчеты, выполненные методом прямого численного моделирования, удовлетворительно согласуются между собой.

Рассмотрен подход к определению коэффициентов тепло- и массоотдачи от дисперсных частиц путем развития гидродинамической аналогии. Получены уравнения для расчета коэффициентов тепло- и массоотдачи в сплошной фазе при ламинарном режиме обтекания твердых частиц, а также коэффициентов массоотдачи в каплях. Приведено сравнение с экспериментальными данными различных авторов.

Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено явление интенсификации конвективного теплопереноса через воздушные полости в условиях их осевого вращения и внешнего нагрева на базе возникновения центробежных массовых сил в разнонагретой воздушной среде. На основе результатов физического и численных экспериментов получены критериальные зависимости коэффициентов конвекции для осесимметричных цилиндрических и конических замкнутых воздушных полостей, подверженных внешнему нагреву и осевому вращению. При этом рассмотрены как однослойные цилиндрические полости, так и двухслойные с перфорирующими внутренними отверстиями.

В настоящей работе проводится исследование влияния тепловыделения на полностью развитое течение и теплообмен в микрополярной жидкости между двумя параллельными вертикальными пластинами. Предполагается, что твердые пластины участвуют в конвективном теплообмене с внешней средой. Основные уравнения решаются с помощью неявной конечно-разностной схемы Кранка-Николсона. Обсуждается влияние определяющих параметров, таких как время, тепловыделение, параметр микрополярности, число Прандтля, число Био и число Рейнольдса, на профили скорости и температуры. Установлено, что наличие тепловыделения повышает скорость и температуру микрополярной жидкости в середине канала.

С учетом линейной зависимости теплофизических характеристик материалов фаз композиции от температуры сформулирована нелинейная задача нестационарной теплопроводности слоистых анизотропных термочувствительных оболочек. Проведено обезразмеривание поставленной начально-краевой задачи и выделены четыре малых параметра: теплофизический, характеризующий степень термочувствительности материалов слоев, геометрический, характеризующий относительную толщину тонкостенной конструкции, и два малых числа Био на лицевых поверхностях оболочек. Проведена последовательная рекурсия безразмерных уравнений сначала по теплофизическому малому параметру, затем по малым числам Био и, наконец, по геометрическому малому параметру. Первый тип рекурсии позволил линеаризовать задачу теплопроводности, а на основе двух последних типов рекурсии построено внешнее асимптотическое разложение решения задачи нестационарной теплопроводности слоистых анизотропных неоднородных оболочек и пластин при граничных условиях II и III рода и малых числах Био на лицевых поверхностях с учетом термочувствительности материалов слоев. Проанализированы получающиеся двумерные краевые задачи и исследованы асимптотические свойства решений задачи теплопроводности. Дано физическое объяснение некоторых особенностей асимптотического разложения температуры.

При контактном плавлении с помощью электрического тока можно влиять на интенсивность роста жидкой контактной прослойки. В зависимости от направления электрический ток ускоряет или замедляет рост жидкой прослойки по сравнению с диффузионным (бестоковым) режимом. Показано, что если ток, текущий в «ускоряющем» направлении, уменьшать обратно пропорционально корню из времени, то временной закон роста жидкой прослойки будет идентичен диффузионному режиму. Предложенный псевдодиффузионный режим реализован для системы висмут-индий при 75 °С. Приведены результаты расчета подвижностей и эффективных зарядов ионов расплава.

Формирование минеральных отложений редкоземельных элементов может происходить при затвердевании ликвирующих силикатных магматических расплавов. На примере квазибинарной системы SiO₂–Sc₂O₃ численно исследованы процессы охлаждения и направленного затвердевания расплава в интрузивной камере, определены скорости перемещения фазовых фронтов и ширина области расслоения. С помощью флуктуационного подхода разработана модель зарождения и роста дисперсной фазы в процессе непрерывного охлаждения ликвирующего расплава, определены условия захвата дисперсных включений затвердевающей матричной фазой. Предложенная физико-математическая модель позволяет получить количественные оценки размеров и числа включений в единице объема затвердевшей породы в зависимости от условий затвердевания и исходного химического состава расплава.

1 апреля 2017 года исполнилось 90 лет крупному ученому-теплофизику, лауреату Государственной премии СССР, Заслуженному деятелю науки РСФСР, главному научному сотруднику Института теплофизики СО РАН, доктору технических наук, профессору Николаю Александровичу Рубцову.