Главная – Журналы – Прикладная механика и техническая физика 2018 номер 4

Разработана схема получения и регистрации высокоскоростных компактных металлических элементов, движущихся с гиперзвуковыми скоростями, при высокоинтенсивном ударном нагружении. Для этого используются легкогазовая баллистическая установка и схема теневого фотографирования. Применение облицовки полусфера - цилиндр позволило отработать кумулятивный заряд, устойчиво формирующий компактный стальной элемент, движущийся со скоростью, приближенно равной 6 км/с. Приводятся результаты численной и экспериментальной отработки такого разгонного устройства.

Разработана математическая модель процессов внутренней баллистики электротермического ускорителя макротел, позволяющая прогнозировать скорость метания тел при заданных значениях массогабаритных характеристик ударника, электродинамических параметров емкостного накопителя энергии, параметров ускорителя. Задача определения скорости метания тел решалась в гидродинамической постановке путем численного интегрирования уравнений движения, уравнения сохранения энергии и калорического уравнения состояния. Показано, что при отсутствии учета динамически изменяющегося коэффициента трения и процесса эрозии электродов результаты расчета и эксперимента значительно различаются, однако при этом модель качественно описывает физические процессы внутренней баллистики электротермического ускорителя.

Исследованы электрофизические, гидрогазодинамические и тепловые характеристики разряда, возникающего между жидкими электродами. С использованием шлирен-метода осуществлена пространственная визуализация картин течения в зоне газового разряда.

В рамках линейной теории длинных волн рассматриваются двумерные сейшевые колебания в прямоугольном бассейне постоянной глубины с открытым входом. Получено аналитическое решение для случая, когда на входе в бассейн расположена узловая линия уровня. Показано, что поперечные сейши в бассейне с открытым входом являются двумерными в отличие от аналогичных мод в полностью замкнутом бассейне, являющихся одномерными. Проведен расчет параметров сейш для модельных бассейнов, имеющих размеры и глубину, характерные для ряда севастопольских бухт. Проведено сравнение результатов расчетов с данными натурных наблюдений и показано, что они удовлетворительно согласуются.

Исследуется течение жидкости Кэссона, вызванное некоаксиальным вращением диска и вращением на бесконечности окружающей жидкости. Уравнение в частных производных приводится к безразмерной форме. С использованием преобразования Лапласа получено точное решение нелинейной краевой задачи. Вычислены сдвиговые напряжения на поверхности диска и определено установившееся распределение напряжений. Получены зависимости скоростей первичного и вторичного течений от безразмерных параметров задачи.

Предложен импульсный тепловой актуатор нового типа с протоком с большой частотой импульсов, предназначенный для управления бафтингом крыла при околозвуковых скоростях полета. Работоспособность импульсных тепловых актуаторов с протоком сохраняется до значений частоты порядка 1 кГц, что достаточно для управления большинством аэродинамических процессов при больших дозвуковых скоростях потока. Поскольку с энергетической точки зрения использование импульсного теплового актуатора в режиме тангенциального выдува струи менее эффективно, чем в режиме отсоса пограничного слоя, для реализации режима отсоса предложен импульсный тепловой актуатор эжекторного типа.

Рассматриваются задачи о движении трехосного эллипсоида в идеальной жидкости и в вязкой жидкости в приближении Стокса, а также равновесные формы вращающейся жидкой гравитирующей массы. Решения этих задач, выраженные через четыре квадратуры, зависящие от четырех параметров, значительно упрощены, поскольку выражены через единственную функцию двух аргументов. Эффективность предлагаемого подхода показана при анализе полей скорости и давления в идеальной жидкости, вычислении присоединенных масс эллипсоида, определении вязкого сопротивления, а также при исследовании равновесных форм и устойчивости вращающейся гравитирующей капиллярной жидкости. Давление на поверхности трехосного эллипсоида выражено через проекцию нормали к скорости набегающего потока. Аналитически определена форма эллипсоида, который при постоянном объеме имеет минимальное вязкое сопротивление. Получено простое уравнение в элементарных функциях для определения границы областей вековой устойчивости эллипсоидов Маклорена. В элементарных функциях представлено приближенное решение задачи о равновесии и устойчивости вращающейся капли, найдена точка бифуркации, от которой ответвляются неосесимметричные равновесные формы.

Теоретически исследованы сингулярные интегральные уравнения первого и второго рода с ядром Коши на предельно узком замкнутом контуре. Установлено, что на предельном контуре исходные уравнения вырождаются. Данная особенность интегральных уравнений с ядром Коши не позволяет корректно решать краевые задачи обтекания тонких аэродинамических профилей, поэтому для решения таких задач предложена система уравнений, составленная из интегральных уравнений первого и второго рода. Результаты исследования протестированы с помощью точного решения задачи обтекания пластины.

Исследуется течение жидкости Бингама - Папанастасиу, вызванное вращением бесконечного диска. Для того чтобы исключить разрывный характер определяющих соотношений в модели Бингама, в модель Бингама - Папанастасиу, являющуюся обобщением модели пластической среды Бингама, вводится параметр продолжения. С использованием автомодельного решения Кармана система дифференциальных уравнений в частных производных сводится к нелинейной системе обыкновенных дифференциальных уравнений, которая решается численно. Исследуется влияние числа Бингама и параметра продолжения на радиальную, тангенциальную и осевую составляющие вектора скорости, на распределение давления, радиальный и тангенциальный коэффициенты поверхностного трения.

Исследуется процесс обледенения крылового профиля при столкновении с кристаллами льда. Сформулирована физико-математическая модель движения сфероидальных кристаллов в потоке газа и их взаимодействия с обтекаемым телом, в которой учитывается ориентация несферической частицы относительно вектора скорости обтекающего газа. При этом полагается, что при столкновении с поверхностью происходит частичное разрушение частицы под действием нормальных и тангенциальных напряжений и часть ее массы остается в окрестности точки столкновения. С использованием метода приближенных конформных отображений рассчитано невязкое обтекание профиля, форма которого меняется со временем.

Проведено экспериментальное исследование процесса деформации капли органоводоугольного топлива в потоке газа. На основе полученных экспериментальных данных разработана методика, с использованием которой численно исследованы интегральные характеристики деформации капель органоводоугольного топлива диаметром 4,5 мм при скорости движения потока газа 2 м/с, температуре 298 К. Выявлены характерные изменения площади продольного и поперечного сечений капель органоводоугольного топлива при их гравитационном осаждении во времени. Показано, что теоретические и экспериментальные данные удовлетворительно согласуются.

На основе метода многих масштабов построены асимптотические разложения до величин третьего порядка малости для потенциала скорости движения жидкости конечной глубины и изгибных деформаций плавающей упругой пластины, возникающих при взаимодействии гармоник прогрессивных поверхностных волн конечной амплитуды. Получено выражение для амплитуды второй гармоники и определены критические значения волнового числа. Выполнен анализ колебаний пластины при различных значениях ее толщины и модуля упругости. Исследованы вертикальные смещения пластины при ее изгибной деформации.

Рассмотрены гидродинамические режимы работы тепломассообменных аппаратов с подвижной насадкой. Получены необходимые в инженерных расчетах зависимости, которые определяют значения критической скорости, потери импульса в рабочей зоне и динамическую толщину слоя элементов насадки.

Численно исследуется теплоперенос в узком оребренном охлаждающем канале с прямоугольным поперечным сечением, расположенном вблизи задней кромки лопасти газовой турбины. Для увеличения теплоотдачи на дне узкого охлаждающего канала устанавливаются продольные ребра, пересекающиеся с поперечными ребрами. При значениях числа Рейнольдса $\Re=10\,000\div 30\,000$ исследуется влияние количества продольных ребер на теплоотдачу. Показано, что при установке продольных ребер интенсивность теплоотдачи увеличивается вследствие увеличения числа областей с вторичным течением. Установлено, что с увеличением количества продольных ребер распределение интенсивности теплопереноса становится более равномерным, давление уменьшается значительнее, теплоотдача увеличивается во всем исследованном диапазоне чисел Рейнольдса, достигая наибольшего значения при установке двух продольных ребер.

Выполнено численное моделирование течения в эжекторе с использованием пакета программ CFD. Определены оптимальные значения геометрических параметров эжектора, обеспечивающие максимальный коэффициент эжекции и минимальный уровень шума.

Исследуются большие деформации упругопластических цилиндрических стержней и оболочек различной толщины при растяжении. Оценивается влияние геометрии образцов и зависимости напряжений от деформаций при одноосном растяжении на краевые эффекты и процесс формообразования шейки. Анализируется применимость критерия Консидера для определения момента потери устойчивости пластического деформирования при растяжении. В результате вычислительных экспериментов подтверждено, что в качестве параметра подобия процессов неравномерного деформирования образцов при растяжении можно использовать отношение тангенса угла наклона истинной диаграммы деформирования к интенсивности напряжений.

Представлены результаты экспериментального исследования деформирования и разрушения плоских образцов из стеклотекстолита и текстолита, в которых имеются поверхностные и внутренние алюминиевые слои. Показано, что при наличии таких слоев прочность стеклотекстолита при статическом и малоцикловом нагружении уменьшается. Это обусловлено тем, что при растяжении гибридного композита вдоль слоев образуются локализованные области растяжения стеклотекстолита поперек слоев. В результате происходит расслоение как гибридного композита, так и его стеклотекстолитовой составляющей.

Представлены результаты экспериментов по вдавливанию стальных шаров различного диаметра в стеклянные образцы в форме прямоугольного параллелепипеда. Экспериментально определялись предельная нагрузка при образовании кольцеобразной трещины в окрестности области контакта и радиус этой трещины. Для определения поля контактных напряжений в зоне разрушения использовалось решение Губера задачи Герца о вдавливании шара в упругое полупространство. Для моделирования разрушения при контактном взаимодействии применялись локальный критерий максимальных напряжений и нелокальные критерии разрушения: критерий средних напряжений, критерий Нуизмера и градиентный критерий. Для вычисления параметра, имеющего размерность длины и входящего в нелокальные критерии разрушения, на балках без надреза и с надрезом экспериментально определены предельное растягивающее напряжение и критический коэффициент интенсивности напряжений стекла. Показано, что среди рассмотренных критериев наиболее близкие к экспериментальным данным значения радиуса кольцеобразной трещины позволяет получить градиентный критерий. Значения предельного растягивающего напряжения, полученные с использованием этого критерия, превышают значения, полученные при изгибе балок, что обусловлено масштабным фактором.

С учетом влияния напряжений на фазовый переход и фазового перехода на температурный режим в рамках различных постановок решены задачи устойчивости стержня из сплава с памятью формы при прямом мартенситном фазовом превращении, происходящем под действием постоянной сжимающей нагрузки. Проведено сравнение результатов полученных решений.

Исследуется динамика импульсного сигнала, распространяющегося в подземном трубопроводе с поврежденным участком. Рассматриваются волны давления, распространяющиеся по линейному трубопроводу, заполненному флюидом. Вследствие наличия вязкого трения и теплопроводности диссипация учитывается в тонком слое жидкости или газа вблизи стенки. Принято, что участок трубопровода с повреждением является отражающей поверхностью. Условия на этой поверхности получены в предположении, что интенсивность утечки жидкости при прохождении волны через поврежденный участок определяется проницаемостью грунта. Показано, что в слабопроницаемых грунтах сигнал не позволяет получить полную информацию о повреждениях, а в хорошо проницаемых грунтах для выявления повреждений можно использовать только короткие (высокочастотные) импульсные сигналы.

Рассматривается задача о прохождении стационарной звуковой волны сквозь тонкую пластину бесконечных размеров, подкрепленную с двух сторон системой перекрестных абсолютно жестких ребер и находящуюся между двумя абсолютно жесткими преградами. Предполагается, что соединение пластины с ребрами, равномерно распределенными вдоль осей прямоугольной декартовой системы координат, осуществляется через маложесткие прослойки (основания) без проскальзывания. Динамическое деформирование пластины описывается линеаризованными уравнениями классической теории пластин Кирхгофа - Лява, прослоек - двумерными и одномерными соотношениями, основанными на аппроксимациях перемещений точек покрытия и прослоек по толщине линейными функциями и учитывающими лишь деформации поперечного обжатия и поперечных сдвигов, а движение акустических сред - известными волновыми уравнениями. Решение задачи получено с использованием метода Ритца. На основе построенного решения проведено исследование влияния физико-механических и геометрических параметров рассматриваемой механической системы и частоты падающей на пластину звуковой волны на параметры звукоизоляции и напряженно-деформированного состояния пластины.

С использованием вариационного принципа в геометрически нелинейной постановке решена задача о параметрических колебаниях продольно подкрепленной ортотропной цилиндрической оболочки, контактирующей с упругой средой и находящейся под действием внутреннего давления. Влияние внешней среды учтено с помощью модели Пастернака. Построены амплитудно-частотные зависимости для параметрических колебаний ортотропной цилиндрической подкрепленной оболочки, заполненной средой.

Рассматривается обратная задача идентификации краевых условий для задачи, описывающей колебания струны, происходящие в упругой внешней среде, коэффициент упругости которой описывается несимметрическим потенциалом. Показано, что в отличие от случая симметрического потенциала краевые условия могут быть идентифицированы однозначно, однако при этом, вообще говоря, необходимо использовать не две, а три собственные частоты колебаний. Рассмотрены случаи, когда возможна однозначная идентификация по двум собственным частотам. Предложены методы определения граничных условий по двум и трем собственным частотам. Проанализирована погрешность методов.

Экспериментально исследовано влияние скорости деформирования листовых высокопрочных сталей марок DP780, DP980, ВН240 на увеличение их пластичности при одноосном и двухосном растяжении. Скорости деформирования сталей изменялись в диапазоне от 10^-4 до 17х10³ c^-1.

С использованием методов фрактального анализа построена модель, описывающая влияние структуры нанонаполнителя (углеродных нанотрубок) на структуру нанокомпозита в целом и его механические свойства. Показано, что при увеличении фрактальной размерности углеродных нанотрубок, представляющих собой кольцеобразные формирования в полимерной матрице, или при их компактизации модуль упругости нанокомпозитов увеличивается. Установлено, что существенное влияние на указанные свойства нанокомпозитов оказывает пространственная структура углеродных нанотрубок.