Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2021 номер 6

С использованием томографического PIV-метода выполнено экспериментальное исследование трехмер-ной структуры течения в ближнем поле следа за цилиндром, расположенном в щелевом канале. Впервые на основании прямых измерений объемных трехкомпонентных распределений скорости представлена осредненная структура течения в следе за цилиндром для отношения высоты цилиндра к диаметру 0,4 и числа Рейнольдса Re _D = 3500. Показано, что подковообразные вихри, образующиеся перед цилиндром, существенно влияют на структуру течения. Обнаружено, что в ближнем следе формируется два квадрупольных распределения средней продольной завихренности.

Многочисленные исследования показывают, что установка перегородки в канале способствует улучшению теплообмена в потоках за обратным уступом. Очевидно, вследствие этого увеличивается перепад давления в канале. В представленной работе основное внимание уделяется поиску оптимального места для установки и лучшей ориентации перегородки с целью максимизации ее тепловых характеристик. Рассматривается установившееся ламинарное течение несжимаемой жидкости в канале с расширением ER = 2 при частично нагреваемой постоянным тепловым потоком нижней стенке канала. В ходе численного моделирования уравнения Навье-Стокса решались методом конечных элементов. Для решения данной проблемы определено два новых подхода, связанных с ограничением максимальной температуры и параметром оценки эффективности. Также проведено исследование независимости полученных результатов от расчетной сетки. Результаты численного моделирования показали хорошее согласование с опубликованными ранее данными. В ходе исследования определяется небольшая зона рядом с уступом для установки перегородки, которая дает более высокие значения параметра оценки эффективности и ограниченного параметра оценки эффективности. Показано, что в указанных обстоятельствах случай ( X _b, Y _b, a ) = (0,3, 0,9, -15°) обеспечивает лучшую теплопередачу (75 %), а случай ( X _b, Y _b, a ) = = (0,3, 0,9, 30°) является наиболее оптимальным с точки зрения тепловых характеристик с ограниченным параметром эффективности, который составил 1,257.

В статье приводятся результаты исследований течения теплоносителя за перемешивающими решетками-интенсификаторами тепловыделяющих сборок ТВС-Квадрат ректоров PWR. Цель работы заключается в оценке эффективности перемешивания теплоносителя за решетками-интенсификаторами различных конструкций и выбор их оптимальной конструкции. Для достижения поставленной цели проведен ряд экспериментов на аэродинамическом исследовательском стенде с масштабными моделями фрагментов твэльного пучка тепловыделяющих сборок с перемешивающими решетками-интенсификаторами, которые оснащались турбулизирующими дефлекторами различной формы профиля. В качестве области исследований выбраны ячейки, расположенные возле направляющего канала, и регулярные ячейки. Выбор области исследований обусловлен не только необходимостью получения гидродинамической картины течения теплоносителя в характерных ячейках и выбором оптимальной формы дефлектора, но и оценкой влияния поперечных течений теплоносителя из области направляющего канала на движение потока в смежных с ними ячейках. Картина течения теплоносителя представлена векторными полями поперечных скоростей, картограммами распределения поперечных и аксиальных скоростей, а также графическими зависимостями распределения компонент скорости потока. Анализ пространственного распределения поперечных и осевых скоростей потока позволил изучить и детализировать картину течения теплоносителя. Оценка эффективности перемешивания теплоносителя за решетками и определение оптимальной формы профиля дефлектора проводились на основе комплексного анализа гидродинамической картины течения теплоносителя и параметров внутриячейкового вихреобразования и межъячейкового перемешивания. Результаты экспериментов могут использоваться при инженерном обосновании конструкционных решений при проектировании активных зон реакторов PWR с ТВС-Квадрат. Накопленная база опытных данных применяется для верификации CFD-программ (как зарубежной, так и отечественной разработки), а также программ теплогидравлического поячеечного расчета активных зон.

В двух аэродинамических трубах экспериментально исследуется крыло с каплевидным профилем относительной толщиной 40 %. Эксперимент проводится при числах Рейнольдса от 2×10⁴ до 12×10⁴ и углах атаки от -10° до +10°, выполнены весовые измерения и количественная визуализация PIV-методом. Показано существенное влияние пульсаций набегающего потока на коэффициенты аэродинамических сил профиля. Выявлены следующие эффекты: кризис аэродинамического сопротивления, гистерезис коэффициента подъемной силы по углу атаки и реверс направления подъёмной силы. Анализ данных позволил определить причины этих эффектов.

Рассмотрено влияние зонда полного давления на результаты измерения пристенного потока в зоне присоединения высокоскоростного сверхзвукового отрывного течения в угле сжатия. При измерении давления вблизи стенки модели наблюдается локальный максимум в области вниз по потоку за линией присоединения. Этот максимум может быть как физическим структурным элементом отрывного течения (высоконапорным слоем, полное давление в котором достигает величины 0,8-0,95 от величины давления торможения набегающего потока), так и возможной ошибкой измерения. На примере горизонтальной пластины и плоских клиньев установлено существование в пограничном слое локального максимума полного давления, появление которого связано не с наличием высоконапорного течения, а с результатом взаимодействия зонда со стенкой модели. Определено, что величина этого максимума зависит от соотношения размеров зонда и толщины пограничного слоя. Показано, что степень влияния зонда, приводящего к искажению результатов измерения, примерно на порядок меньше, чем максимальная величина измеренного полного давления в высоконапорном слое в зоне присоединения.

Представлены результаты численного моделирования сверхзвукового (М_¥ = 7) обтекания цилиндра с передней газопроницаемой вставкой из высокопористого ячеистого материала. Для описания фильтрации воздуха в газопроницаемой вставке предложена и реализована тороидальная скелетная модель высокопористой среды. Получены аэродинамические коэффициенты модели цилиндра при различных углах атаки ( a = 0¸15°), согласующиеся с имеющимися экспериментальными данными, что свидетельствует о соответствии предложенной скелетной модели реальным свойствам высокопористых материалов.

В микроканальных потоках жидкость-жидкость существует множество различных режимов течения. Наиболее важным для практических приложений является переход от сегментированных режимов течения к непрерывным, а также предсказание данного перехода для произвольной системы жидкостей. В работе проведен подробный анализ существующих экспериментальных данных по режимам течения несмешивающихся жидкостей и представлено их обобщение на основе анализа размерностей. Показано, что предложенный ранее критерий (We^0,4Oh^0,6), включающий в себя числа Вебера и Онезорге, позволяет предсказать переход между непрерывным и сегментированным потоком с хорошей точностью в случае отношения вязкостей фаз l = m _d / m _c меньшем либо равном единице. При отношении вязкостей l > 1 указанный критерий перестает работать, и для построения обобщающего параметра в случае таких систем жидкостей требуются дополнительные экспериментальные данные.

В статье представлено описание оптимального контура кратероподобной выемки вокруг цилиндрического отверстия для организации пленочного охлаждения, найденного с помощью численного моделирования потока и методов оптимизации. Влияние пяти выбранных геометрических параметров, которые полностью описывают выемку, изучается с использованием метода ортогонального проектирования и интервального метода. С помощью интервального метода и генетического алгоритма в комбинации с нейронной сетью с обратным распространением ошибки при коэффициентах вдува 0,5 и 1,5 выполнена оптимизация для отверстия. В результате работы последнего метода оптимизации получена бóльшая усредненная по площади эффективность охлаждения для обоих значений коэффициента вдува. Усредненная по площади эффективность охлаждения для оптимизированных отверстий с кратероподобной выемкой повышается на 17,21 % для коэффициента вдува 0,5 и на 101,96 % - для коэффициента вдува 1,5 по сравнению с базовым вариантом. Повышение эффективности пленочного охлаждения объясняется в терминах динамики потока и вихревых структур.

Исследовано смачивание поверхности с комбинированной текстурой. Измерены краевые углы для различных текстур поверхности. Предложен и проанализирован метод формирования гидрофобной текстуры с помощью комбинации механического продавливания и формирования рельефа на поверхности на основе полимеров и наночастиц оксида алюминия.

Экспериментально и теоретически исследованы закономерности формирования пленки жидкости в окрестности капиллярных отверстий фильеры генератора капель при его включении, а также закономерности разрушения пленки и формирования на ее поверхности струй. Показано, что переходные процессы формирования и разрушения пленки длятся несколько секунд, а определяющим механизмом разрушения пленки является развитие изгибной неустойчивости зародышей струй.

Сформулирована задача об одномерном течении воды и пара с межфазной границей в наклонном пористом слое с учетом притока тепла через боковые поверхности. Найдено стационарное решение задачи в аналитическом виде и исследованы его свойства. Показано, что в определенной области параметрического пространства стационарное решение неустойчиво. Определен характер неустойчивости.

В работе представлены энергетический и эксергетический анализы для необратимого цикла Брайтона, который построен на совокупности регенератора тепла, устройства повторного нагрева и интеркулера. На основе первого и второго законов термодинамики проведен анализ влияния компонентов системы на эффективность цикла. Оценены эксергетические потери для компонентов цикла и полные эксергетические потери для необратимого цикла Брайтона для различных условий. Также оценено оптимальное давление для интеркулера и для устройства повторного нагрева для различных условий. Для этого с помощью компьютерных программ проводилось численное моделирование необратимого цикла Брайтона. В рамках такого численного подхода оптимальное давление вычислялось на основе первого и второго законов термодинамики. Результаты вариантов моделирования сравнивались с величиной среднего геометрического для максимального и минимального давлений в цикле Брайтона.

Представлены результаты численного исследования воспламенения холодной сверхзвуковой водородной струи (М_jet = 1,46), окруженной кольцевой сверхзвуковой (M_air = 1,86) струей горячего влажного воздуха, в условиях истечения в затопленное пространство. Моделирование выполнено в условиях эксперимента Коэна и Гиля, проведенного в 1969 году, на основе осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса, дополненных k-w SST-моделью турбулентности, детальным кинетическим механизмом горения водорода в воздухе и различными моделями учета взаимодействия турбулентности и химических реакций. Расчеты выполнены в программном комплексе ANSYS Fluent 2020 R1 в нестационарной двумерной осесимметричной постановке с использованием решателя, основанного на давлении. Получены мгновенные, средние и пульсационные компоненты основных аэродинамических параметров и концентраций реагирующей смеси. Проведено детальное сравнение расчетных профилей числа Маха, полной температуры и концентраций компонентов смеси на оси струи и в нескольких поперечных сечениях струи для нереагирующего/реагирующего потока с экспериментальными данным, которое показало удовлетворительное совпадение по всем параметрам. Показано, что использование нестационарного подхода в сочетании с детальной кинетической схемой позволяет воспроизвести в расчете вихревые структуры, которые развиваются на границе слоя горения, вносят существенный вклад в смешение водородной и воздушной струй и, таким образом, оказывают влияние на процесс горения водорода.

В статье представлены экспериментально полученные температурные зависимости степеней черноты металлов VIII группы таблицы Менделеева: кобальта, никеля, палладия и платины.

Методами математического моделирования в однофазной постановке задачи Стефана поставлена и решена задача таяния слоя рассеивающего излучение льда. Для решения радиационной части задачи использован модифицированный метод средних потоков. Учет анизотропного рассеяния осуществлен с помощью метода разложения индикатрисы рассеяния по полиномам Лежандра. Показано влияние направления рассеяния на скорость таяния слоя льда. Получено удовлетворительное согласование результатов расчетов с экспериментальными данными и с данными расчетов, проведенных транспортным методом.