Главная – Журналы – Прикладная механика и техническая физика 2023 номер 2

Исследуется влияние метода подготовки композиционной смеси состава TiC - n Ni (n =40, 50, 75 % - объемная доля никеля) на содержание карбидов в материале покрытия, полученного методом холодного газодинамического напыления. Показано, что при получении покрытий из порошковой смеси, приготовленной в V-образном смесителе, содержание карбида титана ниже, чем у покрытий, полученных из порошков, механически обработанных в высокоэнергетической планетарной мельнице. В случае перемешивания порошковой смеси в V-образном смесителе мелкие частицы карбида титана при напылении не достигают поверхности подложки вследствие торможения в ударно-сжатом слое газа, возникающем при натекании сверхзвуковой струи на преграду, и поэтому не участвуют в формировании покрытия. Напыление механически обработанного порошка, состоящего из композитных агломерированных частиц TiC-Ni, позволяет значительно (приблизительно в 1,8 раза) увеличить содержание карбидов в покрытии

С использованием метода конечных элементов и модели взаимодействия жидкости и упругого тела исследуется влияние вибрационных воздействий на артериальную гемодинамику и механические свойства стенки артерии. В результате численного моделирования установлено, что при проведении массажных манипуляций c частотой воздействия 2ʄ₀ средний расход кровотока увеличивается более чем на 5,34 %, при частотах ʄ₀ и 4ʄ₀ увеличение расхода менее существенно. При манипуляциях кровоток нарушается и происходит концентрация сдвиговых напряжений на стенке сосуда в зоне смешанного потока. Показано, что при деформации напряжение Мизеса на стенке артерии увеличивается, достигая максимального значения при максимальной деформации

Описывается подход к моделированию распределения скорости, характерного для потока за рабочим колесом гидротурбины, позволяющий существенно снизить расходы на проведение испытаний. Поток создается с помощью специального аппарата - завихрителя, представляющего собой комбинацию двух лопаточных решеток: неподвижной и вращающейся. С помощью методики проектирования завихрителей для генерации полей скорости, соответствующих распределениям скоростей за реальными гидротурбинами, создано восемь лопаточных решеток, моделирующих распределения скорости при оптимальных режимах работы гидротурбин различного типа. Проводится проверочный численный расчет параметров течения в пакете Ansys, а также сравнение спроектированных распределений скорости с экспериментальными, полученными на аэродинамическом лабораторном стенде с помощью лазерно-доплеровского анемометра. Показано, что проектные, расчетные и экспериментальные распределения скорости за рабочим колесом гидротурбины удовлетворительно согласуются. Таким образом, апробирован перспективный подход к лабораторному моделированию течения в проточной части гидротурбины и показана его эффективность

Представлены результаты экспериментальных и численных исследований обтекания удлиненного осесимметричного тела вращения в аэродинамической трубе малых скоростей с закрытой рабочей частью и в свободном потоке. Число Рейнольдса, вычисленное по длине тела вращения, менялось в диапазоне 2,75x10⁶ ÷ 9,40x10⁶. Численное решение задачи выполнено в предположении осесимметричного стационарного несжимаемого течения с использованием программного пакета ANSYS Fluent. Показано существенное влияние стенок рабочей части аэродинамической трубы на характер обтекания и аэродинамические характеристики тела вращения для случая, когда коэффициент загромождения рабочей части моделью тела вращения формально не превышает 2 %

Представлены новые аналитические решения для расчета изменения температуры в потоке жидкости и в металлической обсадной колонне, обусловленного индукционным нагревом участка колонны. Решения основаны на одномерной аналитической модели, в которой учитывается конвективный теплоперенос потоком жидкости, теплообмен между жидкостью и обсадной колонной, тепловыделение в металлической колонне при включении индуктора и потери в цемент и породу вследствие теплопроводности. Для получения решения использован метод интегрального преобразования Лапласа по времени, обратное преобразование проведено с помощью численного алгоритма Стефеста. Исследованы особенности температурного поля в процессе нагрева и после отключения индуктора, показано, что скорость уменьшения температурных аномалий возрастает с увеличением расхода жидкости в колонне. Проведено сравнение результатов расчетов по аналитической модели с результатами численного моделирования в программном пакете Ansys Fluent, а также с экспериментальными данными. Показано, что полученные аналитические решения могут использоваться при прогнозировании температурных аномалий, обусловленных индукционным нагревом обсадной колонны

Исследованы свойства дисперсионных соотношений для двух новых полностью нелинейных слабодисперсионных моделей мелкой воды, для которых при определенных параметрах можно получить четвертый, шестой или восьмой порядок точности аппроксимации фазовой скорости модели трехмерных потенциальных течений. Для иерархии моделей мелкой воды в предположении о слабо изменяющейся форме дна получены формулы, устанавливающие связь между скоростью изменения амплитуды волны и скоростью изменения толщины слоя жидкости, а также выведены зависимости амплитуды и длины набегающей волны от глубины акватории. Показано, что новая модель четвертого порядка длинноволнового приближения с восьмым порядком точности дисперсионного соотношения обеспечивает наилучшую аппроксимацию рассмотренных характеристик в случае как горизонтального дна, так и дна переменной формы

Рассматривается система уравнений Эйлера, описывающая двумерные стационарные течения идеальной жидкости. Эта система сводится к нелинейному уравнению Лапласа для функции тока. С помощью τ-функции Хироты находятся решения трех эллиптических уравнений: sin-Гордона, sinh-Гордона и Цицейки. Предложен простой метод построения решений в виде рациональных выражений в эллиптических функциях. Найденные решения описывают источники в завихренной жидкости, струйные течения, цепочки источников и стоков, вихревые структуры. Показано, что расход жидкости по замкнутой кривой квантуется в случае решения эллиптического уравнения sin-Гордона

С использованием модели турбулентности и акустической модели Фоукса Уильямса - Хокингса выполнено численное моделирование акустических характеристик генератора Гартмана с резонатором Гельмгольца. Важными параметрами, определяющими колебания потока в генераторе Гартмана, являются расстояние между соплом и резонатором, геометрия резонатора, давление в сопле и др. Проведено сравнение результатов расчета с экспериментальными данными. Рассчитаны зависимости массового расхода и звукового давления от диаметра и длины резонатора Гельмгольца при условии, что диаметр струи на выходе, диаметр резонатора, коэффициент давления в сопле и расстояние до зазора остаются постоянными. Показано, что в классическом генераторе Гартмана и генераторе Гартмана с резонатором Гельмгольца значение коэффициента давления в сопле одно и то же, в то время как интенсивность звука в классическом генераторе Гартмана больше. Интенсивность звука достигает максимума в направлении, перпендикулярном струе, и постепенно уменьшается с увеличением диаметра резонатора Гельмгольца, при этом основная резонансная частота уменьшается. По мере увеличения длины резонатора Гельмгольца интенсивность звука сначала уменьшается, а затем увеличивается. Установлено, что влияние длины резонатора на основную резонансную частоту меньше влияния диаметра резонатора

Экспериментально исследуется движение жидкости в неравномерно вращающемся (либрирующем) цилиндре, торцы которого симметрично наклонены относительно плоскости поперечного сечения. Вследствие либраций в полости поддерживаются инерционные волны, которые при определенных частотах фокусируются на замкнутой траектории, называемой волновым аттрактором. Скорость пульсационного течения немонотонно меняется с изменением частоты и достигает максимального значения, когда аттрактор принимает форму квадрата. С увеличением амплитуды колебаний в полости пороговым образом возникают новые очаги завихренности, соответствующие инерционным волнам, частота которых отличается от частоты либраций. Выполнен фурье-анализ возмущений в надкритическом режиме и показано, что в спектре помимо основной частоты присутствуют две дополнительные гармоники, удовлетворяющие условию триадного резонанса

Численно исследовано взаимодействие волны давления типа ступеньки со сферическим газожидкостным кластером в цилиндрическом канале, заполненном жидкостью. Показано, что кластер генерирует уединенную волну давления большой амплитуды. Изучено влияние пузырькового кластера на динамику многократного отражения волны давления от границ цилиндрического канала. Показано, что результаты численных расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными

Приведены результаты исследований газодинамики и горения жидкого топлива в модельной камере сгорания, работающей на жидком топливе, с использованием различных численных подходов, направленных на создание верифицированного метода моделирования работы устройств сжигания топлива. Исследования выполнены в стационарной и нестационарной постановках с использованием моделей турбулентности RANS и гибридного вихреразрешающего подхода DES. Проведено сравнение полученных результатов с данными бесконтактного оптического эксперимента. Показано, что наибольшие различия экспериментальных и расчетных данных имеют место в приосевой области камеры сгорания, где формируется возвратное рециркуляционное течение. Указанная вихревая структура адекватно разрешается в рамках подхода DES, а также нестационарной модели турбулентности SAS SST. Использование указанных подходов наряду с моделью горения Flamelet позволило обеспечить максимальную точность прогнозирования характеристик закрученного реагирующего течения, в частности распределений скорости и температуры в камере сгорания

Представлены результаты расчетов сверхзвуковых турбулентных течений в канале с учетом сопряженного теплообмена между воздушным потоком и медной пластиной, моделирующей чувствительный элемент термопары. Численное моделирование выполнено при числах Маха набегающего потока M_∞ = 3, 4, 5. Показано, что результаты расчетов согласуются с экспериментальными данными, полученными в импульсной аэродинамической установке. Установлено, что при значениях времени порядка 100 мс сопряженный теплообмен со стальными стенками модели можно не учитывать

С использованием обобщенной математической модели неизотермической фильтрации природного газа в пористой среде и модифицированной квазистационарной модели образования (отложения) газовых гидратов в трубопроводах решена сопряженная задача для случая совместной работы системы газоносный пласт - скважина и дан прогноз изменения температуры, давления, влагосодержания газа и площади проходного сечения скважины. Установлено, что наличие слоя многолетнемерзлых пород большой толщины способствует ускорению процесса гидратообразования внутри скважины. Показано, что при учете минерализации пластовых вод продолжительность процесса полной закупорки скважины гидратами увеличивается

С использованием нелокальной теории упругости исследуются нелинейные вынужденные колебания биморфной пьезоэлектрической нанобалки. Поведение нанобалки моделируется с помощью теории балок Эйлера - Бернулли. Уравнения движения балки выводятся на основе принципа Гамильтона и дискретизируются с помощью метода Галеркина, при этом в качестве пробных функций используются моды колебаний многопролетных балок. Дискретизированные уравнения решаются методом возмущений. Выполнен параметрический анализ динамического поведения наноприводов. Показано, что при увеличении нелокального параметра материала уменьшается основная собственная частота нанобалки и увеличивается амплитуда отклика

На примере решения плоской задачи механики стержня-полосы, на одной из лицевых поверхностей которого имеется закрепленный участок конечной длины, показано, что при исследовании процессов деформирования при условии податливости закрепленного участка необходимо учитывать изменение напряженно-деформированного состояния и применяемых для его описания математических моделей. Такое изменение имеет место при переходе через границу между незакрепленным и закрепленным участками. В рамках классической модели Кирхгофа - Лява учет податливости закрепленного участка стержня невозможен, а при использовании простейшей уточненной сдвиговой модели Тимошенко такой учет возможен при закреплении участка стержня только на одной из лицевых поверхностей. Найдены точные аналитические решения двух простейших линейных задач о статическом поперечном изгибе плоского стержня с участками конечной длины, закрепленными на одной из лицевых поверхностей. Для моделирования незакрепленных и закрепленных на одной из лицевых поверхностей участков плоских стержней в рамках уточненной сдвиговой модели Тимошенко построены одномерные конечные элементы. Проведены численные эксперименты, показывающие необходимость учета изменения напряженно-деформированного состояния стержня при переходе через границу между незакрепленным и закрепленным участками

С использованием методов молекулярной динамики исследуются свойства алюминиевой матрицы, упрочненной нанолистами из нитрида бора, имеющими графеноподобную структуру. Установлено, что в композите, полученном в результате покрытия алюминиевой матрицы листами из нитрида бора, увеличиваются предел текучести, твердость и модуль упругости. Показано, что с увеличением числа слоев нитрида бора прочность композита увеличивается; с увеличением температуры уменьшается межфазная энергия, в результате чего ухудшаются механические свойства композита

Решена задача об устойчивости цилиндрических оболочек, выполненных из композиционного материала, с учетом моментности и нелинейности их докритического напряженно-деформированного состояния. Геометрически нелинейная задача устойчивости решена методами конечных элементов и линеаризации Ньютона - Канторовича. Критические нагрузки определяются в процессе решения нелинейной задачи с помощью критерия Сильвестра. Используются разработанные на основе гипотезы Тимошенко конечные элементы композитных цилиндрических оболочек естественной кривизны, в аппроксимации перемещений которых в явном виде выделены жесткие перемещения, что существенно влияет на сходимость решения. Исследована устойчивость круговой цилиндрической оболочки, выполненной из полимерного композиционного материала, при комбинированном нагружении крутящим и изгибающим моментами и внутренним давлением. Изучено влияние способа укладки монослоев, нелинейности деформирования, внутреннего давления на критические нагрузки, при которых происходит потеря устойчивости оболочки

Предложена модель статических поперечных упругих деформаций образца магнитного геля, имеющего форму сильно вытянутого цилиндра, находящегося под действием поперечного однородного магнитного поля и силы тяжести. Теоретические результаты, полученные в рамках предложенной модели, качественно согласуются с результатами лабораторных экспериментов

Исследуются течения несжимаемых сред с тензорно-линейными определяющими соотношениями, включающими произвольную скалярную нелинейность в виде монотонно возрастающей функции упрочнения. Выделяются два типа сред: без предела текучести (нелинейно-вязкие жидкости) и с пределом текучести (вязкопластические тела), причем среды второго типа интерпретируются как конечные возмущения соответствующих сред первого типа. На примере задачи об одномерном стационарном сдвиговом течении в круглой трубе показано влияние способа возмущения предела текучести на максимальную скорость и расход. Значения этих величин зависят от знака второй производной функции упрочнения, т. е. от того, каким материалом является невозмущенная среда: псевдопластичным или упрочняющимся