Главная – Журналы – Прикладная механика и техническая физика 2023 номер 5

Представлены результаты численного исследования равновесных параметров одномерной цепочки, состоящей из трех пылевых частиц, левитирующих в электрических полях газоразрядной плазмы. Рассмотрена численная модель, в которой движение пылевых частиц моделируется с учетом действия силы кулоновского отталкивания, внешнего электрического поля, силы тяжести, электростатической силы, индуцированной объемным зарядом плазмы, а также силой ионного увлечения, описанной аналитически. Проведено сравнение пространственных распределений объемного заряда плазмы и потенциала вокруг пылевых частиц, а также равновесных структурных параметров цепочки пылевых частиц в зависимости от того, проводится или не проводится аналитический учет силы ионного увлечения. Показано, что при аналитическом учете силы ионного увлечения цепочка пылевых частиц как целое смещается в направлении потока ионов. При этом расстояния между пылевыми частицами оказываются меньше, чем в случае неучета силы ионного увлечения

Развивается газоструйный метод синтеза алмазных покрытий c использованием высокоскоростной струи для переноса активированной в СВЧ-разряде смеси газов (водорода, метана и аргона) к кремниевой подложке. Разработан подложкодержатель, позволяющий сохранять целостность подложки при термических нагрузках в условиях газоструйного осаждения. Получена скорость синтеза алмаза, превысившая достигнутую ранее в газоструйных экспериментах с активацией в СВЧ-плазме без добавления аргона

Исследуется генерация низкочастотного индукционного разряда низкого давления с ферромагнитным усилением магнитной связи между индуктором и плазмой. Рассмотрены основные особенности и преимущества данного способа генерации плазмы при его использовании в технологиях ионно-плазменной обработки поверхности материалов. Представлены новые экспериментальные данные об электрофизических и динамических характеристиках ферромагнитно-усиленного индукционного разряда низкого давления в аргоне с добавлением кислорода. Показана возможность управления радиальным распределением параметров плазмы в газоразрядной камере c помощью распределенной генерации разряда. Выявлены существенные колебания температуры электронов в течение периода колебаний электрического поля разряда, рассмотрен механизм их возникновения

Предложен способ измерения температуры расплава кремния при плазмохимическом электронно-пучковом рафинировании, основанный на измерении интенсивности излучения от поверхности расплава материала в ИК-диапазоне и сопоставлении ее с температурой. Установлено, что путем изменения условий рафинирования, в частности силы тока электронного пучка, можно изменять температуру очищаемого кремния в диапазоне 1500 ÷ 2600 К

Показана возможность управления шероховатостью поверхности медного образца путем обработки ее плазмой тлеющего разряда. Установлено, что основным процессом, влияющим на морфологию и состав поверхности, является окисление. В результате обработки на поверхности медного образца формируются различные нано- и микроструктуры ее оксида. Показано, что в исследуемом диапазоне параметров давление рабочего газа оказывает более существенное влияние на формирование различных структур, чем плотность тока тлеющего разряда. В результате обработки наблюдаются различные стадии процесса окисления поверхности, вызванные различием ее температур

В вакуумной камере проведен электронно-пучковый отжиг тонкой пленки аморфного субоксида кремния со стехиометрическим коэффициентом, равным 0,5. Время экспозиции составило 10 мин при ускоряющем напряжении электронного пучка 1000 В и силе тока 75 мА. С помощью зондовых измерений и расчетов получено поперечное распределение плотности тока в пучке электронов, которое хорошо согласуется с нормальным распределением. Плотность тока на оси пучка составила 0,8 мА/мм². Установлено, что в результате электронно-пучкового отжига тонкой пленки аморфного субоксида кремния формируются наночастицы кристаллического кремния размером 4,1 ± 0,1 нм. Размеры кристаллитов не зависят от плотности тока пучка электронов, в отличие от степени кристалличности, которая уменьшается с 40 % на оси пучка до нуля (аморфная структура) на периферии. Предполагается, что в процессе образования нанокристаллического кремния происходит формирование жидкой фазы

Представлен краткий обзор выполненных в Институте теплофизики СО РАН экспериментальных исследований газодинамики сверхзвуковых струй малой плотности, включая создание вакуумного газодинамического комплекса, разработку электронно-пучковых и лазерных методов диагностики, изучение влияния эффектов вязкости и неравновесности на область свободного сверхзвукового расширения и на ударно-волновую структуру недорасширенных струй. Рассмотрены проблемы и представлены примеры моделирования на вакуумных стендах силового, теплового и загрязняющего воздействия натурных струй двигателей ориентации на элементы конструкций космических аппаратов и орбитальных станций

Рассмотрены особенности газовых течений из сверхзвуковых сопел в затопленное пространство в условиях кластерообразования. Излучение частиц в потоке инициировалось посредством хорошо сфокусированного высоковольтного электронного пучка. Регистрация излучения проводилась с помощью фотокамеры высокого разрешения и спектрометра с широким диапазоном длин волн. Показано, что для характерных размеров струй конденсирующихся газов во всем диапазоне исследованных значений давления торможения и фонового окружающего пространства применима такая же зависимость от параметров, как в случае внесения поправочного коэффициента для учета влияния конденсации, в свою очередь зависящего от размера кластеров. Представлена форма поправочного коэффициента. Исследованы зависимости от внешних параметров обнаруженного ранее процесса формирования вторичной внешней струи в потоках легкоконденсирующихся газов - "кластерного следа". Рассмотрены причины и условия возникновения данного эффекта. Проведено сравнение процессов формирования традиционной веретенообразной струи и новой вторичной. Представлены результаты измерения с помощью метода фотометрии диаметров традиционной и вторичной струй в максимальных сечениях, с различными режимами истечения. Рассмотрены причины различий процессов формирования традиционной струи и вторичного потока в условиях развитой конденсации частиц. Установлено влияние "кластерного следа" на процесс проникания газа из окружающего пространства внутрь сверхзвукового потока. Рассмотрены особенности излучения частиц "кластерного следа", получены оценки времени существования излучения в возбужденном состоянии

С использованием кинетического и континуального подходов проведено численное исследование сверхзвукового истечения газа из кольцевого сопла в камеру низкого давления. Такие течения применяются в газоструйных плазмохимических технологиях, в которых используется электронный пучок, проходящий через осевой канал. Исследование проводилось с использованием прямого статистического моделирования с помощью метода Монте-Карло и путем решения уравнений сплошной среды в рамках пакета ANSYS Fluent. Показано, что полученные решения даже в зонах низкой плотности в канале электронного пучка хорошо согласуются. Это позволяет сделать вывод о возможности использовать пакет ANSYS Fluent для моделирования течений данного типа

Проведено исследование смачиваемости текстурированных поверхностей медной и углеродной подложек. Установлено, что такие геометрические параметры создаваемых текстур, как глубина и регулярность, оказывают существенное влияние на лиофильность поверхности, а также на характер растекания и движения капли воды. Значения краевых углов, полученные экспериментально, согласуются со значениями углов, полученными при молекулярно-динамическом моделировании

Определены безразмерные параметры и законы подобия, описывающие геометрические размеры металлокерамического наплавляемого валика, формируемого в процессе прямого лазерного выращивания. В качестве порошковой смеси использовались титановый сплав ВТ-6 и керамика (карбид кремния SiC) с различной объемной долей. Предложена модель для оценки теплофизических параметров гетерогенного материала. Показано, что независимо от объемной доли керамики безразмерные геометрические параметры единичного трека (глубина, ширина и высота) зависят от двух безразмерных параметров: нормированной энтальпии и числа Пекле, причем эти зависимости могут быть аппроксимированы алгебраическими выражениями

Представлены результаты численного моделирования нестационарного течения в осесимметричном воздухозаборнике внутреннего сжатия, испытанного в импульсной аэродинамической трубе с форкамерой фиксированного объема. Выполненные расчеты позволили выявить основные особенности различных режимов: нестационарных режимов запуска трубы и воздухозаборника, режима квазиустановившегося рабочего потока в трубе, режима квазистационарного обтекания воздухозаборника в запущенном состоянии при сверхзвуковой скорости потока в канале, а также последующего нестационарного перехода к режиму с выбитой головной ударной волной на входе при дозвуковой скорости в канале. Выявлен неизвестный ранее режим обтекания воздухозаборника с волнообразным перемещением головной ударной волны. Показано, что со временем колебания затухают, при этом положение ударной волны в набегающем потоке стабилизируется на некотором расстоянии от передней кромки воздухозаборника с сохранением рабочего режима течения в трубе

Рассматривается задача о мгновенной закачке или отборе ньютоновской жидкости через нагнетательную или добывающую скважину в бесконечный пласт с вертикальной магистральной трещиной постоянной ширины при заданных постоянных забойном давлении на скважине и пластовом давлении. Найдены аналитические решения для полей давления в трещине и пласте при закачке или отборе жидкости, а также для скорости течения в трещине. Получены явное выражение для утечки (притока) жидкости из трещины в пласт (из пласта в трещину) и уравнения траекторий частиц в трещине и пласте. Для полученных решений построены поля давления, распределения скорости жидкости в трещине и утечек жидкости из конечной трещины в ограниченный пласт при различных значениях проницаемости пласта

Выполнено прямое численное моделирование процесса взаимодействия ламинарного пограничного слоя с ударной волной при числе Маха, равном 1,45. Исследовано влияние периодического теплового источника на характер данного взаимодействия

Проведено исследование тепловых характеристик системы двухфазного закрытого термосифона, в котором в качестве рабочей жидкости используется метанол. Изучено влияние электрической тепловой мощности, объема заполняющей жидкости, расхода жидкости, угла наклона трубки и температуры охлаждающей воды на температуру на выходе из трубки. Проведены исследования при различных значениях объема заполняющей жидкости в диапазоне от 4 мл (объем наполовину заполненного испарителя) до 9 мл (объем переполненного испарителя). Рассматривались значения массового расхода жидкости в диапазоне 0,2÷0,7 кг/мин, значения мощности подводимого тепла в диапазоне 13,0÷41,4 Вт и значения температуры охлаждающей воды в диапазоне 15÷35 ° С. Установлено, что оптимальное заполнение трубки жидкостью обеспечивает наилучшую температуру на выходе, при этом коэффициент теплопередачи составляет от 64 до 71 %. Исследовано влияние изолированной адиабатической зоны на распределение температуры вдоль тепловой трубки

Исследуется влияние радиуса отверстия в упругом слое на величину критической внешней нагрузки в момент начала разрушения, определяемый энергетическим критерием. Использование в качестве критерия разрушения потока свободной энергии через дугу взаимодействия позволяет описать зависимость критической внешней нагрузки от радиуса отверстия. Длина дуги взаимодействия, построенной в окрестности точки максимума свободной энергии, определяется через линейный параметр. Максимальное значение линейного параметра может быть принято в качестве материальной константы. С использованием известных экспериментальных данных получена оценка введенного линейного параметра для слоя из полиметилметакрилата

С использованием теории балки Тимошенко исследованы колебания композитной балки из функционально-градиентного в двух направлениях материала, армированного углеродными нанотрубками. Получено уравнение свободных колебаний композитной балки, в котором учитываются показатель градиентальности, распределение углеродных нанотрубок и их объемная доля. Для решения данного уравнения используется метод дифференциальных квадратур. Определены собственные частоты колебаний балки. Установлено, что собственная частота и формы колебаний балки зависят от показателя градиентальности, распределения нанотрубок и их объемной доли. Распределение нанотрубок по высоте балки и объемная доля нанотрубок оказывают незначительное влияние на формы колебаний композитной балки

С целью исследования наклепа, происходящего в процессе нанесения покрытий, получаемых методом напыления порошкового материала, проведены эксперименты по дробеструйной обработке стеклянной дробью стальных тестовых полосок на детонационном комплексе CCDS2000. Получены экспериментальные зависимости глубины наклепа δ и величины остаточных напряжений σ в наклепанном слое от параметров обработки (размера, плотности и скорости частиц, прочности материала тестовой полоски). Предложены инженерные формулы для расчета значений δ и σ.

Предложена модель для оценки долговечности пучка одинаковых волокон в условиях хрупкого разрушения в области растягивающих напряжений, расположенной левее гриффитсова порога разрушения. Показано, что в указанной области напряжений средняя долговечность и дисперсия значений долговечности неограниченно увеличиваются при уменьшении растягивающего напряжения. Получены оценки инкубационного периода долговечности, его доверительной вероятности и нижней границы числа элементов пучка одинаковых волокон, гарантирующих требуемую долговечность пучка

Исследованы две модели, описывающие равновесие неоднородного двумерного тела с двумя соединенными жесткими включениями. Первая модель соответствует упругому телу с объемными жесткими включениями, расположенными в областях с постоянной шириной (криволинейный прямоугольник и трапеция). В рамках второй модели рассмотрены тонкие включения, описываемые кривыми. Для обоих типов моделей предполагается, что на границе контакта упругой матрицы и жестких включений имеется трещина, которая задается одной и той же кривой. На берегах трещины ставится одностороннее условие непроникания. Исследуется зависимость решений задач о равновесии от параметра ширины объемных включений. Показано, что решения задач о равновесии при наличии объемных включений в сильной топологии сходятся к решению задач для тонких включений при стремлении параметра ширины к нулю

С использованием металлографического и ультразвукового эхо-импульсного методов проведены исследования процесса разрушения стали марки Ст3сп при одноосном растяжении и усталости. Образцы вырезались из сварного соединения, а именно из зоны основного металла и участка неполной перекристаллизации в зоне термического влияния. Проведен сравнительный анализ эволюции грубых полос скольжения в зоне термического влияния и в основном металле. Установлена связь коэффициента Пуассона, определяемого ультразвуковым методом, с механическими характеристиками материала. Предложены способы оценки ресурса пластичности при одноосном растяжении и числа циклов до разрушения при усталости

Приводится решение задачи Гадолина об эволюции напряженных состояний в технологическом процессе горячей посадки цилиндрической трубы на другую трубу. Материалы деталей сборки описываются математической моделью упруговязкопластического тела. На контактной поверхности материалов сборки задается закон трения. В качестве условия пластического течения принимается условие максимальных октаэдрических напряжений (условие Мизеса), в котором предел текучести существенно зависит от локальной температуры. Расчеты изменяющихся со временем температурных напряжений проводятся последовательными шагами по времени в зависимости от достигнутого распределения температуры. Результаты расчетов остаточных напряжений и сформированного натяга в сборке сравниваются со значениями, полученными при численно-аналитическом решении одномерной задачи. Указаны различия характера изменения натяга в торцевой области конструкции, возникающие при проведении расчетов без учета сингулярности в краевых условиях