Главная – Журналы – Прикладная механика и техническая физика 2023 номер 6

С использованием капельного метода гранулирования и метода центрифугирования расплава рассматриваются физические процессы кристаллизации капель расплава в водной среде. Построена математическая модель, которая на основе исходных данных процесса, диаметра капель расплава, условий охлаждения позволяет определить скорости охлаждения и кристаллизации, а также дендритный параметр структуры гранул исследуемых алюминиевых сплавов. Прогнозирование дендритного параметра микроструктуры гранул позволяет прогнозировать уровень дисперсности микроструктуры и, следовательно, прочностные свойства материала гранулята. В параметрах модели учитывались скорость движения капли, особенности процессов теплоотвода и зависимость теплофизических параметров сред от температуры. Разработана прикладная программа, реализующая построенную математическую модель. Реализация разработанной математической модели проводилась с использованием языка программирования Microsoft Visual C++. Математическая модель апробирована в процессе гранулирования высоколегированных алюминиевых сплавов (сплавы Д1 и Д16 системы Al-Cu-Mg, сплавы В95 и В96Ц системы Al-Zn-Mg-Cu), получаемых с помощью методов центробежного разбрызгивания расплава и капельного метода при охлаждении в водной среде. Скорость кристаллизации в натурных образцах измерялась на основе анализа дендритного параметра структуры материала. С использованием результатов анализа расчетных значений дендритного параметра и его измерений на реальных образцах гранул доказана высокая степень сходимости результатов математического моделирования и реальных данных

Исследован процесс наплавки металлокерамического покрытия на никелевой основе с массовой долей карбида вольфрама 60 %. Изучено влияние предварительного нагрева подложки до температуры 500 °С на интенсивность in situ синтеза вторичных керамических частиц, образующихся в результате растворения исходных частиц в металлической матрице. Показано, что предварительный нагрев способствует предотвращению возникновения трещин и пор в покрытии. С использованием синхротронного излучения установлено, что дополнительный нагрев образца в процессе наплавки до температуры 500 °С не приводит к существенному изменению фазового состава получаемого композита

Проведено исследование влияния предварительного нагрева подложки на структуру полученного методом прямого лазерного выращивания металлокерамического покрытия из сплава ВТ-6, армированного частицами B₄C. Впервые созданы покрытия с массовой долей частиц B₄C, равной 15 %. Показано, что использование нагрева подложки позволяет получать металлокерамические покрытия без трещин. Установлено, что при трибологических испытаниях объем царапин металлокерамического покрытия уменьшился в восемь раз по сравнению с покрытием, содержащим частицы B₄C с массовой долей 10 %

Представлены результаты расчета соударения наночастицы с преградой, выполненного с использованием метода молекулярной динамики. Сначала решена задача о соударении наночастицы с преградой в условиях холодного газодинамического напыления, а затем задача о растяжении наночастицы, которая в результате соударения прилипает к преграде. Показано, что в результате соударения между наночастицей и преградой возникает химическая связь. При соударении наночастицы титана с преградой из алюминия имеет место более прочная связь, чем в случае соударения наночастицы алюминия с преградой из титана. Это обусловлено тем, что наночастица титана проникает в преграду из алюминия на б'ольшую глубину

Получено решение центрально-симметричной задачи определения поля скоростей в сплошной упругопластической среде при камуфлетном взрыве в предположении о бесколебательном характере движения и несжимаемости среды в областях пластичности и упругости. Решение найдено с использованием камуфлетного уравнения - соотношения для определения давления на контактной поверхности расширяющейся взрывной полости. Полученное решение позволяет оценивать размеры зон расширения, пластического деформирования среды и воздействие взрывных возмущений на объекты

С помощью комбинированного подхода выполнено численное моделирование струи азота, расширяющейся при истечении из сопла в вакуумную камеру. Параметры течения в сопле и ближнем поле струи определялись путем решения уравнений Навье - Стокса с помощью программы ANSYS Fluent, течение газа на больших расстояниях от среза сопла моделировалось методом прямого статистического моделирования с использованием программного комплекса SMILE. Применение такого подхода позволило выполнить достаточно точные расчеты в ближнем поле струи, при этом были учтены температурная неравновесность расширяющейся струи газа и другие эффекты разрежения в дальнем поле струи. Проведена верификация используемого подхода различными приближенными аналитическими моделями истечения газа в вакуум. Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными показало, что они хорошо согласуются

С использованием математической модели, полученной из алгебраической модели Роди рейнольдсовых напряжений, описано течение в дальнем плоском безымпульсном турбулентном следе. Модель аналогична двухпараметрической ( k ̶ ε-модели турбулентности в приближении дальнего следа с измененной эмпирической постоянной в диффузионных слагаемых уравнений. Выполнены теоретико-групповой анализ математической модели следа и автомодельная редукция уравнений модели к системе обыкновенных дифференциальных уравнений. С использованием асимптотического разложения решения в окрестности особой точки построено приближенное решение соответствующей краевой задачи

Проведено исследование пассивного метода уменьшения лобового сопротивления цилиндра за счет установки за ним плоской пластины при значении числа Рейнольдса, равном 10⁵. Представлены результаты моделирования с помощью пакета ANSYS Fluent течения вокруг системы цилиндр - пластина, включая поля скоростей и давлений, линии тока, зависимости коэффициента лобового сопротивления и координаты точки отрыва на поверхности цилиндра от относительной длины пластины. Установлено, что коэффициент лобового сопротивления системы цилиндр - пластина может быть уменьшен приблизительно на 40 % по сравнению со случаем изолированного цилиндра

C использованием полных уравнений Навье - Стокса исследована линейная устойчивость плоского течения Пуазейля в канале с нижней стенкой, гофрированной вдоль потока, вследствие чего течение имеет две компоненты скорости. Численно решается обобщенная задача на собственные значения. Рассмотрены три типа возмущений: плоские периодические (параметр Флоке равен нулю), плоские двоякопериодические (конечные значения параметра Флоке) и пространственные. В широком диапазоне значений параметра гофрирования и числа Рейнольдса проанализированы нейтральные кривые. Установлено, что критическое число Рейнольдса, при превышении которого появляются нарастающие во времени возмущения, сложным образом зависит от безразмерной амплитуды и периода гофрирования. Показано, что в случае течения в канале с гофрированной стенкой трехмерные возмущения, как правило, являются более опасными. Исключение составляет малая амплитуда гофрирования, при которой более опасными являются плоские возмущения

Представлены результаты статистического анализа турбулентной структуры свободной пузырьковой струи при числе Рейнольдса, равном 12500, на основе PIV-измерений скорости несущей фазы. После применения процедуры статистической фильтрации к полям мгновенной скорости получены распределения статистических моментов старших порядков для флуктуаций скорости (коэффициентов асимметрии и эксцесса), а также энергетические спектры турбулентности для однофазной и газонасыщенной струй. Выполнен анализ влияния дисперсной фазы (пузыри со средним диаметром 0,8 мм) с объемным газосодержанием 0, 1, 2, 3 % на указанные характеристики непрерывной фазы

Представлено описание малой климатической аэродинамической трубы, разработанной в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН и предназначенной для исследования процессов обледенения. Использование такой трубы позволяет не только изучать физику процесса обледенения, но и отрабатывать методы противообледенительной защиты, проводить валидацию численных методов расчета процессов обледенения и др.

Исследуются продольные структуры, создаваемые внешними вихревыми и тепловыми волнами в дозвуковых и сверхзвуковых пограничных слоях. Особое внимание уделено постановке граничных условий на внешней границе пограничного слоя. Установлено, что возмущения продольной скорости внутри пограничного слоя могут превышать амплитуду внешней вихревой волны в несколько раз. С увеличением числа Маха эффективность возбуждения уменьшается. Показано, что влияние тепловых внешних волн на структуру потока в пограничном слое значительно слабее влияния вихревой структуры потока

Численно исследовано влияние различных физических механизмов на стадии схлопывания парового пузыря и последующего образования кумулятивной струи в процессе лазерно-индуцированного кипения вблизи торца тонкого волновода, погруженного в холодную жидкость. В зависимости от интенсивности испарения выделено и описано три режима процесса

Проведено трехмерное численное моделирование течения воздуха в полном бронхиальном дереве человека при обструктивных и хронических заболеваниях легких. С помощью построенной ранее аналитической трехмерной модели нижних дыхательных путей выполнены расчеты распределения воздуха в легких (на участке от трахеи до альвеол) при поражении легких и бронхиальной астме. Для моделирования дыхания использована численная методика поэтапного расчета, что позволило избежать потери точности решения вследствие разномасштабности бронхов легких, а также в несколько раз уменьшить время расчета течения воздуха в легких

Представлены результаты численного моделирования в рамках двумерной модели мелкой воды взаимодействия уединенной волны с неподвижным полупогруженным телом с прямоугольным поперечным сечением. Сопоставление этих результатов с результатами расчетов на основе модели безвихревых трехмерных течений показало, что при малых амплитудах набегающей волны точность моделирования является удовлетворительной. Установлено, что пренебрежение дифракцией уединенной волны на поверхности цилиндра при использовании одномерной модели мелкой воды приводит к завышенным оценкам максимальных величин заплеска волны на грани цилиндра и силовых нагрузок на него

Проведено исследование высокоскоростного течения в осесимметричном сопле с расположенными в нем центральным телом и пилонами. Определено влияние геометрии основных и дополнительных пилонов на газодинамические и тяговые характеристики на выходе из сопла в режиме течения n_pr = 2.25 ( n_pr - отношение давления в форкамере к давлению в окружающем пространстве). Выявлена азимутальная неоднородность потока на выходе из сопла. Максимальная величина азимутальной неоднородности регистрируется в следе за пилонами. Показано, что в тракте сопла с пилонами, установленными в минимальном проходном сечении, реализуется трехмерное трансзвуковое течение, в котором образуются локальные сверхзвуковые области, замыкаемые слабыми скачками уплотнения. Установлено, что наличие такой ударно-волновой структуры приводит к уменьшению тяги сопла на 12 %

Проведено сравнение аппроксимаций профилей продольной и поперечной компонент скорости пограничного слоя, полученных при расчете обтекания потоком стреловидного крыла и тела вращения на основе полных уравнений Навье - Стокса, профилями пограничного слоя из автомодельного однопараметрического семейства профилей Фокнера - Скэн - Кука и двухпараметрического семейства профилей, предложенного Гастером. Показано существенное преимущество использования аппроксимации расчетных профилей вблизи трехмерного отрыва профилями из двухпараметрического семейства

Исследован процесс возникновения внутренней трещины смешанного типа (I и II моды разрушения) в стенке трубы из идеального упругопластического материала под действием комбинированных нагрузок растяжения (сжатия) и изгиба. Процесс разрушения таких материалов описан с помощью модифицированной модели Леонова - Панасюка - Дагдейла, в которой используется дополнительный параметр - поперечник зоны пластичности (ширина зоны предразрушения). Рассмотрен случай сложного нагружения, когда траектория трещины обязательно искривляется, поэтому угол излома траектории определяется с использованием силового интегрального критерия на основе асимптотики поля напряжений в окрестности вершины трещины. Для получения критических параметров разрушения предложен двухпараметрический (сдвоенный) критерий прочности в случае сложного напряженного состояния. Проведен анализ параметров, входящих в полученную аналитическую модель. Безразмерные геометрические параметры конструкции найдены численно методом конечных элементов. Построены диаграммы квазихрупкого разрушения

Рассматривается деформация идеально упругопластического адгезионного слоя образца в виде упругой двухконсольной балки. С учетом всех диагональных компонент тензора напряжений в слое найдены значения J -интеграла для ряда адгезивов. Показано, что при использовании упругопластической модели деформирования слоя тип плоской задачи может оказывать существенное влияние на значение J -интеграла. Показано, что при нормальном отрыве в зоне необратимых деформаций адгезива в плоском напряженном состоянии возможно наличие сжимающих напряжений

С использованием метода молекулярной динамики рассчитаны константы жесткости пяти структурных конфигураций графина - монослоя углерода, в котором атомы уложены особым образом и имеют sp - и sp² -гибритизацию. Установлено, что укладка атомов в слое графина оказывает существенное влияние на константы жесткости. Обнаружено, что наибольшую константу жесткости c₁₁ (1091 ГПа) имеет γ₂-графин, наименьшую (258 ГПа) α-графин. Показано, что β₃-графин и γ₂-графин являются сильно анизотропными структурами

Построена линейная теория статического цилиндрического изгиба тонкой пластины без использования гипотез Кирхгоффа. Учитываются поперечный сдвиг, обжатие по толщине и возникающая при этом продольная сила. С учетом изменения площадей обеих поверхностей при изгибе определяется поперечная распределенная сила. Предполагается, что среднее давление на пластину на несколько порядков больше, чем перепад давлений. Рассматривается изгиб в условиях плоских деформированного и напряженного состояний

Разработана экспериментальная методика, которая позволяет визуализировать возникновение и распространение повреждений в каждом слое прозрачной брони. Проанализирована динамика развития повреждений в многослойных пакетах, состоящих из четырех и восьми слоев площадью 480´480 мм и 300´300 мм соответственно. Эволюция повреждений получена при воздействии пули калибром 12,7 мм с двухкомпонентным сердечником общей массой 59,2 г и пули калибром 7,62 мм с двухкомпонентным сердечником общей массой 10,9 г как по нормали, так и под острым углом в диапазоне скоростей удара 777÷97 м/с. Проведено сравнение экспериментальных данных с результатами численного моделирования взаимодействия ударника с многослойной прозрачной преградой

Разработан метод прогнозирования ползучести и длительной прочности на основе данных о поведении ранее испытанного образца (образца-лидера, прототипа) в условиях вязкого разрушения. Предполагается, что у материала при нагружении отсутствуют мгновенно-пластическая деформация и первая стадия ползучести и для него выполняется гипотеза несжимаемости. Показано, что если для образца-лидера известны кривая ползучести при постоянном напряжении и время до его разрушения, то для получения диаграммы реологического деформирования и длительной прочности материала при других значениях напряжения достаточно знать лишь начальную (в начальный момент времени) минимальную скорость деформации ползучести образцов для этих значений напряжения. Выполнена проверка адекватности разработанного метода экспериментальным данным при растяжении образцов из коррозионно-стойкой стали марки 12Х18Н10Т при температуре 850 °С и образцов из титанового сплава при температуре 600 °С, а также при растяжении и кручении образцов из сплава Д16Т при температуре 250 °С. Показано, что результаты прогнозирования не зависят от выбора образца-лидера из ряда образцов, испытанных при различных напряжениях. Обсуждается возможность использования разработанного метода при проведении экспериментальных исследований материалов в условиях ползучести вплоть до их разрушения

Предложена численная схема исследования акустического излучения при колебаниях экранированных конструкционных панелей, возбуждаемых течением неоднородного турбулентного пограничного слоя. Для оценки неоднородного спектра пристенного давления турбулентного пограничного слоя используются полуаналитические методы. С помощью разложения Холецкого определено случайное пристенное давление в частотной области. Поведение панелей моделируется с использованием метода конечных элементов. Для оценки мощности акустического излучения разработан связанный метод конечных и граничных элементов. Исследовано излучение энергии ламинированными композитными конструкционными панелями с различной ориентацией волокон