Главная – Журналы – Прикладная механика и техническая физика 2024 номер 2

Представлено обобщение преимущественно авторских исследований процесса вдува воздуха через перфорированный участок тела вращения большого удлинения при его осесимметричном обтекании в условиях несжимаемого течения. Проведен анализ результатов расчетно-экспериментальных исследований свойств течения, эффективности метода управления турбулентным пограничным слоем и перспектив его использования для тела вращения при малых дозвуковых скоростях, эквивалентных режиму взлета и посадки современного дозвукового транспортного самолета

Проведена оптимизация выдува тангенциальной струи на верхнюю поверхность сверхкритического трансзвукового профиля крыла гражданского самолета в режиме с колебаниями скачка уплотнения. Для моделирования обтекания профиля решаются двумерные уравнения Рейнольдса в нестационарной постановке. Уравнения замыкаются с помощью модели турбулентности Спаларта - Альмараса. Варьировались положение щелевого сопла и интенсивность выдува струи из него. Определено оптимальное положение струи с минимально возможной интенсивностью выдува, при которой происходит подавление колебаний скачка

Представлены результаты исследования влияния различных источников магнитного поля на размер капель, формирующихся в микрофлюидных потоках. В микрофлюидном устройстве с фокусировкой потока с использованием магнитных жидкостей на основе масла и воды, являющихся непрерывной фазой, получены прямые и обратные эмульсии. Формировались немагнитные включения различного объема в зависимости от выбранных параметров: расхода непрерывной фазы, конфигурации магнитного поля, положения магнита относительно оси устройства

Рассматривается периодическое обтекание пластин несжимаемой жидкостью при больших числах Рейнольдса и малых числах Келегана - Карпентера. Определяются диссипация энергии за период колебаний и коэффициенты сопротивления пластин. Исследуются двумерные задачи о поступательных и угловых колебаниях плоской пластины и пластины в форме дуги окружности, о поступательных колебаниях кругового цилиндра с симметрично расположенными на нем ребрами, об угловых колебаниях крестообразных пластин, а также задача о периодическом обтекании наклонного ребра на плоской стенке. Рассматривается трехмерная задача о поступательных и угловых колебаниях тонкого круглого диска. Все полученные зависимости для диссипации энергии и коэффициентов сопротивления представлены в аналитическом виде через коэффициенты интенсивности скоростей, которые характеризуют сингулярность скорости на острых кромках пластин при потенциальном обтекании идеальной жидкостью. Проведено сравнение некоторых полученных зависимостей с имеющимися численными и экспериментальными данными

Проведено численное моделирование процесса обтекания симметричного толстого каплевидного профиля в нестационарной постановке при числах Рейнольдса Re = 10⁴ ÷ 10⁵ и в диапазоне углов атаки α = –10 ÷ 10°. Расчеты выполнены в приближении нестационарных уравнений Навье - Стокса, осредненных по Рейнольдсу (URANS), с использованием неявного метода крупных вихрей (ILES). В URANS-подходе положение ламинарно-турбулентного перехода определялось на основе моделей k–kl–ω, k–ω–γ–Re_θ (модель Ментера) и (k–ω)-SST-модели с заданной областью ламинарного течения. Показано, что положение области ламинарно-турбулентного перехода оказывает значительное влияние на структуру течения и аэродинамические характеристики профиля. Сравнение результатов, полученных при использовании ILES-подхода, с экспериментальными данными показало, что они хорошо согласуются. URANS-расчеты не позволили получить результаты, согласующиеся с экспериментальными данными. Фиксирование точки ламинарно-турбулентного перехода в URANS-расчете в некоторых случаях позволило скорректировать результаты

Методом реакционного горячего прессования шихты из B₄C, Cr₂O₃ и нановолокнистого углерода при усилии пресса 17,5 МПа, температуре 2000 °C и времени выдержки 10 мин получены керамические композиты на основе B₄C с молярной долей CrB₂ 0 ̶ 30 %. Исследована возможность протекания химической реакции карбидоборного восстановления оксида металла в процессе горячего прессования. Показано, что в процессе синтеза CrB₂ плотность B₄C увеличилась за счет образования эвтектической жидкой фазы CrB₂ ̶ B₄C. Относительная плотность всех композитов B₄C-CrB₂, полученных при данных условиях, превышает 90 %. Получены зависимости микротвердости и модуля упругости образцов от концентрации пластичной фазы. С использованием последовательно моделей осреднения Рейсса и Фойгта определена зависимость модуля упругости гетерогенного материала с учетом пористости от объемной доли диборида хрома

Проведены механические испытания на одноосное растяжение и трехточечный изгиб образцов полимерного композита, изготовленного из эпоксидной смолы Crystal 85-5, модифицированной фотолюминесцентными порошками MHG-4E (средний размер частиц 5÷15 мкм) и ФВ-530Д (средний размер частиц 25 мкм). Получена зависимость модуля упругости от концентрации наполнителя. Исследованы фотолюминесцентные свойства полученных композитов. Установлена зависимость интенсивности послесвечения от массовой доли наполнителя в композите

Рассмотрена задача математического моделирования участка тепловыделяющего элемента (твэла), включающего ряд топливных таблеток и фрагмент оболочки, в осесимметричной постановке. Предполагается, что оболочка является термоупругопластическим телом, а таблетка - термоупругим телом с учетом растрескивания материала. Для численного моделирования теплового и механического контакта таблеток друг с другом и с оболочкой применены различные варианты метода декомпозиции области. Приведены результаты расчетов, которые описывают выход на номинальную мощность участка, содержащего 10 таблеток, выполнена оценка влияния растрескивания таблеток на термомеханическое состояние твэла

Предложена и реализована новая методика, позволяющая выполнять частотно-временной анализ данных, полученных с использованием PIV-метода, с учетом показаний поверхностного датчика термоанемометра. Методика основана на вычислении коэффициентов корреляции между данными, полученными PIV-методом, и данными датчика термоанемометра, которые предварительно были отфильтрованы в заданном частотном диапазоне. Использование такого подхода позволяет получать данные о нестационарных характеристиках течений во всей области измерений в частотном диапазоне, границы которого выходят за границы частотного диапазона PIV-метода. С помощью предлагаемой методики проведено исследование нестационарных процессов в области взаимодействия ударной волны с пограничным слоем при числе Маха M = 1,43.

Изложены результаты исследования параметров лазерной сварки пластины из алюминиевого сплава 6061 с двумя слоями бескислородной меди марки TU1. Изучены процесс формирования шва и микроструктура сварного соединения Cu-Cu-Al при различных значениях параметров. Исследование макро- и микроструктуры сварного шва проводилось с использованием сканирующих электронных микроскопов Axio Observer D1M и Gemini SEM 300. Ширина и глубина ванны расплава, а также механические свойства сварного соединения Cu-Cu-Al изучались с использованием полуавтоматического прибора Eagle-MD и машины для проведения экспериментов на растяжение и сжатие YH-9002. Из девяти испытанных образцов лучшие характеристики имели образцы, полученные при мощности лазера 1600 Вт и скорости сварки 90 мм/с. Поверхность алюминиевой пластины имела более сложную металлографическую структуру, чем поверхность медной пластины

На основе решения ячеечной задачи теории упругости проведен анализ основных типов деформирования связующего, перекрестно армированного волокнами композита. Показано, что все предсказанные ранее возможные типы локального деформирования связующего волокнистого композита выявляются в численных решениях ячеечной задачи теории осреднения. Локальное напряженно-деформированное состояние связующего существенно зависит от формы поперечного сечения волокон. В случае волокон с квадратным поперечным сечением возможна оценка напряженно-деформированного состояния с помощью явных формул, в то время как для волокон с сечениями другой формы для расчета напряженно-деформированного состояния необходимо использовать компьютер

Установлено, что тепловыделение в гомогенизированной модели композита описывается законом Джоуля - Ленца для осредненной силы тока и напряжения. Показано, что значения локальной напряженности электрического поля и локальной силы электрического тока в реальном композите обычно существенно отличаются от соответствующих значений в осредненной модели, несмотря на то что потенциалы электрического поля в осредненной модели и реальном композите близки

С использованием различных аналитических моделей течения Дарси в пористых средах изучены критические режимы течения и режимы течения в каналах при наличии препятствий. Получено аналитическое выражение для поперечной проницаемости каналов при наличии в них пространственно-периодических массивов непроницаемых цилиндров, которое описывает различные асимптотические режимы. Вычислена продольная проницаемость для квадратного массива цилиндров. Исследовано поперечное обтекание шестиугольных и квадратных массивов цилиндров с использованием разложений решения в случае малой концентрации и теории смазки при большой концентрации цилиндров. Рассмотрены трехмерные периодические массивы сферических препятствий. Формулы для силы сопротивления, оказываемого различными массивами препятствий, выводятся путем разложения формулы, справедливой при малых концентрациях препятствий. С помощью разложения формулы, справедливой при малой амплитуде волнистости, изучается течение Стокса через двумерные и трехмерные каналы с двумя волнистыми стенками. При различных значениях параметра волнистости получены компактные формулы для проницаемости в виде фактор-аппроксимаций. Рассмотрены различные степенные законы для течений с большими параметрами волнистости стенок канала, а также существующие разложения в случае малых амплитуд

Рассматривается классическая гармоническая по времени задача о плоской деформации цилиндрической упругой оболочки, нагруженной жидкостью. Представлены результаты низкочастотного асимптотического анализа. Получены явные формулы для собственных частот. Сформулирована уточненная теория полумембранных оболочек. Показано, что инерция оболочки не оказывает существенного влияния на низшие собственные частоты. Установлено, что окружная компонента напряжения изменяется по параболическому закону

Исследуются эффективные тепловые характеристики композитных материалов, использующихся в теории твердотельного охлаждения. Рассматриваются два класса композитов: слоистые структуры, состоящие из большого количества наноразмерных слоев, и двухфазные зернистые композиты. Предполагается, что границы между средами являются неидеальными. При переходе через них температура испытывает скачок Капицы. Для получения эффективных характеристик слоистых структур используется матричный метод усреднения. Усреднение характеристик зернистых композитов основано на подходе Бруггемана. Получены формулы, учитывающие влияние межслойного сопротивления Капицы на усредненные тепловые характеристики структуры. Найдены выражения для средних значений тепловых источников

Представлен метод перехода от трехмерной пьезоупругой задачи для композитного материала к одномерной задаче о пьезоупругой балке. При этом используется асимптотический метод гомогенизации, основанный на разделении "быстрых" и "медленных" переменных в решении. Особенностью задачи является наличие двух малых параметров, один из которых характеризует микроструктуру композиционного материала, другой - размер поперечного сечения. Получены как осредненные соотношения, описывающие пьезоупругую балку, так и быстрые корректоры. Совместное использование их позволяет корректно описать полное напряженно-деформированное состояние исходного трехмерного тела. Предлагаемый метод применим при решении трехмерной задачи о деформировании протяженного тела с произвольной периодической структурой, а также позволяет решать новые задачи (например, задачу о кручении), не имеющие аналогов в теории пьезоупругих пластин

Решается плоская задача теории упругости при наличии в плоскости квадратного массива из N непересекающихся круговых включений. Влияние мягких включений изучается с использованием асимптотического анализа. Случай N = 1 соответствует регулярному квадратному массиву дисков радиусом r, вложенному в упругую матрицу. Решение этой задачи получено В. Я. Натанзоном и Л. А. Фильштинским на основе численного решения бесконечной системы линейных алгебраических уравнений для коэффициентов ряда Тейлора комплексных потенциалов Колосова - Мусхелишвили методом усечения. Для записи коэффициентов ряда в символьном виде до членов порядка O(r^2s) при фиксированном значении s используется метод функциональных уравнений. Получены приближенные аналитические формулы для локальных упругих полей

Рассматривается малоразмерная упругая изотропная полоса-балка, нагруженная переменными объемными и поверхностными силами. На лицевых поверхностях учитываются поверхностные касательные напряжения и инерция в рамках поверхностной теории упругости Гуртина - Мурдоха. Методом асимптотического интегрирования уравнений двумерной теории упругости по толщине полосы выводятся асимптотически корректные уравнения, описывающие длинноволновую изгибную деформацию микро- и нанобалок с учетом сдвигов и поверхностных эффектов. Исследуется влияние поверхностных напряжений и инерции на нижний спектр собственных колебаний металлических микро- и нанобалок. Показано, что поверхностная инерция оказывает такое же влияние на спектр собственных частот изгибных колебаний, как и поверхностные напряжения

Рассматривается процесс потери устойчивости фермы Мизеса в случае неустойчивости материала, т. е. при учете потери эллиптичности. Построены диаграммы деформирования. Получены результаты, позволяющие исследовать выпучивание тонкостенных конструкций (арок, оболочек), изготовленных из материалов, для которых возможна потеря эллиптичности уравнений равновесия

Рассмотрены задачи о вдавливании жесткого штампа конечных размеров с поверхностным микрорельефом в многослойную упругую полосу. Приведены граничные вариационные формулировки задач с использованием оператора Пуанкаре - Стеклова, отображающего контактные напряжения в перемещения. При аппроксимации этого оператора использовалось дискретное преобразование Фурье, для вычисления передаточной функции применялся алгоритм, построенный на основе вариационной формулировки краевой задачи для трансформант перемещений. В результате аппроксимации исходной контактной задачи получена задача квадратичного программирования с ограничениями в виде равенств и неравенств, для численного решения которой использован алгоритм на основе метода сопряженных градиентов. Установлен ряд закономерностей контактного взаимодействия