Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2025 номер 4

Представлены результаты исследования влияния горизонтального градиента температуры поверхности на динамику теплового конвективного потока с помощью прямого численного моделирования (DNS). Проведена серия расчетов при умеренных числах Рэлея (10⁵ - 10⁸). Расчетная область имела прямоугольную форму с двумя горизонтальными стенками с заданной разницей средних температур между ними, приводящей к формированию свободно-конвективного течения. Температура на нижней стенке имела неоднородное распределение вдоль одной из горизонтальных осей. Образующиеся за счет вертикального градиента плотности конвективные ячейки находились под воздействием слабого горизонтального градиента температуры, что приводило к их деформации и переносу к центральной оси расчетной области. В результате наблюдались интенсивные когерентные горизонтальные колебания положения центрального восходящего потока на низкой частоте. Эта частота слабо зависела от числа Рэлея, а амплитуда колебаний росла с его увеличением. Данный эффект возникновения низкочастотных колебаний не проявляется в двумерном моделировании и возникает в результате взаимодействия соседних трехмерных конвективных ячеек, попадающих в центральный восходящий поток. Авторами предложена асимптотическая оценка для периода этих колебаний. Показано, что колебания не исчезают с ростом числа Рэлея, что дает основание ожидать их влияния на тепломассоперенос в природных течениях.

Основной целью работы является экспериментальное изучение механизма слабонелинейного взаимодействия малоамплитудных нестационарных мод неустойчивости поперечного течения пограничного слоя 35-градусного скользящего крыла со стационарными вихрями неустойчивости поперечного течения. В исследуемом потоке доминирует неустойчивость поперечного течения, а неустойчивость Толлмиена - Шлихтинга подавлена благоприятным градиентом давления. Стационарные возмущения большой амплитуды (до 20 % в конце области измерений) возбуждаются элементом шероховатости поверхности. Контролируемые нестационарные возмущения малой амплитуды генерируются в пограничном слое источником возмущений, расположенным выше по потоку от элемента шероховатости. Их амплитуда в основной области взаимодействия не превышает 1 %. Источник возбуждает квазидвумерные (однородные по размаху) волны на низких частотах, соответствующих области первичной неустойчивости поперечного течения. Результаты термоанемометрических измерений показали, что характеристики среднего потока, а также стационарных и нестационарных возмущений не зависят от амплитуды последних. Развитие же нестационарных возмущений очень сильно зависит от присутствия вихрей. Возбуждаемые квазидвумерные волны неустойчивости очень быстро затухают вниз по потоку, а формирующиеся и нарастающие (в определенном диапазоне поперечных волновых чисел) стационарные вихри преобразуют квазидвумерные волны в сильно трехмерные с поперечно-волновым спектром, соответствующим наиболее нарастающим модам неустойчивости поперечного течения. Эта трансформация происходит не локально в ближнем поле неровности поверхности, а распределена в направлении потока. Нарастание амплитуд стационарных возмущений является почти экспоненциальным с зависимостью инкрементов от поперечного волнового числа характерной для мод неустойчивости поперечного течения. В то время как нарастание амплитуд нестационарных мод имеет более сложный, иногда немонотонный характер ввиду их нелинейного взаимодействия. Найдено, что в нормальной потоку и стенке плоскости амплитуды нестационарных возмущений всех частот сильно локализованы в областях высоких величин градиента средней скорости потока по размаху модели. Предложен существенно трехмерный физический механизм слабонелинейной трансформации квазидвумерных волновых возмущений в трехмерные высокоамплитудными стационарными вихрями неустойчивости, аналогичный подъемному (lift-up) эффекту, предложенному ранее для объяснения роста полосчатых структур в двумерных пограничных слоях.

Представлены результаты экспериментальных исследований структуры закрученного потока за лопаточным завихрителем в гладкой трубе при числе Рейнольдса осевого течения, изменяющемся в диапазоне Re = 240 - 1640. Проанализировано изменение степени закрутки потока по длине трубы в зависимости от числа Рейнольдса. Выявлены основные закономерности эволюции профилей продольной и окружной компонент скорости потока и распределения среднеквадратичных пульсаций продольной компоненты скорости при увеличении расстояния от завихрителя. Показано, что при Re = 1640 в трубе развивается неустойчивость течения, которая является следствием формирования области возвратного течения на оси трубы в непосредственной близости от завихрителя. Проанализировано влияние закрутки потока на появление признаков локального ламинарно-турбулентного перехода в окрестности оси трубы и вблизи ее стенки: резкий рост среднеквадратичных пульсаций скорости с увеличением числа Рейнольдса и появление перемежаемости в осциллограммах скорости потока. Установлено, что в пристеночной области локальная турбулизация потока вызвана взаимодействием со стенкой следов за лопатками завихрителя.

Путем численного и экспериментального моделирования изучено влияние отношения массовых расходов входных потоков дистиллированной воды на эффективность смешения жидкостей внутри T-микроканала. Верификация модели выполнялась путем сопоставления результатов расчета с экспериментальными данными. Для измерения скоростных характеристик потока в работе применялся метод цифровой трассерной визуализации с высоким пространственным разрешением. С помощью компьютерного моделирования получена и описана структура потока и динамика изменения картины течения при неравных массовых расходах. Показана возможность увеличения эффективности перемешивания жидкостей путем варьирования соотношения массовых расходов.

Рассмотрены методические вопросы, относящиеся к исследованиям ламинарно-турбулентного перехода в дозвуковых пограничных слоях с помощью видеосъемки в инфракрасном диапазоне. Предложен способ оценки трения на стенке на основе анализа хода температуры предварительно подогретой поверхности модели. Предложен усовершенствованный метод нахождения линий начала и завершения перехода.

Рассмотрена возможность управления строением фторполимерного покрытия путем разбавления газа-предшественника инертным газом при синтезе методом осаждения из газовой фазы, активированной горячим проволочным катализатором (Hot Wire CVD). Показано, что разбавление газа-предшественника существенно влияет на строение формируемого покрытия, что приводит к изменению его смачиваемости и скорости роста формируемого покрытия.

Динамика снарядного режима течения несмешивающихся жидкостей остается не до конца изученной из-за сложного влияния геометрии канала и свойств рабочих жидкостей. Наличие поверхностно-активных веществ (ПАВ) в системе дополнительно усложняет проблему. В работе исследуется влияние водного раствора ПАВ Tween 20 на динамику снарядного режима в криволинейном микроканале. Рассмотрены случаи с концентрацией ПАВ ниже и выше критической концентрации мицеллообразования. Построены карты режимов и выделено три режима диспергирования водной фазы. Показано, что увеличение концентрации ПАВ приводит к стабилизации межфазной поверхности снарядов в прямых участках, при этом увеличивается вероятность распада снарядов в криволинейных участках из-за пониженного межфазного натяжения и интенсивного перемешивания ПАВ внутри снарядов. Выявлено определяющее влияние значения концентрации ПАВ относительно критической концентрации мицеллообразования на динамику процессов отрыва микрокапель в прямых и искривленных участках канала.

В работе представлены экспериментальные результаты по воздействию слабых ударных волн на развитие контролируемых возмущений в сверхзвуковом пограничном слое плоской пластины при числе Маха 2,0, полученные с помощью измерений, выполненных термоанемометром постоянного сопротивления. Двумерная неровность поверхности размером 150×7×0,13 мм, установленная на боковой стенке рабочей части аэродинамической трубы Т-325 ИТПМ СО РАН, создавала пару слабых ударных волн в набегающем потоке. Контролируемые возмущения вводились в поток высокочастотным тлеющим разрядом в камере внутри модели. Взаимодействие пары слабых ударных волн с передней кромкой пластины формировало стационарный след в пограничном слое, в котором происходило развитие контролируемых пульсаций. В работе изучен слабонелинейный режим эволюции контролируемых возмущений в условиях искаженного следом и однородного пограничных слоев плоской пластины. Выполнен анализ волновых характеристик возмущений. Предложен новый способ оценки дисперсионного соотношения. Проведено сравнение экспериментальных данных с результатами расчетов. Численные расчеты выполнены по линейной теории устойчивости в условиях однородного пограничного слоя.

В работе представлены результаты исследования горения метана и аммиака при разбавлении водородом. Определено влияние добавки водорода на физико-химические характеристики, условия проскока пламени и границы устойчивого горения в широком диапазоне по коэффициенту избытка топлива (от бедных до богатых смесей).

В работе представлены результаты экспериментального исследования поперечного сверхзвукового обтекания цилиндрического тела. Визуализация формирующейся сложной структуры течения получена с использованием теневого метода и путем введения частиц в поток. Экспериментально рассмотрены случаи классического поперечного обтекания цилиндра, а также обтекание при наличии выдува газовой струи с поверхности этого цилиндра. Исследовано несколько вариантов расположения отверстия выдува по окружности в среднем сечении цилиндра (с относительным удлинением цилиндра λ = 3,2). Описано влияние расположения отверстия выдува на структуру течения, возникающую при сверхзвуковом взаимодействии набегающего потока и струи. По результатам проведенной работы получены новые экспериментальные данные о структуре течения при сверхзвуковом взаимодействии набегающего потока и струи для различных положений отверстия выдува, приведены описание картин течения и их анализ.

В работе описывается метод получения пленок нитрида титана методом магнетронного распыления в разряде с малым анодом, в результате использования которого синтезированные пленки имеют меньшую плотность, чем пленки, синтезированные с помощью стандартного метода магнетронного распыления. Образованные покрытия также подвергались отжигу в кислородсодержащей и азотной атмосфере. Для пленок изучены вольт-амперные характеристики магнетронного разряда и малого анода, проведены сканирующая электронная микроскопия, рентгенофазовый анализ, резистометрия и спектральные измерения оптического пропускания. Исследования показали, что образцы, синтезированные с анодом, по сравнению с образцами, синтезированными без анода, имеют большую толщину, меньший размер кристаллитов, меньшую прозрачность и запрещенную зону, а также большее сопротивление, что с учетом незначительного изменения режима работы магнетрона свидетельствует об уменьшении плотности пленок.

Рассматривается расчетно-экспериментальный метод определения термоэрозионных характеристик теплозащитных покрытий в условиях их штатной эксплуатации в составе конструкции ракетного блока аварийного спасения (РБАС). Проведен газодинамический расчет течения струй продуктов сгорания двигательных установок РБАС с применением средств численного моделирования. На основе полученных данных определено распределение плотности теплового потока по поверхности корпуса. Описаны условия проведения огневых испытаний теплозащитных материалов. Для воспроизведения штатных условий работы использована газодинамическая труба. По результатам испытаний рассчитаны количественные характеристики термоэрозионной стойкости материалов с учетом поправки, принимающей во внимание период нестационарного прогрева материала.

Изучение основных процессов, происходящих при механохимическом получении и последующем сжигании композитного порошкового топлива, состоящего из угля и отходов деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности и сельского хозяйства, является очень перспективным. Механизмы горения композитных частиц порошкового топлива из лигноцеллюлозы и угля недостаточно исследованы. В представленной работе рассматриваются процессы воспламенения и факельного сжигания образцов композитного топлива и смесей, полученных из опилок и антрацита.

В работе с помощью методов численного моделирования проведено исследование процессов взаимодействия воздушных высокотемпературных струй в камере смешения трехструйного плазмохимического реактора прямоточного типа. Получены трехмерные распределения скорости и температуры газа внутри камеры смешения, локализованы области циркуляции течений, определены пространственные распределения температуры на внутренней поверхности реактора. Получены данные о тепловой нагрузке на внутренние стенки камеры смешения в зависимости от наличия или отсутствия теплозащитного покрытия на внутренних стенках. Указанный подход может быть использован для численного моделирования многоструйных реакторов различной компоновки и назначения.

Методом просвечивания образца узким пучком гамма-излучения впервые исследованы плотность и тепловое расширение жидкого сплава рубидий - свинец, содержащего 50 ат. % Pb, в интервале температур от ликвидуса до ~1000 K. Установлено, что мольный объем расплава Rb₅₀Pb₅₀ на 30 % меньше мольного объема идеального раствора того же состава. Температурная зависимость плотности расплава является сильно нелинейной, в результате чего объемный коэффициент теплового расширения уменьшается более чем в 1,5 раза при увеличении температуры от 864 до 1010 K. На основе современных представлений о структуре жидкометаллических систем с частично ионным характером межатомного взаимодействия кратко анализируются особенности поведения термических свойств жидкого сплава.