Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2026 номер 4

В обзоре обобщены результаты недавних экспериментальных исследований диффузионного горения водородных микроструй. Рассмотрено влияние геометрии сопла, профиля и скорости истечения струй, а также гравитационных факторов на структуру пламени. Отдельное внимание уделено горению водородных смесей и механизмам взаимодействия круглой сверхзвуковой воздушной струи с соосным (спутным) потоком водорода.

В работе экспериментально исследовано влияние температуры кремниевой подложки и концентрации наножидкости диоксида титана (TiO₂) на динамику трехфазной контактной линии и морфологию осадков, формирующихся при испарении капель. Наножидкость получена методом импульсной лазерной абляции в жидкости. Рассмотрены массовые концентрации 8.7·10^-4 масс. % и 2.1·10^-3 масс. % при температурах подложки от 80 до 140 °C. Установлено, что добавка наночастиц TiO₂ увеличивает продолжительность стадии пиннинга трехфазной контактной линии. Вследствие этого диаметр контактной линии изменяется ступенчато, что приводит к формированию концентрических кольцевых структур осажденного материала с характерным шагом. При температурах поверхности 80 и 100 °C доминирует радиальный капиллярный перенос с формированием «кофейного кольца». Повышение температуры поверхности до 120 °C инициирует пузырьковое кипение, расширяющее область осаждения, тогда как при 140 °C развитое пузырьковое кипение нарушает устойчивый перенос частиц и приводит к перераспределению осадка.

На основе системы взаимосогласованных уравнений, включающей уравнения для давления и плотности насыщенного пара, плотности насыщенной жидкости, «кажущейся» теплоты парообразования, описана линия фазового равновесия ртути в диапазоне температур от тройной точки до критической. Уравнение линии упругости в рамках предложенного подхода удовлеворяет требованиям масштабной теории критической точки, а линия насыщения разработана с привлечением уравнения Клапейрона - Клаузиуса, среднего диаметра и параметра порядка ренормализационной группы. Все перечисленные уравнения согласованы по критическим индексам и параметрам. В рамках предложенной модели линии фазового равновесия ртути все компоненты уравнений, описывающие паровую и жидкостную ветви кривой сосуществования, имеют показатели степени, которые рассчитаны с привлечением теории скейлинга. Предложенная система взаимосогласованных уравнений передает экспериментальные данные о давлении насыщенного пара, плотности насыщенных пара и жидкости с меньшей неопределенностью, чем уравнения Фокина Л.Р. и др. (2011), Апфельбаума E.M. и Воробьева В.С. (2015), включая опытные данные о давлении насыщенного пара (Schönherr G., Hensel F., 1981) и плотности на линии насыщения (Кожевников В.Ф. и др., 1991), относящиеся к широкой окрестности критической точки.

В настоящей работе систематизированы современные данные о вакуумной дезинтеграции материалов различной природы - от золотоносных глинистых пород до биополимеров и фармацевтических субстанций. Экспериментально и теоретически показано, что эти процессы подчиняются единому физическому принципу: неравновесному фазовому переходу капиллярно или химически связанной воды при быстром снижении окружающего давления. Выделены четыре доминирующих механизма разрушения (дегазационное трещинообразование, сублимационная фрагментация, термоградиентное трещинообразование, капиллярная кавитация) и приведены порядковые оценки возникающих напряжений. Введен безразмерный критерий режима, определяющий тип дезинтеграции независимо от конкретного материала. Показано существование оптимума начальной влажности (20 - 25 % - для глин, 10 - 15 % - для крахмала). Приведены примеры промышленной реализации в фармацевтике, пищевой индустрии, для экологической инженерии вакуумного выщелачивания почв; обсуждаются перспективы применения метода для различных технологических цепочек.

Представлены результаты экспериментального исследования волновых характеристик пленки хладагента R1233zd(E), стекающей по вертикальной плоской поверхности. Опыты проводились в условиях насыщения при температуре 26.7 °C и абсолютном давлении около 1.4 бар. Исследованные пленочные числа Рейнольдса Re_пл = 520, 1040 и 1560 соответствуют ламинарно-волновому режиму течения. С использованием высокоскоростной видеорегистрации определялись длина, фазовая скорость и частота прохождения крупных трехмерных волн. Показано, что с увеличением расхода жидкости длина крупных волн уменьшается, тогда как их фазовая скорость и частота прохождения возрастают. Измеренные фазовые скорости сопоставлены с экспериментальными данными для пленки жидкого азота и с расчетными оценками по аппроксимационной зависимости Холпанова - Шкадова и корреляции Носоко и др. Показано, что зависимость Холпанова - Шкадова существенно завышает фазовую скорость крупных волн, тогда как корреляция Носоко и др. лучше передает порядок величин, но при этом дает заниженную оценку.

Эффективное управление тепловым режимом в современной компактной электронике требует использования поверхностей с контролируемой смачиваемостью и высокой капиллярной способностью. Несмотря на то, что лазерно-текстурированный кремний широко изучается с точки зрения его оптического отклика, смачивающие свойства этого материала и характеристики капиллярного транспорта остаются исследованными в меньшей степени. В представленной работе кремниевые пластины обрабатывались наносекундным Nd:YAG-лазером для получения двух типов текстурированных поверхностей: GraySi и BlackSi. Микроструктуры анализировались с точки зрения морфологии, смачиваемости и капиллярной способности с использованием числа впитываемости Wi . Поверхность BlackSi продемонстрировала значительно более высокую капиллярную способность ( Wi = 2.3) по сравнению с GraySi ( Wi = 1.3). Исследование поведения испаряющихся капель воды показало, что лазерное текстурирование сокращает время испарения за счет повышения гидрофильности и, что особенно важно, изменяет режим испарения: на поверхности BlackSi сохранялся режим постоянного радиуса контактной линии, тогда как на поверхности GraySi наблюдался переход к смешанному режиму.

Представлены результаты математического моделирования структуры течения, характеристик турбулентности и теплообмена в конвективной колонке, возникающей при низовом лесном пожаре. Проведен детальный анализ распределений температуры, вертикальной скорости и турбулентной кинетической энергии по высоте колонки. Получены регрессионные зависимости для изменения с высотой скорости и температуры на оси конвективной колонки.

Работа посвящена исследованию зависимости процесса кипения на пористом нагревателе от силы гравитации с помощью численной гибридной модели на основе метода решеточных уравнений Больцмана и уравнения переноса тепла. Для проверки модели сначала исследовалась динамика роста и отрыва одиночного пузыря при кипении на одиночном плоском нагревателе при различных величинах ускорения свободного падения (от 0.2 g до нормального g ). Полученные зависимости отрывного диаметра, частоты отрыва и усредненного теплового потока от силы гравитации подтвердили качественное соответствие с литературными данными. В результате моделирования процесса кипения на пористом нагревателе с упорядоченной структурой твердых теплопроводящих прямоугольных элементов были получены кривые кипения и зависимости коэффициента деградации теплообмена от теплового напора для различных значений ускорения свободного падения. Показано, что с уменьшением гравитации отводимый с пористого нагревателя тепловой поток уменьшается во всей области тепловых напоров, а кризис кипения начинается при меньшем тепловом напоре.

В статье проводится численное обоснование и экспериментальная верификация условий формирования квазиплоского детонационного фронта в импульсно-детонационной форкамере. Форкамера предназначена для одновременного поджига высокоскоростного потока топливно-воздушной смеси в широком канале прямоугольного сечения по всей площади проточной части канала, что позволяет отказаться от сложной синхронизации отдельных источников зажигания. В работе реализован комплексный подход, сочетающий двухстадийное численное моделирование и натурный эксперимент. По результатам расчетов определены оптимальные геометрические параметры плоской детонационной форкамеры (ПДФ), смесительного коллектора и Т-образной трубки-предетонатора, а также найдены режимные характеристики газоподачи для стехиометрической метано-кислородной смеси, используемой в качестве рабочего тела для зажигания. На основе полученных данных создан экспериментальный стенд с системой раздельной подачи компонентов и матрицей ионизационных зондов для диагностики волновых процессов. В ходе исследований продемонстрирована высокая сходимость расчетных и экспериментальных результатов для одного детонационного импульса. Установлена инвариантность квазиплоской формы фронта детонационной волны в ПДФ к процессу предварительного наполнения тракта горючей смесью. На основе анализа хронограмм установлена природа локальных пиков измеряемой скорости фронта (до 3500 м/с), превышающих термодинамическую скорость детонации Чепмена - Жуге (2380 м/с), за счет проявления геометрического эффекта кажущейся фазовой скорости. Разработанные подходы и конструктивные решения представляют практический интерес для прикладной газодинамики горения и проектирования перспективных воздушно-реактивных двигателей.

Методом просвечивания образцов узким пучком гамма-излучения впервые измерена плотность жидких сплавов рубидий - свинец, содержащих 40, 45, 55 и 60 ат. % Pb, в интервале температур от ликвидуса до ~1000 K. На основании полученных результатов, а также данных для расплава Rb₅₀Pb₅₀, исследованного авторами ранее, построены концентрационные зависимости молярного объема, относительного избыточного молярного объема и объемного коэффициента теплового расширения для жидкой системы Rb - Pb. Эти зависимости сильно отклоняются от соответствующих зависимостей для идеальных растворов, что подтверждает тенденцию к образованию химического ближнего порядка в жидком состоянии.

В работе представлены результаты верификации и валидации расчетной методики для моделирования двухфазных несмешивающихся потоков неньютоновских жидкотсей в пористых средах с разрешением границы раздела. Математическая модель основана на решении уравнений Навье - Стокса в рамках известного метода Volume of Fluid с учетом сил межфазного натяжения и реологии флюидов с помощью нелинейной модели вязкопластических сред на основе подхода обобщенной вязкости. Приведены результаты тестирования разработанной расчетной методики, полученные на задачах вытеснения модельных углеводородов раствором биополимера ксантановой камеди из микрофлюидного чипа, имитирующего пористую среду, и цифровой модели реального керна с разрешением 200×200×200 вокселей. Приведено сопоставление результатов расчетов с данными микрофлюидного эксперимента и расчетами, выполненными с помощью CFD-кода Ansys Fluent. Тестирование показало, что результаты численного моделирования полимерного заводнения, полученные с помощью разработанной численной методики, качественно и количественно хорошо согласуются с данными микрофлюидных экспериментов и численными решениями, получаемыми с помощью Ansys Fluent.

В рамках работ по внедрению люминесцентных преобразователей давления (ЛПД) в арсенал используемых методов экспериментальной диагностики проведено численное моделирование течения в газодинамическом тракте аэродинамической установки применительно к задаче анализа ближнего поля звукового удара. Определены ожидаемые уровни давления от тестовой модели на поверхности прямой и искривленных измерительных пластин, являющихся подложкой для нанесения ЛПД. Показано, что изогнутая пластина обеспечивает увеличенную площадь измерительной базы относительно плоской пластины, однако последняя дает меньшую погрешность измерений.

В настоящей работе представлены результаты предварительного моделирования вероятности осаждения капель с учетом индивидуальных анатомо-физиологических особенностей пациента и температуры поверхности тела. Математический аппарат для численного моделирования включает систему дифференциальных уравнений неразрывности, энергии, движения несущей и дисперсной фазы (аэрозоля). Установлено, что повышение температуры поверхности тела с 36.6 до 39 °С увеличивает скорость испарения аэрозолей не более чем на 5 %, уменьшая их диаметр и перераспределяя осаждение между главными бронхами. Показано, что физиологическое строение трахеобронхиального дерева (ТБД) критически влияет на асимметрию осаждения: для конфигураций с выраженной анатомической асимметрией разница в осаждении между правым и левым бронхом достигает 60 - 80 %, тогда как для симметричной конфигурации она не превышает 10 %. Полученные результаты обосновывают необходимость персонализации ингаляционной терапии на основе учета температуры поверхности тела и индивидуальной анатомии пациента, что открывает возможности для повышения эффективности лечения бронхолегочных заболеваний.

Экспериментально исследованы процессы формирования и сортировки микрокапель в массиве детерминированного бокового смещения (DLD) в потоках несмешивающихся жидкостей. Показано, что при движении крупных снарядов дисперсной фазы вдоль DLD-массива происходит отрыв дочерних микрокапель по механизму, демонстрирующему сходство с режимом tip-streaming. Установлено, что микрокапли преимущественно следуют линиям тока и распределяются между выходными каналами DLD-чипа, тогда как крупные снаряды движутся вдоль траекторий смещения, определяемых геометрией массива. Полученные результаты демонстрируют перспективность использования DLD-массивов для одновременного формирования и сортировки микрокапель.

В работе применен метод нейросуррогатной оптимизации для уточнения скелетного химико-кинетического механизма KCPsur, предсказывающего скорость горения модельного 4-х компонентного суррогатного авиационного топлива SU4 (смесь н-декана, изоцетана, метилциклогексана и тетралина). Многослойный перцептрон, обученный на 34 вариациях 5-и предэкспоненциальных множителей констант скоростей химических реакций, имеющих наибольший коэффициент чувствительности ламинарной скорости горения (flow rate A-factor sensitivity) в 27 контрольных точках, использовался взамен времязатратных расчетов скорости распространения ламинарных пламен в пакете программ CHEMKIN. Для оптимизации констант скоростей выбранных реакций, ответственных за превращение тетралина, применялся метод градиентного спуска, что позволило получить уточненный механизм KCPsur_neural. Новая химико-кинетическая модель более точно описывает скорость распространения ламинарного пламени (LBV) смесей керосина с воздухом в бедных и околостехиометрических условиях ( φ = 0.70 - 1.05) при давлениях до 8 атм, превосходя по точности исходный KCPsur и, в некоторых случаях, детальный механизм CRECK. Важной особенностью KCPsur_neural является его способность корректно описывать профили концентраций ряда важных интермедиатов в пламени смеси SU4/O₂/Ar, что указывает на слабое влияние констант скоростей уточненных реакций на структуру изученных пламен. Это открывает возможность использования в дальнейшем двух независимых нейросуррогатных моделей для оптимизации механизмов горения топлив: одной - для их оптимизации в отношении LBV, другой - для описания структуры пламени с формированием отдельных обучающих выборок меньшей суммарной размерности. Показано, что предложенный подход обеспечивает ускорение оптимизации констант скоростей реакций примерно в 10⁶ раз при использовании ограниченной обучающей выборки. Результаты демонстрируют высокую эффективность использования машинного обучения для преодоления ригидности сокращенных моделей горения и расширения их применимости до условий, релевантных для камер сгорания авиационных двигателей. Гражданская авиация представляет собой один из ключевых секторов мировой экономики, демонстрирующий устойчивый среднегодовой темп прироста на уровне 5 - 10 % [1]. Согласно данным международных организаций, совокупная доля выбросов парниковых газов, приходящаяся на авиацион

Проведено численное исследование динамики ударных волн в дальнем поле от тонкого тела вращения с диском. Диск размещен перед телом под углом к набегающему потоку воздуха. Показана возможность уменьшения интенсивности ударных волн в дальнем поле. Увеличение скорости набегающего потока уменьшает диапазон изменения углов наклона диска, в котором можно добиться снижения интенсивности ударных волн.