Главная – Журналы – Поиск по журналам

Цель работы - исследование газодинамической структуры сверхзвуковой недорасширенной струи в присутствии жидкого спрея применительно к тематике газожидкостных форсунок. Для регистрации волновой структуры струи используются методы теневой и АВТ-визуализации (адаптивным визуализирующим транспарантом). Для измерения скорости спрея, а также определения его концентрации и дисперсности применяется лазерный доплеровский анемометр (ЛДА). Установлено качественное отличие течения в двухфазном ядре от течения в газовой струе, изучена трансформация диска Маха в широком диапазоне режимов по газу и расходов жидкости. Показана решающая роль градиентного участка струи в области диска Маха в процессе диспергирования жидкости.

Проведены эксперименты исследования, цель которых состоит в оценке влияния двух противостоящих выемок, нанесенных на расширяющуюся часть сверхзвукового сопла, для трех значений относительного давления в сопле (NPR), равных 3,6, 5,5, 7,2. Сравнение выполнялось относительно струи, истекающей из осесимметричного сопла без выемок. Данные получены для расчетного числа Маха, равного 1,8, и при отношении площадей сопла 1,44. Также получены данные о распределениях давления, измеренного с помощью трубки Пито, вдоль оси сопла и в радиальном направлении для трех осевых координат ( x ¢ = 1, 3, 5, 8). Разработаны эмпирические соотношения для определения длины интервалов, соответствующих различным областям уменьшения давления вдоль оси x . В качестве параметра для определения влияния выемок на сопле на характеристики затухания струи использовалась эффективность выемок. Картина струйного течения из сопла с выемками существенно отличается от течения из обычного круглого сопла. При этом влияние выемок более заметно для случаев недорасширенного режима истечения струи, чем для перерасширенного режима течения. При регистрации ударно-волновых структур с помощью шлирен-метода визуализации в струях при различных NPR установлено, что струя из сопла с выемками сильно деформируется. Для описания характеристик затухания струи вводятся параметры характерных расстояний уменьшения давления на 50 и 90 % (давление измерено вдоль оси струи). Для случая истечения струи из сопла с выемками наблюдается существенное уменьшение величины пространственных флуктуаций давления и сокращение длины сверхзвукового ядра.

Исследована динамика формирования струи водного флюида сверхкритических параметров состояния, истекающей из сосуда высокого давления через тонкое сопло. Численное моделирование процесса истечения проведено с использованием системы уравнений газопарожидкостной смеси, включающей законы сохранения массы, импульса и энергии фаз в соответствии с однодавленческим, односкоростным и двухтемпературным приближениями с учетом контактного теплообмена и массообменных процессов испарения и конденсации в условиях равновесного состояния с применением модифицированного решателя reactingTwoPhaseEulerFoam открытого пакета OpenFOAM. Показан процесс формирования висячего скачка уплотнения в сверхзвуковой вскипающей струе с образованием диска Маха. Установлено, что процесс истечения сопровождается формированием вихревых зон вблизи оси симметрии, приводящих к возникновению периодических пульсаций давления и массовой скорости внутри струи, которые в дальнейшем приводят к образованию серии акустических волновых импульсов, предшествующих основному струйному течению. Приведено обоснование достоверности рассматриваемого численного метода, реализованного с применением решателя пакета OpenFOAM, путем сравнения численного и аналитического решений задачи Л.И. Седова о точечном взрыве в двухфазной газокапельной смеси в случае плоской геометрии. Представлены результаты сравнительного анализа численного решения и экспериментальной фотографии сверхзвуковой струи азота при истечении через цилиндрическое сопло из резервуара высокого давления. Полученные с применением пакета OpenFOAM численные результаты имеют удовлетворительное согласование с аналитическим решением и экспериментом.

Работа теплообменников с поперечными потоками для охлаждения цилиндров требует стабильной спутной струи за цилиндром для минимизации гидродинамического сопротивления, что обычно уменьшает эффектность теплообмена. Данная задача решается с помощью пассивного управления спутной струей в ламинарном потоке вокруг цилиндра: это достигается с помощью волнистой геометрии стенок канала. Влияние такой геометрии на теплообмен и сопротивление потоку изучалось для широких интервалов чисел Рейнольдса (Re = 20 - 200), параметра загромождения потока ( b = 0,5 - 0,8) и числа Прандтля (Pr = 0,25 - 100). Для указанных интервалов входных параметров было показано, что сопротивление потоку в случае канала с волнистыми стенками снижается минимум на ~ 36 % и максимум на ~ 95 % при соответствующей потере на ~ 8 % и ~ 40 % в эффективности теплообмена по сравнению с каналом с плоскими стенками. Гидродинамическая и теплофизическая эффективность потока в канале с волнистой геометрией по сравнению с плоской геометрией при параметре Pr = 0,744 усиливается на ~ 14 % для канала с b = 0,5 и на ~ 160 % для b = 0,9. Увеличение эффективности за счет волнистой геометрии обеспечивает правильный выбор между понижением гидродинамического сопротивления и снижением теплообмена.

Рассматриваются вопросы взаимодействия газодинамики и горения с использованием известной базы опытных данных о пограничном слое с горением этанола. Газодинамика представлена линиями тока, горение - изотермами. Исследуется влияние повышенной степени турбулентности воздуха (до 18 %), ускорения в сужающемся канале, влияние высоты ребра-стабилизатора пламени (3 и 6 мм) на структуру течения в отдельных сечениях и в пограничном слое в целом. Показано, что непосредственно за преградой, где проявляются признаки кинетического реагирования газовой смеси, линии тока пересекаются, а при горении в сужающемся канале с низкой турбулентностью воздуха изотермы и линии тока становятся эквидистантными вблизи фронта пламени, как в случае диффузионного реагирования. Массообмен на поверхности жидкого горючего остается консервативным к изменению газодинамических параметров воздушного потока.

В работе исследуется влияние продольной кривизны стенки на эффективность пленочного охлаждения, осуществляемого путем впрыскивания жидкости через один ряд цилиндрических отверстий. Рассматриваются четыре различных случая, обусловленные изменением высоты продольной кривизны. Распределение эффективности пленочного охлаждения представлено для нескольких параметров вдува. Численное моделирование проводится с использованием пакета ANSYS CFX. Турбулентность аппроксимируется моделью переноса напряжения сдвига (SST). Выполнено сравнение численных результатов с экспериментальными данными.

Проанализирована динамика таксационных показателей, отпада и прироста древесины 35-летних разногустотных культур сосны обыкновенной ( Рinus sylvestris L.), созданных в 1982 г. сотрудниками Института леса им. В. Н. Сукачева СО РАН под руководством А. И. Бузыкина на бывших сельскохозяйственных землях в Большемуртинском районе Красноярского края. Начальная густота культур варьировала в широком диапазоне (от 0.5 до 128.0 тыс. шт./га). Дана оценка влияния густоты деревьев на рост и продуктивность молодых насаждений сосны в возрасте 2, 5, 12, 15, 20, 25, 30 и 35 лет. Установлено, что уже с 5-летнего возраста наблюдается процесс интенсивного самоизреживания деревьев, при начальной густоте посадки 90.0 тыс. шт./га к возрасту 35 лет она уменьшилась до 10 тыс. шт./га. При густоте посадки менее 10 тыс. шт./га интенсивность самоизреживания существенно ниже и густота культур за аналогичный период уменьшилась менее чем в 2 раза. Показано, что на начальном этапе роста древостоев наблюдается увеличение прироста с начальной густотой посадки, с выходом на плато при густоте свыше 70.0 тыс. шт./га. С возрастом выход прироста на плато отмечается при меньшей густоте начальной посадки. Через 20 лет максимальный прирост наблюдался в вариантах посадки с начальной густотой от 50.0 до 70.0 тыс. шт./га, к 30 годам он сместился к диапазону густоты от 30.0 до 50.0 тыс. шт./га. Установлена зависимость между текущим ежегодным приростом, возрастом сосновых культур, начальной густотой посадки и текущей густотой насаждений. В целом прослеживается тенденция увеличения прироста с возрастом, однако для культур с начальной густотой посадки свыше 90 тыс. шт./га в возрастном интервале от 15 до 22 лет отмечается снижение текущего прироста, что, очевидно, связано с усилением конкурентных отношений в ценозе. Затем в результате снижения конкуренции вследствие самоизреживания перегущенных культур их прирост стал повышаться, однако темпы его роста отставали от таковых у культур с меньшей густотой начальной посадки. Таким образом, можно предположить, что высокие темпы депонирования углерода на начальном этапе создания культур повышенной густоты могут сохраняться при условии периодических уходов регулирующих густоту насаждений.

Представлены результаты формирования в Красноярской лесостепи насаждений из перегущенных 15-летних сосновых молодняков (первоначальная густота деревьев 35.6 тыс. шт./га) посредством проведения целевой рубки, направленной на снижение их густоты и сохранение в трех ценозах только деревьев определенного ценотического положения (господствующие, согосподствующие и угнетенные), с целью получения информации о возможном выравнивании таксационных показателей в процессе их роста. Установлено, что господствующие деревья сосны обыкновенной ( Pinus sylvestris L.) после проведения рубки имели густоту 4.3 тыс. шт./га, характеризовались наилучшими показателями роста (средняя высота и средний диаметр) и сохранили эту тенденцию на протяжении всего периода наблюдений. Через 7 лет их средний диаметр увеличился с 4.8 ± 0.1 до 9.4 ± 0.2 см, средняя высота - с 4.8 ± 0.1 до 8.1 ± 0.1 м, стволовой запас древесины - с 28.31 до 141.63 м³/га, относительная полнота - с 0.51 до 1.27. Густота согосподствующих деревьев после рубки снизилась до 6.6 тыс. шт./га, средний диаметр увеличился с 2.3 ± 0.1 до 6.1 ± 0.1 см, средняя высота увеличилась с 3.4 ± 0.1 до 5.7 ± 0.1 м, стволовой запас - с 7.92 до 60.06 м³/га, относительная полнота насаждения - в 3.7 раза (1.00). Угнетенные деревья после проведения рубки проходили долгий (1-2-летний) период адаптации, имели диспропорциональный рост в высоту и сниженный по диаметру (относительная высота 244). Густота их после рубки уменьшилась до 6.3 тыс. шт./га, средний диаметр через 7 лет после рубки увеличился с 0.9 ± 0.1 до 4.2 ± 0.1 см, средняя высота - с 2.3 ± 0.1 до 3.8 ± 0.1 м, запас древесины - с 1.09 до 17.23 м³/га, относительная полнота - с 0.07 до 0.69.

Предложена имитационная модель роста сосновых древостоев, позволяющая в условиях конкуренции за доступный ресурс рассчитать прирост по диаметру ствола для каждого дерева на моделируемом участке, а также производные таксационные показатели: густоту, полноту, запас стволовой древесины, и отследить динамику всех этих показателей с шагом в один год с учетом взаимного расположения деревьев в древостое, их размеров и количество доступного ресурса для каждого дерева. Верификация модели выполнена с использованием материалов многолетних исследований на постоянных пробных площадях, заложенных в молодняках, средневозрастных и спелых древостоях. Рассмотрено несколько сценариев роста сосновых древостоев, изучено влияние рубок на средний диаметр ствола и прирост по диаметру; средний годовой прирост; густоту древостоя; запас стволовой древесины. Предложенная имитационная модель является эффективным инструментом изучения роста древостоев и служит альтернативой трудоемким натурным исследованиям, которые затруднительно реализовать на длительных временных интервалах. Моделирование позволяет изучить влияние рубок в лесах различного целевого назначения. Путем варьирования интенсивности и периодичности рубок при моделировании на основе анализа динамики основных таксационных показателей можно выбрать систему мероприятий по уходу за лесами, обеспечивающую наиболее полную реализацию задач по интенсивному лесовыращиванию.

Основой прогноза роста древостоев являются бонитетные шкалы. Расширение знаний о процессах функционирования лесных экосистем, характере изменений морфолого-таксационных показателей деревьев и древостоев, их взаимосвязей и взаимообусловленностей и создание более пригодного для описания биологических процессов математического аппарата и соответствующего программного обеспечения формируют предпосылки для постановки и решения проблемы прогноза роста древостоев на более высоком методическом уровне. Цель работы - дать оценку прогностической способности уравнений роста, полученных с использованием обобщенного алгебраического разностного подхода (GADA), для описания хода роста древостоев по средней высоте и построения бонитетной шкалы. Данными для исследования послужили общие таблицы хода роста полных (нормальных) сосновых древостоев Северной Евразии. В общей сложности анализируются 25 уравнений, полученных с помощью подхода GADA. Сравнительный анализ показал, что наилучшее качество выравнивания данных обеспечивает уравнение, основанное на функции Митчерлиха (известной также как Дракина - Вуевского, Чапмана - Ричардса) с заменой параметров, отвечающих за предельные значения высоты и форму кривой. Данная модель полиморфна, имеет форму сигмовидной кривой и переменные асимптоты, т. е. учитывает большинство предъявляемых свойств к моделям хода роста по высоте. Ошибки модели зависят от временного интервала прогнозирования и уровня производительности древостоя. С увеличением срока прогнозирования происходит увеличение ошибки. Для всех интервалов дальности прогноза получено значение средней абсолютной ошибки, не превышающее 2.01 %. Наибольшей средней абсолютной ошибкой прогноза (1.1-2.2 %) характеризуются крайние классы бонитета (I^b, V, V^a и V^b). Рассмотренная в исследовании методика может быть применена для разработки моделей хода роста таксационных показателей других лесообразующих пород России.