Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2023 номер 2

В работе приводятся результаты исследования влияния локализованной во времени и пространстве неоднородности набегающего потока на структуру следа за симметричным каплевидным профилем в диапазоне углов атаки от -20° до +20°. Показано, что при некоторых углах атаки наличие такой неоднородности приводит к подавлению процесса вихреобразования. Обнаружены диапазоны углов атаки, при которых структура следа остается неизменной.

Работа посвящена численному исследованию влияния инжекции инородного газа на устойчивость сжимаемого пограничного слоя на вогнутой поверхности. Расчет устойчивости выполнен в рамках локально-параллельной линейной теории устойчивости. Результаты расчетов для базового случая (без инжекции) показали, что вихри Гёртлера и вторая мода Мэка имеют наибольшие степени роста при исследуемых параметрах. Обнаружено, что инжекция тяжелого газа (относительно набегающего газа) приводит к увеличению степеней роста вихрей Гёртлера и второй моды Мэка, а инжекция легкого газа - к уменьшению степеней роста данных возмущений.

На основе измерений, выполненных с использованием метода фотовизуализации, в потоке аргона выявлено влияние крупных вандерваальсовых кластеров на поперечные размеры сверхзвуковой недорасширенной струи. В диапазоне средних размеров формируемых кластеров 330 < 〈S〉 < 6200 част./кл. предложена модель поправок к известным газодинамическим эмпирическим зависимостям, сформированным в отсутствие конденсированной фазы, учитывающая особенности истечения газов из сверхзвукового сопла в условиях развитой конденсации. Рассмотрены возможные причины уширения газовых потоков в условиях развитой конденсации. Проведена апробация модели поправок в потоках с развитой конденсацией на ряде сверхзвуковых конических сопел.

Выполнено экспериментальное исследование влияния радиуса притупления передней кромки пластины на отклик пограничного слоя при воздействии N-волны при числе Маха 2. В экспериментах использовалось три модели плоских пластин с радиусами притупления передней кромки r = 0,05, 0,5, 2,5 мм. Возмущения в набегающем потоке создавались с помощью генератора на боковой стенке рабочей части аэродинамической трубы Т-325 ИТПМ СО РАН. Получено, что в набегающем потоке за N-волной имеется протяженная область повышенного уровня пульсаций, в спектре которых амплитуда увеличивается как в низкочастотной, так и в высокочастотной частях по сравнению со случаем невозмущенного свободного потока. В условиях экспериментов показано, что порождаемая N-волной неоднородность течения может оказывать большее влияние на ламинарно-турбулентный переход в пограничном слое плоской пластины при увеличении радиуса притупления передней кромки.

На основе численного решения уравнений Навье-Стокса исследуется развитие неустойчивостей в сверхзвуковых изобарических струях, истекающих из сопел квадратного и прямоугольного сечений в спутный поток. Моделирование проводится при различных значениях чисел Маха струи и спутного потока. Результаты численных расчетов позволяют выявить качественные и количественные различия в развитии неустойчивости в случаях со сверхзвуковым и дозвуковым спутным потоком, а также характерные особенности течения для прямоугольных струй.

Представленная работа является продолжением цикла исследований авторов, направленных на изучение закономерностей горения жидких углеводородов в условиях подачи пара применительно к разработке низкоэмиссионных горелочных устройств. При численном моделировании горения дизельного топлива в качестве однокомпонентного аналога используется н-гептан (формула C₇H₁₆). Для верификации полученных результатов необходимы достоверные экспериментальные данные. В настоящей работе впервые экспериментально исследованы показатели горения н-гептана при распыле перегретым водяным паром в новом лабораторном атмосферном горелочном устройстве c принудительной подачей воздуха в камеру газогенерации. Проводится сопоставление результатов расчетов с данными по дизельному топливу. Выполненное сравнение показывает, что характер зависимостей газовых компонент внутри факела для дизеля и гептана отличается. Это связано в первую очередь с разной плотностью, вязкостью топлив, их воспламеняемостью и скоростью горения (зависящей, в том числе от принудительной подачи воздуха (окислителя)). При этом количественное сравнение показывает, что на границе факела значения газовых компонент довольно близки друг к другу. На состав конечных продуктов горения бóльшее влияние оказывает комплекс протекающих физико-химических процессов в присутствии пара (газификация, расщепление углеводородов, разбавление горючей смеси, образование активных радикалов OH), чем свойства топлива. Показано, что при сжигании н-гептана с распылением паровой струей сохраняются все основные особенности, характерные для горения дизеля с подачей водяного пара. Обеспечивается высокая полнота сгорания топлива и низкий уровень токсичных выбросов в атмосферу, удовлетворяющий европейскому нормативу EN:267. С увеличением доли пара в горючей смеси сохраняется тенденция к снижению CO и NO_x . Управление расходом воздуха в камере газогенерации горелки позволяет дополнительно регулировать уровень токсичных продуктов сгорания в атмосферу. Динамика зависимостей выбросов CO и NO_x повторяется для гептана и дизеля с некоторыми локальными отличиями. Также в работе выполнен анализ корректности применимости н - гептана для задач численного моделирования горения дизеля в струе пара с указанными допущениями.

Впервые проведены экспериментальные исследования по влиянию горения водорода в сверхзвуковом (число Маха М_е= 2) пограничном слое плоской пластины на ламинарно-турбулентный переход. Получено, что при инжекции (из обтекаемой модели) и горении водорода в определенном подслое пограничного слоя происходит его частичная стабилизация. Этот результат соответствует расчетным данным С.А. Гапонова, которые показали, что теплоподвод в сверхзвуковой пограничный слой способен замедлять рост возмущений, то есть может оказывать стабилизирующее воздействие на пограничный слой. Однако в целом, по сравнению со случаем без горения, при совместных процессах инжекции водорода и горения происходит дестабилизация сверхзвукового пограничного слоя (то есть дестабилизирующее влияние вдува водорода преобладает над стабилизирующим влиянием теплоподвода в пограничный слой).

Численно исследуется влияние параметров боковой струи на горение углеводородного топлива в осесимметричном канале при числе Маха 1,7. Струя подается в импульсно-периодическом режиме. Решаются осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса, замыкаемые k-ε моделью турбулентности. Горение топлива моделировалось с помощью одной реакции. Показано, что температура газогенератора для струи слабо влияет на ударно-волновую структуру потока. Определяющую роль играет давление, под которым подается боковая струя. Получена околозвуковая структура потока.

Проведено численное исследование неподвижного (висячего) снаряда Тейлора по условиям эксперимента с применением нестационарной модели k - ω SST (shear stress transport) турбулентности. Выполнен анализ режимных параметров течения жидкости и газа перед снарядом, в пленке жидкости, в снаряде и за ним. Показано хорошее совпадение результатов эксперимента и расчета для трения в пленке жидкости, а также для формы носика снаряда и толщины пленки.

Построена эволюционная интегральная модель для расчета толщины и расхода жидкости в турбулентно-волновой пленке, движущейся под действием силы тяжести и касательного напряжения трения газового потока. При выводе уравнений модели используются условно осредненные уравнения Навье-Стокса с турбулентной вязкостью, появляющейся при осреднении по высокочастотной (турбулентной) составляющей поля скорости. Описание турбулентной вязкости было предложено автором ранее в виде формулы с кубическим законом затухания в вязком подслое, с линейным поведением вдали от стенки и с учетом демпфирования турбулентности вблизи свободной поверхности пленки. Для линейных волн малой амплитуды выведено дисперсионное уравнение, дающее при малых числах Рейнольдса результаты, согласующиеся с известными расчетами по ламинарной интегральной модели.

Представленное исследование направлено на улучшение тепловой эффективности пленочного охлаждения путем размещения отверстия в V-образной поперечной траншее. Для его проведения одна из стенок поперечной траншеи была модифицирована путем добавления V-образного угла величиной 25°, 75° и 115°. Три полученных новых конструкции сравнивались по эффективности пристенной завесы с поперечной траншеей и обычным цилиндрическим отверстием (базовый случай). Основные параметры пленочного охлаждения, такие как тепловая эффективность охлаждения и общая потеря давления, исследовались при трех значениях параметра вдува: М = 0,5, 1,0 и 2,0. Таким образом, было изучено пятнадцать случаев с использованием уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу, и замыкаемой RNG k-ε- моделью турбулентности. Получено хорошее совпадение результатов CFD-расчетов с экспериментальными данными для базового случая. Показано, что использование вдува через отверстия как в поперечной траншее, так и в V-образной, повышает эффективность пленочного охлаждения. Применение V-образной траншеи способствует уменьшению размера противовращающихся вихрей (CRV) и, следовательно, повышает эффективность пленочного охлаждения. Поперечная траншея типа V2 является наиболее предпочтительной для повышения эффективности пленочного охлаждения и снижения общих потерь давления.

Разработана двумерная математическая модель регенеративного теплообменника для системы вентиляции с периодическим изменением направления потока воздуха. Такая система позволяет значительно экономить тепловую энергию для обогрева жилого помещения в зимний период. Результаты расчетов по двумерной модели сопоставляются с расчетами по одномерной модели и с экспериментальными данными. Сформулировано определение энергетической эффективности в терминах снижения потери тепловой энергии. Показано, что эффективность регенеративного теплообменника может быть больше 90 %. Методом численного моделирования проведено параметрическое исследование и определено влияние рабочих и конструктивных параметров теплообменника на энергетическую эффективность его работы. В численных расчетах выявлена группа параметров, которые наиболее сильно влияют на энергетическую эффективность системы вентиляции, и даны рекомендации по их оптимизации.

Рассматривается влияние размера капель воды, температуры и скорости обтекаемой струи сухого воздуха на интенсивность испарения. С помощью систематических исследований с использованием тепловизора показано, что температура межфазной границы спонтанно меняется. Предполагается, что неравномерность температуры на поверхности обусловлена выходом нанопузырьков пара и может быть охарактеризована их скоростью истечения. Получены эмпирические закономерности интенсивности выхода пузырьков из капли как в зависимости от времени и диаметра, так и в критериальной форме.

Работа посвящена экспериментальному исследованию газификации твердого уротропина при фильтрации через него высокотемпературного потока углекислого газа. Показано, что с увеличением температуры фильтрующегося газа с 650 до 920 K время газификации уротропина снижается, скорость газификации возрастает от 0,38 до 1,25 г/с, что приводит к увеличению потока продуктов газификации уротропина. Максимально достигнутое значение массы продуктов газификации уротропина составило 0,8 г на 1 г входящего газа. В интервале температур 480 - 530 K наблюдалась интенсивная газификация уротропина, при этом температура выходящих из реактора газообразных продуктов практически не менялась. Количество неконденсируемых газообразных продуктов газификации не превышало 1 мас. % от исходной массы образца.

Объектом экспериментального исследования является паровой пузырек, образованный в недогретой жидкости в результате поглощения лазерного излучения, передаваемого в рабочий объем посредством тонкого оптоволокна. Эволюция пузырька характеризуется его быстрым ростом и схлопыванием с генерацией горячей затопленной струи. Рассмотрены некоторые особенности исследуемого процесса применительно к области медицины. В качестве рабочей жидкости используется физраствор. Показано, что при тех же условиях (мощность излучения, диаметр оптоволокна и начальная температура жидкости) размеры, которых достигает образующийся в физрастворе паровой пузырек, значительно меньше, чем в чистой воде. Выявлено существенное влияние формы наконечника оптоволокна на характер исследуемого процесса.

Рассматривается СВЧ-обработка снежно-ледяной массы, этапами которой являются нагрев и плавление. Поиск базовых закономерностей указанных процессов, которые лежат в основе оптимизации последних, управления, проектирования и др., предваряет построение математических моделей и их реализация аналитическими либо численными методами. В представленной работе построена нелинейная математическая модель двухфазной задачи Стефана для слоистой системы диэлектриков, позволяющая учесть зависимости диэлектрической проницаемости и других параметров среды от температуры, а также от параметров источника СВЧ-излучения.

Тонкие пленки поликристаллического кремния имеют широкое применение в полупроводниковой промышленности. Одним из методов получения таких структур на дешевых и легкоплавких подложках является металл-индуцированная кристаллизация, поскольку использование металла (например, золота) как катализатора в процессе кристаллизации аморфного полупроводника позволяет существенно снизить температуру отжига. Однако время металл-индуцированной кристаллизации составляет несколько десятков часов, в отличие от метода лазерно-индуцированной кристаллизации. В настоящей работе впервые предлагается объединить преимущества методов лазерно-индуцированной и золото-индуцированной кристаллизации. Авторами получены режимы лазерной обработки тонких пленок нестехиометрического оксида кремния (a-SiO_0,1) с использованием излучения наносекундной длительности с длиной волны инфракрасного диапазона, обеспечивающие формирование поликристаллического кремния.

В представленной работе с помощью искусственной нейронной сети исследуется теплопроводность систем хладагентов из трех различных гидрофторолефинов: R1234yf, R1234ze (E) и R1233zd(E). Всего для обучения и тестирования модели было использовано 4395 точек данных по теплопроводности жидкости и пара при различных температурах (в диапазоне от 241,92 до 344,46 K) и давлениях (в диапазоне от 0,068 до 21,73 МПа). Во входном слое использовалось пять нейронов, в скрытом слое - пятнадцать, в выходном слое - один. На скрытом и выходном слоях сети применялись соответственно алгоритм байесовской регуляризации обратного распространения ошибки, а также логарифмическая сигмоидная передаточная функция и линейная передаточная функция. В качестве входных переменных рассматривались температура, давление, реализованная мощность нагрева, фактор ацентричности и дипольный момент. Оптимальные величины параметров были получены методом поиска весов. Средние абсолютные относительные отклонения и коэффициент корреляции составили соответственно 1,48 и 0,9998. Таким образом, исследование показало, что модель искусственной нейронной сети представляет собой отличную альтернативу другим имеющимся моделям для точной оценки теплопроводности различных систем хладагентов.

На основе общего анализа разнородных источников сбросного тепла на ТЭС с учетом передового мирового и отечественного опыта создания парокомпрессионных и абсорбционных термотрансформаторов большой мощности показана возможность значительного сокращения тепловых потерь за счет интеграции в тепловые схемы существующих и проектируемых ТЭС абсорбционных тепловых насосов и холодильных машин различных конструкций и мощности. Предлагается провести комплексную оптимизацию станций путем создания систем внутристанционной тригенерации. Учитывая специфические условия работы конденсаторов паровых турбин, в качестве рабочих тел предлагается использовать более дешевые многокомпонентные водные растворы на основе соли LiCl, не уступающие по эффективности импортным растворам LiBr c антикоррозионными добавками.

В работе представлены результаты термодинамических расчетов и экспериментальных исследований плазменной переработки отработанных горюче-смазочных материалов, показавшие перспективность использования плазмохимической технологии переработки жидких промышленных отходов с получением топливного газа и инертного минерального материала. Выполнено сравнение результатов эксперимента и расчетов, показавшее приемлемое согласование.