Механико-математический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва
Толщина слоя со свободной поверхностью, стекающего по плоскости под действием силы тяжести определяется балансом массовой силы и трения на твердой поверхности. Для линейно-вязкой жидкости имеется точное решение уравнений Навье-Стокса, которое предсказывает, что расход жидкости пропорционален третьей степени толщины. При течении неньютоновской жидкости эта зависимость определяется реологическим законом, в частности, для степенной жидкости (эффективная вязкость является степенной функцией скорости сдвига) показатель степени зависит от показателя вязкости и расход пропорционален большей степени толщины для псевдопластических жидкостей и меньшей для дилатантных. В случае нелинейного закона зависимости вязкости от скорости сдвига колебания плоскости приводят к локальному изменению трения и существенному изменению расхода, причем его среднее значение по периоду также изменяется.
Изучается зависимость среднего расхода стекания неньютоновской жидкости по наклонной плоскости от параметров колебаний. Периодическое решение нелинейного уравнения в частных производных параболического типа разыскивается с помощью различных подходов. Рассмотрены асимптотические случаи: медленные колебания, период которых много больше времени вязкой релаксации, вызывающие квазистационарное течение; быстрые колебания, которые приводят к образованию тонкого осциллирующего подслоя; слабая зависимость вязкости от скорости сдвига. В первых двух случаях удается аналитически найти вид зависимости расхода от параметров колебаний. Для слабо неньютоновских жидкостей задача сводится к линейному неоднородному уравнению, периодическое решение которого находятся методом Фурье.
Для произвольного реологического закона и произвольных параметров колебаний решается нестационарная задача, периодическое решение устанавливается за достаточно большое время.
Результаты расчетов сравниваются с опубликованными экспериментальными данными. По осям отложены безразмерная амплитуда скорости плоскости и частота колебаний. Обнаружены значительные расхождения при малых амплитудах и частотах колебаний, различия, вероятно, связаны с недостаточно точно выбранной реологической моделью.
Работа выполнена при поддержке Совета по грантам при Президенте РФ (проект МК -1798.2017.1)
Регина Дамировна Вахитова
ИПФ РАН
В настоящей работе предлагается методика пошаговой верификации результатов численных расчетов течений обтекания препятствия на основе их сравнения с результатами лабораторных экспериментов, осуществленных в рамках одного исследования.
Лабораторные измерения проводились на замкнутой аэродинамической трубе ИПФ РАН, характеризующейся низким уровнем интенсивности турбулентности (~1%) на входе рабочего участка. В рабочий участок помещался объект препятствия (параллелепипед) для обтекания. Размеры объекта составляли 500х315х47 мм. Поперечный размер практически равен ширине рабочего участка, что обеспечивает двумерный характер обтекания в трубе. Тело устанавливалось на специальный столик, передняя кромка которого имела хорошо обтекаемый профиль, чтобы поток при подходе к препятствию был горизонтальный плоскопараллельный. Скорость воздушного потока в экспериментах составляла 8 м/с. Соответственно число Рейнольса рассчитанное по высоте препятствия равнялось 2,6*104.
Для измерений применялась схема PIV c непрерывной лазерной подсветкой и скоростной видеосъемкой [1]. В качестве модели турбулентности для численного решения задачи использоволся метод отсоединенных вихрей DES, который обеспечивает описание в пристеночной области (пограничном слое) при помощи модели напряжений Рейнольдса RANS, а в удаленной области (в свободной турбулентной струе) – при помощи метода крупных вихрей LES. Для решения нашей задачи в качестве RANS была выбрана модель переноса сдвиговых напряжений Ментера.
Сравнение результатов рассчетов с данными экспериментов осуществлялась в 2 этапа. Вначале сравнивались общие картины поля обтекания. Показано, что рассчет хорошо воспроизводит общую картину включая характерные размеры застойной области. На втором этапе сравнивались пульсационные характеристики воздушного потока обтекания - частотных спектров флуктуаций продольной компоненты скорости воздушного потока, полученных по данным PIV-измерений и численного моделирования. Анализ частотных характеристик представляет наибольший интерес с точки зрения многочисленных практических приложений, например, исследование вопроса генерации звука турбулентностью. Продемонстрировано, что форма рассчетных и экспериментальных спектров хорошо совпадают для эксперимента.
Исследования проведены при поддержке проекта РНФ №18-19-00473, проекта РФФИ №18-48-520023 р_а, гранта Президента СП-1740.2016.1.
1. Сергеев Д.А. Измерительный комплекс для исследования течений жидкости методом Particle Image Velocimetry (PIV) на основе твердотельного лазера с диодной накачкой // Приборы и техника эксперимента. 2009. № 3, С.138-144
Максим Игоревич Вдовин
Механико-математический факультет, БГУ, г. Минск
В работе исследовано плоское движение тонких несмешивающихся слоев вязких жидкостей на внешней поверхности горизонтально расположенного, вращающегося с постоянной угловой скоростью цилиндра в поле сил тяжести и инерции. Подобного рода течения можно использовать при нанесении двухслойных покрытий на цилиндрические поверхности. Используя условие постоянства потока в окружном направлении [1], в работах [2,3] решена задача определения вида поверхностей двух слоев в случае установившегося движения жидкостей как на внутренней, так и на внешней поверхности вращающейся цилиндрической оболочки.
В данном исследовании получена общая трехмерная постановка задачи движения двух несмешивающихся слоев вязких жидкостей в поле центробежных, поверхностных и гравитационных сил.
С помощью основных постулатов теории тонкого слоя [4] система уравнений, представляющая собой постановку двумерной нестационарной плоской задачи, была упрощена. В случае умеренного движения, пренебрегая инерционными членами уравнений Навье-Стокса, получены окружные и радиальные компоненты скорости, а также взаимосвязанная система уравнений эволюции наружного и внешнего слоев в гравитационном и поверхностном поле. Разработан и реализован численный метод ее исследования. Получены и проанализированы формы раздела слоев и свободной поверхности от длительного устойчивого состояния при медленном вращении до развития возмущений со временем и распада слоя при увеличении влияния центробежных сил.
Александр Игоревич Ермоленко
БГУ
В работе исследовано плоское движение тонких несмешивающихся слоев вязких жидкостей на внешней поверхности горизонтально расположенного, вращающегося с постоянной угловой скоростью цилиндра в поле сил тяжести и инерции. Подобного рода течения можно использовать при нанесении двухслойных покрытий на цилиндрические поверхности. Используя условие постоянства потока в окружном направлении [1], в работах [2,3] решена задача определения вида поверхностей двух слоев в случае установившегося движения жидкостей как на внутренней, так и на внешней поверхности вращающейся цилиндрической оболочки.
В данном исследовании получена общая трехмерная постановка задачи движения двух несмешивающихся слоев вязких жидкостей в поле центробежных, поверхностных и гравитационных сил.
С помощью основных постулатов теории тонкого слоя [4] система уравнений, представляющая собой постановку двумерной нестационарной плоской задачи, была упрощена. В случае умеренного движения, пренебрегая инерционными членами уравнений Навье-Стокса, получены окружные и радиальные компоненты скорости, а также взаимосвязанная система уравнений эволюции наружного и внешнего слоев в гравитационном и поверхностном поле. Разработан и реализован численный метод ее исследования. Получены и проанализированы формы раздела слоев и свободной поверхности от длительного устойчивого состояния при медленном вращении до развития возмущений со временем и распада слоя при увеличении влияния центробежных сил.
Анастасия Геннадьевна Макоед
НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва/ ООО "Тесис", Москва
Представлены результаты экспериментального и численного исследования сверхзвукового обтекания осесимметричного тела с кольцевой каверной прямоугольного сечения.
В ходе экспериментов осуществлялось непрерывное изменение протяженности каверны при различных фиксированных углах атаки, а также непрерывное изменение угла атаки при фиксированной протяженности каверны. На основе данных визуализации и измерения давления изучена эволюция структуры обтекания каверны, включая режимы перестройки структуры на границах переходной области. В области исследованных диапазонов изменения угла атаки и относительной протяженности каверны определены границы переходной области, в которой возникают гистерезисные явления. Результаты весовых испытаний показали, что при наличии каверны сопротивление обтекаемого тела с замкнутым режимом течения в каверне может существенно превышать сопротивление аналогичного тела с открытым режимом течения. Экспериментально установлено, что в области гистерезиса возможно принудительное переключение с замкнутого режима обтекания каверны к открытому режиму [1].
Численное моделирование сверхзвукового осесимметричного обтекания тела с кольцевой каверной выполнено с использованием программного комплекса FlowVision. Проведено исследование сходимости задачи по расчетной сетке, определена оптимальная модель турбулентности. Выполнено сравнение с экспериментом. Исследовано влияние скорости изменения длины каверны на характер изменения течения. Проиллюстрирован механизм перестройки режимов течения в каверне при непрерывном изменении ее длины. Дана оценка протяженности области гистерезиса при сверхзвуковом обтекании тела с каверной. Показано, что внесение кратковременного возмущения в уже сформировавшееся течение позволяет изменить режим течения в каверне и тем самым увеличить или уменьшить сопротивление тела [2].
Исследования проводились в рамках госбюджетной темы АААА-А16-116021110201-2 НИИ механики МГУ (http://www.imec.msu.ru).
1.Гувернюк С. В., Зубков А. Ф., Симоненко М. М. Экспериментальное исследование сверхзвукового обтекания осесимметричной кольцевой каверны // Инженерно-физический журнал. 2016. Т. 89. № 3. С. 670–679.
2.Шишаева А. С., Симоненко М. М., Гувернюк С. В., Аксенов А. А.. Численное моделирование аэродинамического гистерезиса при сверхзвуковом обтекании осесимметричного тела с каверной в программном комплексе flowvision. // Физико-химическая кинетика в газовой динамике, 2017, Т. 18(1).
Анастасия Сергеевна Шишаева
ФГБОУ ВО Пермский национальный исследовательский политехнический университет
В настоящее время существует большой выбор антифрикционных полимерных материалов российского и зарубежного производства, пригодных в той или иной степени для работы в условиях контактного деформирования в качестве антифрикционных покрытий и прослоек: композиционные материалы на основе фторопласта с различными нанонаполнителями, модифицированный фторопласт, сверхвысокомолекулярные полиэтилены и др. Контактные узлы с антифрикционными покрытиями и прослойками применяются во многих сферах, к таким конструкциям предъявляются повышенные требования относительно прочности, надежности и долговечности, а оптимизация выбора материалов антифрикционного слоя позволит повысить ресурс работы конструкции.
Для эффективного использования антифрикционных полимеров требуется анализ физико-механических, фрикционных, усталостных и эксплуатационных свойств материалов. На базе ПФИЦ УрО РАН д.ф.-м.н. Адамовым А.А. выполнена серия натурных экспериментов, направленная на определение свойств антифрикционных материалов, необходимых для построения математических моделей их поведения.На примере сферической опорной части (рис. 1) с разной геометрией нижней плиты исследовано влияния свойств материалов тонкого антифрикционного слоя на параметры зоны контакта в частности и деформационное поведение конструкции в целом. Реализована трехмерная задача контакта плит опорной части через антифрикционную прослойку с учетом фрикционных свойств материалов, модель включает три контактные поверхности с заранее не известной площадкой контакта и заранее не известным распределением зон контактных состояний [1, 2].
В рамках серии численных экспериментов установлены: зависисмость распределения зон контактных состояний от уровня и вида нагрузки, распределение контактных давления и касательного напряжения для всех вариантов нагружения. При анализе результатов установлено резкое падение контактных напряжений у края прослойки (до 10% общей площади) при действии только вертикальных нагрузок. Зарегистрирована тенденция подъема контактного узла по боковой поверхности опорной части при росте горизонтальных усилий, действующих на конструкцию, что сопровождается негативными эффектами: уменьшением площади полного контактного сцепления поверхностей, ростом площадей скольжения и отлипания, увеличением (до 1,6 раза) максимальных уровней контактного давления.
Анна Александровна Каменских
ЦАГИ, МФТИ
Применение научных методов в разработке новых музыкальных инструментов представляет большой практический интерес. Разработана оригинальная концепция нового музыкального инструмента, которая обладает значительными преимуществами в сравнении с аналогами, прототипами и традиционными инструментами. Подготовлены формула изобретения, реферат, выполнен патентный поиск, приведено детальное описание существующих решений. Создана опытная модель нового музыкального инструмента, описаны модификации его конструкции. Уже в таком виде конструкция обладает рядом преимуществ по сравнению с аналогами и прототипами. Приведен обзор существующих решений и описание преимуществ нового инструмента по сравнению с известными аналогами, прототипами и традиционными инструментами. Новый инструмент механический и управляется только за счет действий музыканта.
Иван Алексеевич Амелюшкин
НИИ механики МГУ
Приведены результаты измерения температуры плоской теплоизолированной (непроницаемой для теплового потока) поверхности, обтекаемой сверхзвуковым потоком с числом Маха М=2.95. Работа проводилась на сверхзвуковой аэродинамической установки АР-2 НИИ механики МГУ (рис.1)
Исследовались два режима обтекания. Первый – однофазный поток сухого воздуха, второй – воздушно-капельный поток, состоящий из смеси сухого воздуха и мелкодисперсных водных капель. Относительный массовый расход воды 0.65%. Начальная температура торможения потока – 294 К. Воздушно-капельная смесь создавалась в форкамере путем распыления воды центробежной форсункой (средний размер капель 80 мкм). Температура воды была близка к температуре торможения сухого воздуха. В итоге зафиксированы следующие результаты. Наличие влаги в потоке можно было наблюдать невооруженным глазом. В областях стыка сопла и плоской модели, а также в областях стыков смотровых окон происходило выпадение из сверхзвукового воздушно-капельного потока сконденсированной твердой фазы (льда). Наличие льда на поверхности пластины приводило к возникновению возмущений, наблюдаемых в теневой прибор, что вызывало более существенное торможение потока на длине пластины по сравнению с однофазным рабочим телом. Очевидно, что основная часть жидкой фазы двигалась вместе с потоком и не оказывала влияния на температуру обтекаемой поверхности. Распределение температуры поверхности в случае обтекания воздушно-капельным потоком более неоднородно по сравнению с однофазным потоком.
Исследование выполнено при поддержке гранта РФФИ № 17-08-00130.
Андрей Геннадьевич Здитовец
НИИ механики МГУ
Снижение (редуцирование) давления газа на газораспределительных станциях (ГРС) от магистральных 50-120 бар до 6 бар в населенных пунктах приводит к существенному падению температуры газа (0.55 градуса на 1 бар). Процесс дросселирования приводит к образованию конденсата в виде газогидратов, обмерзанию регулирующих клапанов, запорной арматуры, приборов и трубопроводов. Для исключения эффекта гидратообразования на ГРС применяют системы подогрева газа. Блок подогрева представляет собой массивную конструкцию с котельной, на которой за счет сжигания части газа остальная часть подогревается.
В технике известен способ безмашинного энергоразделения газового потока, который может быть использован для осуществления безогневного подогрева и редуцирования давления газа [1]. В основе данного метода лежит тепловое взаимодействие между сверхзвуковым и дозвуковым потоками, разделенными теплопроводной перегородкой (Рис. 1). Газ с начальным давлением P0* и температурой T0* разделяется на 2 потока: дозвуковой, текущий, например, по центральному каналу, и сверхзвуковой – по кольцевому, или наоборот. За счет теплообмена через разделяющую потоки стенку на выходе из устройства мы получаем потоки с разными температурами. Часть газа, поступающая в профилированное сверхзвуковое сопло, теряет полное давление при разгоне и торможении в диффузоре и подогревается за счет теплообмена через стенку с дозвуковым потоком. Газ, подаваемый во второй канал, сохраняет полное давление и охлаждается за счет теплоотдачи через стенку к сверхзвуковому потоку. Интенсивность нагрева или охлаждения зависит от соотношения расходов по сверхзвуковой и дозвуковой стороне.
Эффективность устройства сверхзвукового безмашинного энергоразделения определяется прежде всего количеством теплоты, передаваемой через разделяющую потоки стенку, который зависит от коэффициента теплопередачи, площади поверхности теплообмена, начальной температуры торможения потока и адиабатной температуры стенки, обтекаемой сверхзвуковым потоком.
Работа выполняется при поддержке гранта Фонда «НИР» компании «Иннопрактика» МГУ имени М.В. Ломоносова.
1.Vinogradov Y.A., Zditovets A.G., Leontiev A.I., Popovich S.S., Strongin M.M. Experimental research of shock wave processes influence on machineless gas flow energy separation effect // J. Phys. Conf. Ser. 2017. V. 891, N. 012080. DOI: 10.1088/1742-6596/891/1/012080.
Сергей Станиславович Попович
НИИ механики МГУ
Вследствие вязкой диссипации в пограничном слое сверхзвукового потока сжимаемого газа происходит перераспределение температуры торможения. В результате температура торможения во внутренней части пограничного слоя – температура восстановления – оказывается ниже, а во внешней части – выше, чем температура торможения в основном потоке (для газов с числом Прандтля меньшем единицы). Определение температуры восстановления является одной из главных проблем при исследовании теплообмена сверхзвуковых потоков, поскольку ее непосредственное измерение в эксперименте затруднено. Для этого необходимо либо проведение длительных экспериментов на теплоизолированных моделях с достижением равновесного теплового режима, либо использование специальных методик математической обработки кратковременных экспериментов.
Внешние воздействия (градиент давления, проницаемость стенки, число Прандтля рабочего тела, форма и рельеф поверхности, скачки уплотнения и отрывные течения) могут приводить как к повышению аэродинамического нагрева в локализованной области, так и к охлаждению стенки. Известен эффект снижения адиабатной температуры стенки до значений ниже термодинамической температуры при поперечном обтекании дозвуковым сжимаемым потоком цилиндра в области задней критической точки (эффект Эккерта-Вайзе). Для сверхзвуковых потоков снижение температуры восстановления фиксируется в следе за обтекаемым препятствием в виде клина, ребра или ступеньки.
Эффект перераспределения температуры торможения в пограничном слое сжимаемого газа вследствие вязкой диссипации газа в пограничном слое играет важное значение в задачах расчета аэродинамического нагрева поверхности, объяснении эффекта аэродинамического охлаждения в следе за плохо обтекаемыми телами, эффекта газодинамической температурной стратификации и некоторых других. Сложность измерения температуры торможения с помощью термопары, помещенной в сверхзвуковой поток, заключается в том же самом эффекте восстановления температуры при обтекании спая термопары, как и любого другого предмета в сверхзвуковом потоке. В результате перераспределения температуры в пограничном слое термопара измеряет не температуру торможения, а температуру восстановления, что может вносить значительную погрешность в измерения.
Работа выполняется при поддержке стипендии Президента РФ СП-631.2018.1.
1.Leontiev A.I., Popovich S.S., Strongin M.M., Vinogradov Y.A. Adiabatic wall temperature and heat transfer coefficient influenced by separated supersonic flow // EPJ Web of Conf. 2017. V. 159. P. 1-5, DOI: 10.1051/epjconf/201715900030.
Сергей Станиславович Попович
НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва/ ООО "Тесис", Москва
На сегодняшний день известно два основных вида сверхзвукового флаттера закрепленной с двух сторон пластины: связанный и одномодовый. Связанный флаттер достаточно подробно изучен и хорошо описывается поршневой теорией [1]. Математическое исследование одномодового флаттера появилось относительно недавно [2]. При этом, одномодовый флаттер представляет большую опасность для летательных аппаратов, поскольку возникает на низких сверхзвуковых скоростях и приводит к большим нагрузкам на их элементы конструкции.
Работа посвящена поиску путей снижения опасной нагрузки при флаттере упругой жестко закрепленной с двух сторон пластины. Исследования проводятся с использованием численного моделирования в программных комплексах Abaqus и FlowVision.
Одномодовый флаттер пластины, можно условно разделить на три основных вида: простой одномодовый флаттер с одной независимой частотой, резонансный флаттер с двумя кратными частотами и непериодический флаттер с двумя или более некратными частотами [3]. Наиболее опасными являются резонансный и непериодический флаттер. Возможны два варианта снижения ущерба от реализующегося флаттера: прохождение опасного участка на большом ускорении, не позволяющем развиваться наиболее опасным видам флаттера, или управление колебаниями за счет внесения возмущения.
В данной работе проведены исследования колебаний пластины в потоке, ускоряющемся и замедляющемся с разной интенсивностью, определены различия поведения пластины при разных значениях ускорения и замедления и определены значения ускорения и замедления потока, при которых не происходит развитие опасных видов флаттера. Также, проведено исследование влияния кратковременного возмущения на колебания пластины при постоянном и переменном внешнем потоке газа. Получено, что внесение возмущения приводит к изменению частоты колебаний и в ряде случаев, к развитию колебаний другого вида. Что, в свою очередь, позволяет предотвращать развитие наиболее опасных видов флаттера.
Исследования проводились в рамках проекта РФФИ 18-01-00404.
1. А.А.Мовчан. О колебания пластинки, движущейся в газе // Известия АН СССР. ПММ., 1956, Т. 20, Вып. 2., С. 211-222.
2. В. В. Веденеев. Предельные циклы колебаний при одномодовом флаттере пластины// ПММ. 2013. Т. 77. Вып. 3. С. 355-370.
3. Shishaeva A. S., Vedeneev V. V., Aksenov A. A., Sushko G. В.. Transonic panel flutter in accelerating or decelerating flow conditions// AIAA Journal, 2018, V. 56(3), P. 1-14.
Анастасия Сергеевна Шишаева
Пермский государственный национальный исследовательский университет
Поломка магистральных труб – очень распространенное явление [1]. Порой это может привести к потерям экономического характера или к техногенной катастрофе. Поэтому своевременное обнаружение места утечки, особенно в случае сильно протяженного трубопровода, остается крайне важной задачей, несмотря на большое количество существующих решений. Для локализации разрывов часто применяются электронные или оптоволоконные интегральные датчики температуры. Однако в ходе эксплуатации измерительной системы возникает проблема интерпретации их показаний, ведь повреждения, произошедшие в разных местах трубопровода, могут привести к абсолютно различным структурам теплового поля на поверхности внешней трубы. Например, если разрыв происходит под непроницаемой теплоизолирующей оболочкой, вытекший газ организует зазор, внутри которого организуется интенсивное течение. Такое течение экранирует теплоизоляционный материал от поверхности трубы и, тем самым, изменяет интенсивность теплоотдачи. Более того, в различных областях может происходить как понижение температуры в результате расширения газа, так и повышение, обусловленное сжатием. Поэтому на поверхности теплоизоляции способна возникнуть достаточно сложная структура температурного поля. В докладе будут обсуждаться вопросы построения адекватной математической модели такого процесса, а также возможности её использования для интерпретации показаний интегральных оптоволоконных датчиков температуры.
В ходе выполнения поставленной задачи была решена задача об адиабатическом истечении газа из цилиндрического отверстия в воздушный зазор между теплоизолирующей оболочкой и нагретой металлической поверхностью трубопровода. Возникшее течение считалось трансзвуковым и изменяло тепловые граничные условия на внутренней поверхности теплоизоляционного материала. Исследовалось распределение температуры на внешней поверхности теплоизоляции при различных значениях управляющих параметров.
В ходе выполнения численного моделирования были получены результаты, показывающие стремительное повышение температуры в результате резкого сжатия высвободившегося газа вблизи повреждений и охлаждение с обратной стороны трубы. Проведены оценки минимального времени регистрации разрыва, необходимой точности оборудования, а также сформулированы рекомендации по способу установки чувствительных элементов интегральных оптоволоконных датчиков температуры.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект 18-31-00165 мол_а).
- Савина А. В., Сумской С. И., Лисанов М. В. Анализ риска аварий на магистральных трубопроводах при обосновании минимальных безопасных расстояний //Безопасность труда в промышленности. – 2012. – №. 3. – С. 58-63.
Матвей Максимович Гончаров
Волгоградский государственный технический университет
В настоящее время потребность в мобильных шагающих роботах достаточно велика. Одной из проблем развития шагающих машин и роботов является характер движения движителей: периодический разгон и торможение неуравновешенных шагающих движителей. Показано, что в таком случае непроизводительные потери энергии пропорциональны квадрату скорости движения корпуса робота, а необходимая для поддержания постоянной скорости движения мощность пропорциональна кубу скорости
Ярослав Владимирович Калинин
Кубанский государственный университет
В последние десятилетия с развитием микро- и нанотехнологий ионоселективные поверхности нашли широкое применение в микроустройствах (например, лабораториях на чипе), что потребовало изучения их свойств в микро- и наномасштабах. Оказалось, что в электролите около таких поверхностей под действием внешнего электрического поля может скапливаться большой заряд, причем толщина заряженного слоя намного превосходит дебаевскую длину. Этот слой назвали зоной пространственного заряда. Пространственный заряд может быть неустойчивым, и при его возмущении развивается тангенциальное электрическое поле, которое приводит к электроконвективному движению [1]. Несмотря на множество практических приложений, наблюдается недостаток теоретических исследований в данной области. В частности, установки наподобие лабораторий на чипе часто не получают широкого распространения из-за невозможности добиться желаемых результатов в рамках изученных явлений. В свою очередь, большинство теоретических работ посвящено исследованию «чистой» электроконвекции, в то время как немногие, включающие в рассмотрение дополнительные эффекты (такие как Джоулев нагрев электролита [2]), показывают, что они могут приводить к качественно новым результатам.
Особенность данной работы заключается в том, что в модель включены дополнительные механизмы переноса электролита: помимо кулоновской силы, приводящей к электрокинетическим эффектам, в систему входит два механизма, связанных с подъемной силой. Первый из них – джоулев нагрев электролита, который приводит к возникновению термоэлектрокинетической неустойчивости [3], второй – это концентрационная конвекция, когда из-за неравномерного распределения соли меняется плотность электролита, и на его поведение начинает влиять сила тяжести [4]. Присутствие трех механизмов неустойчивости вызывает конкуренцию между ними. В работе получены критические значения параметров и составлена карта режимов.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ 18-38-00611-мол_а
Наталья Юрьевна Ганченко
ИПФ РАН
Турбулентные потоки импульса, явного и скрытого тепла на поверхности моря определяют обмен энергией и импульсом между атмосферой и океаном. На масштабе пограничного слоя, они являются ключевыми параметрами, которые определяют генерацию волн и формирование верхнего перемешанного слоя океана. Вопрос о коэффициентах обмена в приводном пограничном слое (или о параметрах шероховатости) тесно связан с вопросом о влиянии поверхностного волнения, а также брызг на обмен импульсом и массой между атмосферой и океаном.
Была выполнена серия экспериментов на Ветро-волновом канале ИПФ РАН по изучению процессов обмена импульсом и теплом в устойчиво температурностратифицированном турбулентном пограничном слое воздушного потока над взволнованной поверхностью. Эксперименты проведены в широком диапазоне скоростей ветра и параметров волнения, включая экстремальные с интенсивным обрушением волн и образованием брызг. Для создания температурной стратификации пограничного слоя поступающий в канал воздух нагревался до 30-40 градусов. Температура поверхности воды при этом постоянной (около 15 градусов). Скорость ветра на оси канала от 8,8 м/с до 19 м/с, что соответствует эквивалентной скорости 10-35 м/с. Используя разработанный ранее метод профилирования [1] средней скорости и температуры в рабочей секции канала были определены значения коэффициентов обмена импульсом и теплом. Построены зависимости коэффициентов от параметров воздушного потока и характеристик волнения.
Было продемонстрировано, что в отличие от турбулентного потока импульса (скорости трения) и коэффициента обмена импульсом, температурная шероховатость (поток тепла) и, соответственно, коэффициент обмена теплом слабо зависит как от скорости, так и от параметров волнения до начала обрушения волн и генерации брызг. Брызги, которые начинают генерироваться тоже примерно после 27 м/с, приводят к сильному росту теплообмена, и тенденции к насыщению, как у коэффициента обмена импульсом, не наблюдается.
Работа выполнена при поддержке проектов РФФИ 18-05-00265, 17-05-00703, 16-55-52022и РНФ 14-17-00667, гранта Президента СП-1740.2016.1.
1. Yu. I. Troitskaya, D.A. Sergeev, A.A. Kandaurov, G.A Baidakov, M.A. Vdovin, V.I. Kazakov Laboratory and theoretical modeling of air-sea momentum transfer under severe wind conditions // JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 117, C00J21, 13 PP., 2012 doi:10.1029/2011JC007778
Максим Игоревич Вдовин
