Уральский Государственный Университет Путей Сообщения
Тропический циклон — тип циклона, или погодной системы низкого давления, что возникает над теплой водяной поверхностью и сопровождается мощными грозами, выпадением ливневых осадков и ветрами штормовой силы. Традиционно считается, что тропические циклоны получают энергию от поднятия влажного воздуха вверх, конденсации водяных паров в виде дождей и опускания более сухого воздуха вниз.
В книгах [1,2] предложена другая схема возникновения и функционирования тропических циклонов. Неравномерный локальный нагрев подстилающей поверхности приводит к появлению неоднородностей температуры, плотности и давления. При действии сил тяжести и Кориолиса это является причиной возникновения сложного нестационарного закрученного движения среды.
Для решения задачи о моделировании трехмерных нестационарных течений, имеющих место в тропических циклонах, предлагается строить решение полной системы дифференциальных уравнений Навье-Стокса, при действии сил тяжести и Кориолиса. Для численного моделирования таких течений используется метод конечных разностей с использованием явной разностной схемы.
1.Баутин С.П. Торнадо и сила Кориолиса. Новосибирск: Наука, 2008.
2.Баутин С.П., Дерябин С.Л., Крутова И.Ю., Обухов А.Г. Разрушительные атмосферные вихри и вращение Земли вокруг своей оси. Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2017.
Юлия Анатольевна Агеева
НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва/ ООО "Тесис", Москва
Сверхзвуковое обтекание элементов конструкции потоком газа может иметь сложную и неоднозначную структуру из-за наличия отрывных областей и скачков уплотнения. В ряде случаев возможен гистерезис, проявляющийся в зависимости итоговой картины течения от предыстории его развития. В области гистерезиса при одних и тех же физических параметрах и граничных условиях могут реализовываться различные устойчивые картины обтекания.
Важной особенностью течений с гистерезисом является то, что при внесении в области гистерезиса разового возмущения нужной мощности структура течения изменяется и не возвращается к предшествующей структуре после исчезновения возмущения.
Работа посвящена исследованию управления потоком в условиях гистерезиса. Исследования проводятся с использованием численного моделирования в программных комплексах Abaqus и FlowVision на двух задачах: колебании упругой пластины в сверхзвуковом потоке и сверхзвуковом обтекании осесимметричного тела с кольцевой каверной.
Колебания упругой 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. Гистерезис реализуется в области резонансного и непериодического флаттеров, содержащих более одной независимой частоты [1]. Внесение кратковременного возмущения в области гистерезиса приводит к развитию колебаний другого вида.
Течение в кольцевой каверне осесимметричного тела при сверхзвуковом обтекании может быть двух видов: с открытым и замкнутым режимами [2]. На определенном интервале соотношений между длиной и глубиной каверны в зависимости от предыстории реализуются либо замкнутый, либо открытый режим. При наличии каверны сопротивление обтекаемого тела с замкнутым режимом течения в каверне может существенно превышать сопротивление аналогичного тела с открытым режимом течения. Внесение кратковременного возмущения в уже сформировавшееся течение позволяет изменить режим течения в каверне и тем самым увеличить или уменьшить сопротивление тела.
Исследования проводились в рамках проекта РФФИ 18-01-00404 и госбюджетных тем АААА-А16-116021110201-2 и АААА-А16-116021110196-1 НИИ механики МГУ (http://www.imec.msu.ru).
1. 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.
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
АО "НПЦ газотурбостроения "Салют"
При моделировании в механике процессов, связанных с высокоскоростным нагружением, а также развитием в конструкциях больших деформаций вплоть до разрушения, на первое место выходят экспериментально-вычислительным методы изучения механических свойств материалов. Кроме того, в работах, посвященных исследованию предельных характеристик различных металлов и сплавов [1], показана существенная зависимость последних от вида напряженного состояния.
Сегодня наиболее широко используемым экспериментальным методом идентификации динамических свойств материалов является метод Кольского с использованием разрезного стрежня Гопкинсона и его разнородные модификации [2]. Данный метод покрывает диапазон скоростей деформаций 100 ÷ 10000 1/с и в основном используется для построения диаграмм нагружения материала при динам1ическом сжатии и растяжении. Среди общего объема модификаций метода доля испытаний, на практике реализующих сдвиговое напряженно-деформированное состояние (НДС) в образцах, крайне важных для построения надежных критериев разрушения материалов, относительно мала, в особенности применительно к твердым металлам и сплавам.
Предлагаемый в работе способ испытаний на динамический сдвиг основан на классической схеме метода Кольского на одноосное сжатие, дополненной специальными переходниками из материала, близкого по свойствам к материалу мерных стержней, и исследуемым образцом в форме условного двутавра.
Такая конструкция позволяет реализовать в рабочей области образца НДС, близкое к однородному вплоть до разрушения в режимах простого (по деформациям) и чистого (по напряжениям) сдвига. В процессе испытания регистрируются импульсы (деформации) с мерных стержней, по которым в последствии при помощи приведенных в работе соотношений восстанавливаются величины напряжений, деформаций и скоростей деформаций в образце. Так, величина сдвигового напряжения оказывается пропорциональной отношению площади поперечного сечения стержня к площади поверхности сдвига образца, что, в виду малости последней, позволяет достигать в нем предельных значений деформаций и исследовать процесс разрушения.
Большим преимуществом данного подхода является возможность альтернативного измерения деформаций видимой поверхности образца при помощи систем цифровой корреляции изображений DIC (Digital Image Correlation), использующих видеосъемку высокоскоростными камерами.
1. Carney K.S., DuBois P.A., Buyuk M., Kan S. Generalized Three-Dimensional Definition Description and Derived Limits of the Triaxial Failure of Metals // J. Aerosp. Engrg. 2009. Vol. 22. Issue 3. P. 280-286.
2. Bragov A.M., Igumnov L.A., Konstantinov A.Yu., Lomunov A.K., Linvinchuk S.Yu. Use of Hopkinson Method and its Modifications in the USSR and Russa // Proceedings of Hopkinson Centenary Conference. Cambridge. 2014. P. 69-100.
Лилия Александровна Костырева
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН)
Мелкодисперсные порошки с размером частиц порядка 10-6 м являются весьма распространённым материалом, встречающимся в различных областях: фармацевтика, пищевая промышленность, электроника, сельское хозяйство, биотехнологическая наука и т.д. К тому же частицы таких размеров представляют собой побочный материал после проведения технологических испытаний в промышленности, природных катаклизмов, террористических актов, который длительное время остается в воздушной среде и представляет серьезную угрозу для живых организмов. Аэродисперсные системы могут представлять собой взвесь оксидов металлов, древесной и строительной пыли, органических соединений, микроорганизмов, бактерий и пр. В последнее время актуальным вопросом является устранения таких вредных образований из воздуха в короткие сроки. Работа направлена на осаждение взвешенных частиц различного физико-химического состава в воздушной среде при комбинировании влияния физических полей (ультразвукового и электростатического поля) в замкнутом экспериментальном объеме. Результаты экспериментальных исследований представлены в виде изменения дисперсных характеристик и массовой концентрации аэродисперсных частиц (рисунок 1).
Установлено, что характеристики облака аэрозоля зависят от состава, концентрации и механизма осаждения [1]. Проанализирована эффективность осаждения аэрозольных образований различного типа при электростатическом и ультразвуковом способе осаждения в различных комбинациях. Ультразвуковое осаждение эффективно для частиц диаметром менее 20 мкм. Осаждение же электрофильтром мелкодисперсных частиц аэрозоля эффективно для относительно более крупных частиц [2].
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 17-79-10209).
Работа выполнена при использовании приборной базы Бийского регионального центра коллективного пользования СО РАН (ИПХЭТ СО РАН, г. Бийск).
1. Антонникова А.А., Коровина Н.В., Кудряшова О.Б., Ахмадеев И.Р., Шалунова К.В., Хмелев В.Н. Экспериментальное исследование динамики дисперсных характеристик аэрозоля при ультразвуковом воздействии // Ползуновский вестник. – 2011. – № 4-1. – C. 176-180.
2. Степкина М.Ю., Кудряшова О.Б., Антонникова А.А. Скорости осаждения мелкодисперсных аэрозолей в акустическом и электрическом поле // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2018. – Т. 329. № 3. – С. 62–68.
Мария Юрьевна Степкина
Научно-исследовательский институт механики МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва
Проведены результаты экспериментальных исследований коэффициентов теплоотдачи и сопротивления на гладкой и облуненной поверхностях в следе за поперечно установленным цилиндром. Коэффициент сопротивления определялся путем непосредственного взвешивания моделей на однокомпонентных тензометрических весах, для определения коэффициента теплоотдачи применялся метод нестационарного теплообмена.
На расстоянии 796 мм от начала рабочего канала (длина 1080 мм, высота 30мм и ширина 300 мм) поперек потока (параллельно нижней стенке) устанавливался цилиндр диаметром d=8 мм. Зазор между нижней стенкой и цилиндром менялся в диапазоне 0-21 мм (цилиндр устанавливался с зазором в 0-11 мм с шагом 1 мм и с зазором 21 мм). Локальные значения коэффициентов теплоотдачи определялись на расстоянии x/d=0-20.625 от задней кромки цилиндра. Осредненные значения коэффициентов сопротивления определялись на участке x/d=12.5-20.625 [1].
В экспериментах исследовались гладкая поверхность и поверхность с шахматной компоновкой лунок с продольным и поперечным шагами 8 и 9 мм (глубина лунок – 1мм, диаметр пятна – 7.75 мм).
Получены следующие результаты:
Значения коэффициента сопротивления гладкой поверхности cxsm/cx0, отнесенные к коэффициенту сопротивления гладкой поверхности в невозмущенном потоке cx0 менялись в диапазоне cxsm/cx0=(‑1.65)‑(1.95) в зависимости от положения цилиндра и не зависели от числа Рейнольдса набегающего потока. Локальные значения интенсификации теплообмена на гладкой стенке менялись в диапазоне Stsm/St0=1.0-2.65.
Значения относительного коэффициента сопротивления облуненной поверхности cxd/cxsm, менялись в диапазоне cxd/cxsm=(‑1.1)‑(1.3) (увеличивались при уменьшении зазора). Локальные значения интенсификации теплообмена на обуненной стенке варьировались в диапазоне Std/Stsm=0.8‑1.55 и практически не зависели от положения цилиндра.
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 18-08-00413 и СП-4006.2018.1.
1. Experimental investigation of the influence of large-scale vortex structures on heat transfer and drag on a smooth wall / N. A. Kiselev, A. G. Zditovets, Y. A. Vinogradov, M. M. Strongin // Journal of Physics: Conference Series. — 2017. — Vol. 891, no. 012149. — P. 1–8.
Николай Александрович Киселёв
Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН
В повседневной жизни мы часто используем материалы, относящиеся к так называемой «мягкой материи» (soft matter). Так, например, шоколадный мусс, пена для бритья или строительная пена являются представителями широкого класса материалов с многомасштабной двухфазной структурой (газовые пузырьки в жидкой фазе) и имеют двойственное механическое поведение: твердые вещества в состоянии покоя, и жидкости, при воздействии напряжений, превышающих некоторый критический уровень. Такие специфические реологические свойства позволяют использовать пены в различных областях применения, от продуктов пищевой, косметической и фармацевтической промышленности до крупномасштабных промышленных процессов в области нефтедобычи и восстановлении почв. Таким образом понимание закономерностей, позволяющих осуществлять контроль течений пен в гетерогенных средах, представляется чрезвычайно важным [1 – 4].
Мы исследуем фундаментальные закономерности течения пен экспериментально в упрощенной модельной постановке. Эксперименты проводятся в ячейке Хеле-Шоу, представляющей собой простейшую модель трещины, образующейся, например, в процессе гидроразрыва пласта.
Исследовано течение пены в зависимости от нескольких параметров: величины и формы препятствия, помещенного в ячейку и локально сужающего ее зазор, и количества жидкости в пене. На Рис. 1 показано поле скорости (за вычетом скорости равномерного потока на входе в ячейку, направленного справа налево), демонстрирующее рециркуляцию, характеризующуюся наличием квадрупольного возмущения, а также ускорение пены вниз по течению от препятствия, что напоминает т.н. эффект «отрицательного следа» в течении за всплывающими воздушными пузырьками в вязкоупругих жидкостях [5].
Анализ экспериментальных данных показал, что интенсивность рециркуляционных течений зависит как от высоты препятствия, так и от свойств самой пены (сухая – жидкая): скорость потока вниз по течению от препятствия выше для сухой пены. Также было показано влияние горизонтального размера препятствия и его формы: в зазоре над квадратным препятствием возникают дополнительные особенности в виде вихрей на углах [6].
Работа выполнена при поддержке гранта МОН РФ № 14.W03.31.0002
1. Weaire D., Hutzler S. The Physics of Foams // Oxford University Press, 1999
2. Cantat I., Cohen-Addad S., Elias F., Graner F., Hohler R., Pitois O., Rouyer F. and Saint-Jalmes A. Foams, Structure and Dynamics // Oxford University Press, 2013
3. Dollet B., Graner F. Two-dimensional flow of foam around a circular obstacle: Local measurements of elasticity, plasticity and flow // J. Fluid Mech., 2007, V. 585 P. 181
4. Stevenson P. Foam Engineering: Fundamentals and Applications // Wiley, 2012
5. Hassager O. Negative wake behind bubbles in non-newtonian fluids // Nature, 1979, V. 279 P. 402
6. Chevalier, T., J. Koivisto, N. Shmakova, Alava M.J., Puisto A., Raufaste C., Santucci S. Foam flows through a local constriction //J. Phys. Conf. Ser., 2017, V. 925, P. 012025.
Наталья Дмитриевна Шмакова
НИИ механики МГУ
В технике хорошо известен эффект аэродинамического нагрева. Температура движущегося объекта в атмосфере близка к температуре торможения в результате перехода скоростного напора в теплоту. При сверхзвуковой скорости полета перед телом возникает головная ударная волна, за которая температура газа возрастает. При движении высокоскоростного потока в канале двигателя или в аэродинамической трубе обтекаемые поверхности разогреваются до температуры близкой к температуре торможения. Однако полного восстановления температуры до значения температуры торможения не происходит. Если стенка теплоизолирована, то температура пристенного слоя газа будет равняться температуре восстановления – в общем случае не равной температуре торможения. Мерой отклонения служит коэффициент восстановления температуры, показывающий долю энергии потока, переходящей в тепло на стенке.
Интенсивность теплообмена при сверхзвуковых скоростях течения оценивают по коэффициенту теплоотдачи (числу Стентона), который с учетом эффектов сжимаемости определяется отношением теплового потока в стенку к разности между температурой стенки и температурой восстановления. При определении коэффициента теплоотдачи в данном случае основной проблемой является нахождение температуры восстановления, поскольку её непосредственное определение в эксперименте затруднено. Предложена методика одновременного определения коэффициентов теплоотдачи и восстановления температуры в процессе запуска сверхзвуковой аэродинамической установки до выхода на равновесный тепловой режим [1]. Регистрируя термогазодинамические параметры сверхзвукового потока с частотой 1 Гц, можно вычислить тепловой поток на стенке с помощью решения одномерного уравнения теплопроводности для полубесконечного тела.
Экспериментальные исследования проводились на сверхзвуковом аэродинамическом стенде (Рис. 1) с использованием систем регистрации данных National Instruments, автоматизированных программ опроса и обработки показаний сенсорных устройств в среде LabView, термопар с термокомпенсацией, зондовых измерений, тепловизионных и оптических методов визуализации картины течения.
Работа выполняется за счет гранта Российского научного фонда (проект №14-19-00699).
1. Виноградов Ю.А., Попович С.С., Стронгин М.М. Экспериментальное исследование коэффициента восстановления температуры и интенсификации теплоотдачи при течении на плоской стенке за ребром сверхзвукового потока сжимаемого газа. Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. № 11. С. 55-75, DOI: 10.7463/1116.0849557.
Сергей Станиславович Попович
Национальный исследовательский Томский государственный университет
В лабораторных условиях исследованы условия зажигания образцов древесины в результате теплового воздействия различного типа: 1) модельного низового лесного пожара 2) тлеющих частиц коры сосны. Установлено влияние огнезащитных покрытий (огне-био защитная пропитка для древесины «ФУКАМ», огнезащитная пропитка с антисептическим эффектом для древесины «Pirilax»-Classic», средства защитное для древесины «СЕНЕЖ ОГНЕБИО ПРОФ», а также огнезащитный состав «МИГ-09») на пожароопасные свойства древесины. Определены вероятность воспламенения и задержки зажигания древесины в зависимости от размера и количества горящих частиц, наличия воздушного потока в зоне падения частиц, а также в зависимости от начальной температуры древесины.
В качестве метода диагностики использовалась ИК-термография. В настоящее время ИК метод наряду с методами теплового неразрушающего контроля, не нарушающими целостности контролируемых объектов и не вносящими возмущения в процесс, представляет высокотехнологическую область прикладных исследований, которая объединяет достижения в теории теплопередачи, ИК технологии и компьютерной обработки экспериментальных данных.
В качестве исследуемых образцов строительных материалов были использованы: ДВП, ДСП, стеновая панель МДФ, древесный массив из хвойных пород. Методика проведения эксперимента, характеристики огнезащитных составов, используемых в эксперименте, а также предварительные результаты представлены в работах [1-3]. Имеющиеся данные, а также дополнительные эксперименты позволят установить зависимости показателей пожарной опасности строительных материалов от условий применения и типа огнезащитного состава, а также разработать лабораторный метод бесконтактной ИК-диагностики и контроля пожароопасных свойств древесных строительных материалов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Гранта Президента РФ № МК – 3885.2018.8
Список литературы:
1.Д.П. Касымов, Е.Л. Лобода, А.С. Якимов, М.В. Агафонцев, Ю.А. Лобода Экспериментальное и численное моделирование воспламенения модели деревянного ограждения при тепловом воздействии фронта природного пожара // XXIХ Международная научно-практическая конференция, посвященная 80-летию ФГБУ ВНИИПО МЧС России: в 2 ч. М.: ВНИИПО, 2017. Ч. 2: Горение и проблемы тушения пожаров: тез. докл. (5 июля 2017 г.). с. 201–204.
2.D. Kasymov, M. Agafontsev Investigation of the Fire Hazard Characteristics of Wood Using Infrared Thermography // Proceedings of the 8th European Combustion Meeting. Dubrovnik, Croatia, 2017. p. 1484–1488. URL: http://www.adriacombustioninstitute.org/ecm2017/ (дата обращения: 29.09.2017).
3.D.P. Kasymov, A.A. Paletsky, M.V. Agafontsev Small-scale investigation of the fire hazard characteristics of wood samples due to the different type of thermal impact while forest fires / 9th INTERNATIONAL SEMINAR ON FLAME STRUCTURE Novosibirsk, Russia (July 10–14, 2017). Book of Abstracts. p. 51.
Денис Петрович Касымов
ИТПМ СО РАН
Работа имеет отношение к проблемам теоретического описания гетерогенных сред.
Представлен обзор методов, подчеркивающий специфику развития соответствующей области. На основе гипотезы о теле сравнения – тело сравнения есть эффективная среда, методом вариаций получены эффективные коэффициенты, а не вилка как ранее. Также показано, что статистические методы, а именно: метод условных моментов, теория эффективных модулей (одноточечное приближение и метод условных моментов) и обобщенное сингулярное приближение теории случайных функций на основе этой же гипотезы приводятся к идентичным эффективным коэффициентам. Такие же коэффициенты получаются методом самосогласования изначально. Анализ эффективных коэффициентов показал наличие фазового перехода в механических смесях (например, металл – диэлектрик), наличие несущей фазы,
Произведено асимптотическое разложение эффективных коэффициентов. Представлено сравнение с другими моделями, расчетами и экспериментом. Как один из важных моментов, в теории вязкоупругости сдвиговая вязкость совпадает с моделью Эйнштейна и современными результатами.
В рамках метода условных моментов описано поведение микронеоднородных систем с несущей жидкой, газовой фазой, переход от несущей жидкой фазы к несущей твердой фазе и, соответственно, описание сред с несущей твердой фазой. Описана фильтрация жидкой фазы, представлен вывод закона Дарси и его обобщение – закон Форхгеймера.
Алексей Владимирович Мишин
