Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Вентиляторы радиальные – агрегаты, предназначенные для перемещения воздуха, широко применяются для вентилирования в промышленных, жилых и административных помещениях и зданиях. Рабочие колеса изготавливаются из стали или сплавов алюминия, а КПД таких вентиляторов варьируется от 0,51 до 0,83. Необходимо улучшить характеристики вентилятора, при сохранении скорости вращения и произвести прочностной расчет рабочего колеса из полипропилена марки РРС.
Все расчёты производились в программном пакете Ansys Workbench. Модель состоит из проточной части (улитки) и рабочего колеса, которое состоит из лопаток и дисков крепления. Рабочее колесо создано с помощью инструмента BladeEditor, что позволило варьировать угол наклона β, ширину, высоту и количество лопаток.
В результате разработана методика, позволяющая моделировать газодинамические параметры радиального вентилятора. Получены распределения скоростей, давлений и массового расхода на выходной границе вентилятора и поля напряжений и деформаций оптимизированного рабочего колеса.
Ирина Олеговна Ракишева
НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова
Исследуется сверхзвуковое стационарное течение газокапельной смеси в плоском линейно расширяющемся канале с теплоизолированными стенками. Для анализа структуры течения и теплообмена используется двухконтинуальная модель газокапельной среды c пренебрежимо малой объемной концентрацией дисперсной фазы [1]. Учитываются фазовые переходы на поверхности капель. Предполагается, что во входном сечении канала фазы находятся в состоянии равновесия, а температура жидкости на поверхности и внутри капель не меняется во всей рассматриваемой области. Численно исследуется характер течения как в невязком ядре потока, так и в двухфазном пограничном слое.
Для определения параметров фаз вдали от стенки решаются квазиодномерные невязкие уравнения двухфазной среды с учетом обратного влияния и процесса конденсации. Показано, что температура газа вдоль оси канала меняется немонотонно: сначала температура снижается за счет падения давления в расширяющемся потоке, затем растет за счет конденсации. Разница температур фаз определяет скорость увеличения радиуса капель. Найдены условия, при которых происходит наиболее интенсивный рост капель.
Моделирование течения вблизи плоской стенки осуществляется с использованием уравнений ламинарного сжимаемого газокапельного пограничного слоя [2]. В пристеночной области помимо силы сопротивления Стокса учитывается боковая сила Сэфмана, приводящая к осаждению капель, в результате чего на поверхности стенки может формироваться тонкая пленка. В зависимости от свойств фаз и состояния потока во входном сечении канала возможны различные режимы обтекания стенки: полное отсутствие пленки, наличие пленки на конечном участке стенки, наличие непрерывной монотонно растущей пленки. Найдены диапазоны определяющих параметров, соответствующие каждому из режимов. Показано, что даже при массовой концентрации капель в набегающем потоке порядка 1% можно получить снижение температуры стенки в 1.5 раза и более. Полученные в данной работе количественные оценки снижения температуры стенки могут быть использованы при разработке систем безмашинного энергоразделения по методу Леонтьева [3].
Исследование выполнено по открытому плану МГУ за счет средств гранта Российского научного фонда (проект №19-19-00234).
Ирина Валерьевна Голубкина
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН)
Работа посвящена созданию пополняемой базы надежных экспериментальных данных пригодных для верификации современных программных пакетов предсказания положения ламинарно-турбулентного перехода (ЛТП) в пограничных слоях на стреловидных крыльях. В создаваемой базе будет содержаться исчерпывающая информация об условиях проведенных экспериментов: параметры экспериментальной модели; скорость и степень турбулентности набегающего протока; параметры среднего течения около модели; а также информация о положениях ЛТП в широком диапазоне параметров задачи. В данный момент в базу вносятся результаты новых систематических экспериментов, проведенных с использованием оригинальной статистически-достоверной тепловизионной методики регистрации положения ЛТП.
Эксперименты проведены в малотурбулентной аэродинамической трубе Т-324 ИТПМ СО РАН с использованием высокоточной экспериментальной модели стреловидного крыла (профиль NACA 67 1-215 (модифицированный), хорда 700 мм, угол скольжения 45°). Основные измерения положения ЛТП проведены на двух сторонах модели для трех углов атаки крыла a = –5, 0 и +3 град. в диапазоне скоростей на входе рабочей части трубы Q от 15 до 50 м/с. Исследования проведены для трех степеней турбулентности потока ε ≈ 0,1; 0,55 и 0,75%. Характеристики среднего течения у рабочих поверхностей модели были тщательно задокументированы с помощью дренажных и термоанемометрических измерений для каждого установленного угла атаки.
Положение ЛТП фиксировалось за счет применения высокоточной тепловизионной камеры FLIR SC7300. Перед проведением тепловизионной съемки, рабочая поверхность модели равномерно нагревалась примерно на 6 °C относительно комнатной температуры, затем производился запуск Т-324 с одновременной записью видеоизображения распределения температур на поверхности модели (термограммы) с частотой 50 Гц. В результате, полученные термограммы включали все стадии формирования течения на рабочей поверхности модели. Компьютерная обработка, основанная на анализе производных по времени от пространственных распределений логарифмов температур поверхности, позволяет получить статистически-достоверные координаты начала, конца и протяженности ЛТП для каждого из исследованных режимов. В проведенных экспериментах зафиксировано три основных сценария ЛТП вызванных: (1) неустойчивостью Толлмина-Шлихтинга (ТШ) (рис. 1а), (2) модами неустойчивости поперечного течения (ПТ), а также (3) сценарий, в котором обе неустойчивости играют примерно одинаковую роль (рис. 1b).
Работа по созданию базы выполнена в рамках Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы (проект АААА-А19-119051590050-2).
Дмитрий Алексеевич Мищенко
НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова
Истечение газо-пепловой смеси из жерла вулкана существенно неоднородный турбулентный процесс. Однако при достаточно длительном сохранении расхода смеси течение можно считать стационарным. Наиболее простой моделью, описывающей истечение газа (жидкости) из канала, является модель затопленной струи.
В этой работе исследуется стационарное плоское течение смеси газ – заряженные частицы в случае плоской стационарной затопленной струи несжимаемой жидкости в предположении, что движение частиц не влияет на течение несущей среды. Расход потока частиц, протекающий через сечение канала предполагается постоянным. Предполагается, что смесь состоит из частиц двух различных диаметров. При этом средняя концентрация частиц и доля крупных частиц на выходе из канала – варьируемые величины. Для описания движения частиц используется подход Лагранжа: частицы движутся под действием силы тяжести, гидродинамических и электростатических сил. При взаимодействии (соударении) частиц меняются их скорости и заряды. Рассматривается зона течения, близкая к каналу. Проводится детальное исследование влияния параметров начального распределения на течение смеси и эволюцию электрического поля. Определяются количественные характеристики электрического поля (накопленный частицами заряд, максимальная напряжённость электрического поля и другие) в зависимости от параметров распределения. Оценивается ширина канала и начальная концентрация частиц, при которых напряжённость поля достигает критических значений самостоятельного разряда.
Наталья Владимировна Горохова
НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва
Проведены численные исследования течения в кольцевом канале переменного сечения. Течение предполагалось безотрывным, поэтому рассматривались только небольшие углы наклона стенок канала. Для чисел Рейнольдса в диапазоне 3000-10000 рассчитаны профили скорости, энергии турбулентности, напряжений Рейнольдса и определяемые ими характеристики турбулентного теплообмена. Расчеты показали сильное влияние угла раскрытия кольцевого канала на турбулентные характеристики потока. Увеличение интенсивности турбулентности в случае подвода тепла к стенке приводит к увеличению характеристик теплообмена. При использовании такого канала в теплообменном аппарате можно не применяя искусственную турбулизацию потока увеличить число Нуссельта и коэффициента аналогии Рейнольдса по сравнению с каналом постоянного сечения при тех же числах Рейнольдса. Расчеты проведены с применением трёхпараметрической дифференциальной модели турбулентности [1], дополненной уравнениями для турбулентного переноса тепла, проведено численное исследование течения и теплообмена в кольцевых каналах с различной степенью расширения. В качестве теплоносителя рассматривался воздух при нормальных условиях.
Показано, что в кольцевом расширяющемся канале при всех рассмотренных изменениях угла раскрытия и чисел Рейнольдса основные характеристики теплообмена – число Нуссельта и коэффициент аналогии Рейнольдса – оказываются выше, чем в канале постоянного сечения при том же числе Рейнольдса. Это превышение возрастает с увеличением угла раскрытия.
Интенсификация теплообмена в расширяющемся кольцевом канале достигается без заметного роста коэффициента трения. Это является принципиальным отличием рассмотренного способа интенсификации теплообмена от многих известных способов, где увеличение теплоотдачи достигается ценой значительного роста гидравлических потерь.
Владимир Викторович Трифонов
НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова
На основе уравнений Эйлера для совершенного газа с неоднородным распределением плотности и термодинамических характеристик моделируется взаимодействие ударной волны в горючем газе с эллипсоидальным пузырем инертного газа повышенной плотности. Задача решается в двумерной плоской и осесимметричной постановках. Рассмотрены различные числа Маха M падающей волны и отношения длин полуосей пузыря. Для численного моделирования применяется конечно-разностная WENO5-JS схема, дополненная специальным методом аппроксимации уравнения переноса показателя адиабаты газа. Реакция горения газовой смеси моделируется с помощью двухстадийной кинетики Коробейникова-Левина.
Описаны различные режимы воспламенения смеси и показана их существенная зависимость как от интенсивности падающей волны, так и от формы пузыря. При достаточно больших числах Маха падающей волны инициирование горения смеси происходит непосредственно за счет разогрева в ударной волне. Для более слабых скачков воспламенение может происходить при отражении падающей ударной волны от границы раздела газов, незадолго перед фокусировкой (только в осесимметричной случае) и непосредственно при фокусировке падающей волны (рис. 1).
Показано, что форма пузыря также играет важную роль, во многих случаях обеспечивая инициирование горения пузыря более слабой волной, или наоборот, отсутствие воспламенения по сравнению со сферическими пузырями.
Олег Георгиевич Сутырин
НИИ механики МГУ
Панельный флаттер - потеря устойчивости и интенсивные вибра-ции панелей обшивок летательных аппаратов, возбуждающихся при взаимодействии с потоком воздуха при больших скоростях полета. Обычно панельный флаттер не приводит к немедленному разрушению летательного аппарата, но приводит к накоплению усталостных по-вреждений панелей и сокращению их срока службы [1]. Существует два типа панельного флаттера. Первый – это связанный флаттер, который обусловлен взаимодействием двух собственных мод панели. Второй тип - одномодовый флаттер, при этом типе панельного флаттера не происходит слияния собственных частот и значительного изменения формы колебаний в потоке. Одномодовый флаттер обусловлен отрица-тельным аэродинамическим демпфированием.
В работе исследуется устойчивость бесконечной серии тонких упругих прямоугольных пластин, шарнирно опертых по всем краям. Пластина обтекается с одной стороны однородным сверхзвуковым потоком идеального невязкого газа. С другой стороны пластины задано постоянное давление, так что невозмущенное состояние пластины является плоским. Границы панельного флаттера определяются при различных значениях угла скольжения. При этом изучается случай сверхзвуковой передней кромки.
С помощью теории потенциального течения получено выражение для нестационарного распределения давления по колеблющейся пластине. Уравнение движения пластины после подстановки выражения для нестационарного давления сводится к интегро-дифференциальной задаче на собственные значения. Для решения полученной задачи используется метод Бубнова – Галеркина. Критерием флаттера при таком подходе будет знак мнимой части комплексного собственного значения.
Показано, как изменяются границы одномодового и связанного флаттера при изменении угла скольжения. При малых углах скольжения результаты качественно близки к результатам при нулевом угле [2]. С увеличением угла скольжения области одномодового флаттера начинают исчезать при все больших значениях безразмерной ширины (ширины, отнесенной к толщине) пластины.
Увеличение угла скольжения также приводит к появлению нерегулярных границ флаттера и образованию изолированных областей неустойчивости. По сравнению с нулевым углом появляются новые области флаттера панели, которые вызваны взаимодействием трех или более собственных мод через аэродинамическую связь.
Результаты настоящей работы могут быть использованы для создания метода подавления флаттера, возникающего при косом обтекании панели обшивки ЛА.
1.Dowell, E.H., 1974. Aeroelasticity of Plates and Shells. Nordhoff International Publishing, Leyden, 1974.
2. Shitov S., Vedeneev V.. Flutter of rectangular simply supported plates at low supersonic speeds//Journal of fluids and structures. 2017. Vol. 69. P. 154-173.
Фаррух Адхамович Абдухакимов
НИИ механики МГУ, Москва
В работе проведено численное исследование линейной устойчивости пространственно развивающейся осесимметричной затопленной струи. Жидкость считается вязкой и несжимаемой. Профиль скорости струи в начальном сечении расчётной области в численном расчёте совпадает с профилем скорости струи на срезе сопла в экспериментальной установке лаб. 103 НИИ механики МГУ. Пространственное развитие струи рассчитывается методом установления путём решения уравнений Навье-Стокса. Исследования устойчивости получаемого таким образом стационарного основного течения выполнены в двух постановках: в рамках решения задачи Орра-Зоммерфельда для серии профилей скорости, соответствующих развивающейся струе на разных расстояниях от сопла, и путём решения уравнений Навье-Стокса, линеаризованных около стационарного решения, описывающего основное осесимметричное течение во всей области развития. В этом случае возмущение с заданной частотой ω и азимутальным номером n задаётся во входном сечении расчётной области, а его эволюция вниз по течению рассчитывается путём решения нестационарных уравнений Навье-Стокса. Расчёты проводились при Re=5700 (число Рейнольдса определяется через среднюю скорость и радиус сопла), совпадающем со значением Re в экспериментах, проводимых параллельно в лаб. 103 НИИ механики МГУ.
Найдены значения коэффициентов нарастания возмущений на различных расстояниях от входного сечения при разных частотах и азимутальных номерах. Получено удовлетворительное согласие результатов в двух рассмотренных постановках. Проведено сопоставление с экспериментальными данными и с результатами анализа устойчивости в рамках уравнения Рэлея.
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ, проект № 20-19-00404 с использованием оборудования Центра коллективного пользования сверхвысокопроизводительными вычислительными ресурсами МГУ имени М.В. Ломоносова и с использованием вычислительных ресурсов ОВК НИЦ «Курчатовский институт», http://computing.nrcki.ru/.
Кирилл Эдуардович Абдульманов
Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН
В настоящее время из-за широкого применения высокоэффективных газообразных топлив для различных энергетических установок большой интерес вызывают исследования связанные с вопросами взрыво- и пожаробезопасностью, а в частности работы направленные на выявление возможности ослабления и подавления газовой детонации, ее инициирования и взаимодействия с различными препятствиями. Уже существует ряд работ, в которых изучалось подавление детонации, например инертными частицами [1]. В настоящей работе для ослабления детонации используется многорядная решетка, состоящая из прутьев круглого сечения, расположенных в шахматном порядке.
Задача решалась в плоской, симметричной постановке (рис.1). В качестве решателя использован программный комплекс ANSYS Fluent. Используемая математическая модель была ранее протестирована на задаче об инициировании наклонной детонации [2]. Кинетическая схема, включающая одну брутто-реакцию горения водорода в воздухе, была верифицирована по экспериментальным данным о временах задержки воспламенения и скорости распространения детонационной волны при различных условиях [3].
В результате расчета задачи о взаимодействии детонационной волны с цилиндрической решеткой выявлено, что используемая математическая модель, а в частности кинетический механизм химических реакций, учитывает изменение кинетики водорода в области третьего предела воспламенения водорода в воздухе. Увеличение диаметра цилиндров, при неизменной пропускной способности, приводит уменьшению дефицита скорости ДВ несмотря на возрастание длины участка канала, в котором расположено препятствие. Уменьшение геометрических параметров преграды до размеров, сопоставимых с размером детонационной ячейки смеси, приводит к возрастанию ее эффективности для ослабления детонации.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-38-90178.
1. Tropin, D.A. and Fedorov A.V. Effect of inert micro- and nanoparticles on the parameters of detonation waves in silane/hydrogen - air mixtures // Combustion, Explosion, and Shock Waves. 2019. Vol. 55, No 2. P. 230 - 236.
2. Bedarev I. A., Temerbekov V. M., Fedorov A. V. Simulating the regimes of oblique detonation waves arising at detonation initiation by a small-diameter projectile // Thermophysics and Aeromechanics. 2019. Vol. 26, No 1. P. 59 – 68.
3. I.A. Bedarev, K.V. Rylova, and А.V. Fedorov. Application of Detailed and Reduced Kinetic Schemes for the Description of Detonation of Diluted Hydrogen–Air Mixtures// Combustion, Explosion, and Shock Waves. 2015. Vol. 51, No. 5, P. 528–539.
Валентин Макарович Темербеков
Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН
Для проведения испытаний теплозащитных материалов на термостойкость и определения их каталитических свойств в ИПМех РАН используются плазмотроны ВГУ-4 и ВГУ-3. Для нахождения химического состава и температуры на поверхности образца разрабатывается программа, позволяющая проводить расчеты сверхзвуковых и дозвуковых течений воздушной плазмы с учетом физико-химической неравновесности [1] на основе решения уравнений Навье-Стокса для диссоциированного воздуха из 11 компонентов с учетом однократной ионизации. Данная программа значительно расширяет возможности моделирования по сравнению с имеющейся программой, рассматривающей диссоциированный и ионизованный воздух как равновесную смесь. Диффузионные потоки рассчитываются из соотношений Стефана-Максвелла, коэффициенты переноса определяются согласно молекулярно кинетической теории через интегралы столкновений. Численное решение проводится по явной схеме SLAU2 на неравномерной прямоугольной сетке со сгущением узлов к поверхности образца. Химические превращения рассчитываются на отдельным шаге решением жесткой системы ОДУ по схеме семейства Адамса с численным расчетом якобиана. В данной работе используется кинетическая схема с 32 реакциями, при этом учитывается только химическая неравновесность, а колебательная температура и температура электронов считаются равными поступательной температуре. На рисунке 1 показаны результаты моделирования разрабатываемой программой течения воздушной плазмы при сверхзвуковом обтекании цилиндрического образца с плоским торцем для условий испытаний в плазмотроне ВГУ-4.
1.Брызгалов А.И. Численное моделирование течения термически и химически неравновесного воздуха за фронтом ударной волны // Вестник МГТУ им. Баумана, 2021 №3, 96, с 94–111.
Андрей Иванович Брызгалов
Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева
Большинство работ посвященных изучению пленочного охлаждения, представляют собой результаты экспериментальных исследований проведенных на плоской поверхности с различными сочетаниями углов, форм отверстий и их взаимного расположения друг относительно друга. Причем практически все работы такого типа посвящены исследованию эффективности пленочного охлаждения при дозвуковом течении основного потока. Однако в инженерной практике случаются случаи, когда режим течения при обтекании профиля лопаток переходит сверхзвуковой барьер, что особенно актуально для поверхности спинки высокоперепадных турбин. Изучению данной проблемы и посвящена данная работа.
В обеспечение экспериментальных исследований по данной теме в работе выполнено численное исследование в ANSYS с рекомендациями из [1,2]. Расчеты выполнены на выпуклой поверхности, форма которой повторяет поверхность лопатки двигателя и обеспечивает сверхзвуковой режим течения в канале, а также структуру течения в реальном межлопаточном канале на расстоянии в 20 калибров (20d) от выдува отверстий перфорации. Перед сужающимся участком основного канала, выполнены отверстия для выдува вторичного воздуха моделирующие отверстия перфорации на спинке сопловой лопатки. В работе исследованы следующие формы отверстий расположенные по углом 30° к поверхности основного канала: 1 - цилиндрические отверстия; 2 - веерные отверстия fan-shape с длиной расширяющегося участка 1d; 3 - отверстия laidback; 4 - отверстия fan-shape с длиной расширяющегося участка 3d; 5 - с отверстиями fan-shape laidback (длина расширяющегося участка fan-shape – 2d, laidback – 1d). Все отверстия имеют диаметр 0,8 мм и относительный шаг 3,5d.
Результаты расчетов по определению эффективности пленочного охлаждения для разных типов рассмотренных отверстий и параметрах вдува m=1 и 2 представлены на рисунке 1.
Рисунок 1. Эффективность пленочного охлаждения при a – m=1, б – m=2.
1 – отверстия №1; 2 - №2; 3 - №3; 4 - №4; 5 - №5.
Эффективность пленочного охлаждения при параметре вдува m<1.5 на отверстиях различной формы практически идентичны, при m>1.5 отверстия 4 и 5 имеют наибольшую эффективность.
Список литературы:
1) Колесова А.А. Расчетно-экспериментальное исследование пленочного охлаждения / А.А. Колесова, С.В. Веретенников Тезисы докладов ⅩⅬⅤⅠ Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения - 2020»: Сборник тезисов докладов. – М.: МАИ. 2020 – 160 с.
2) Халатов А.А. Термогазодинамика сложных потоков около криволинейной поверхностей / А.А. Халатов, И.В. Шевчук, А.А Авраменко, С.Г. Кобзарь, Т.А. Железная // К.: Изд. Ин-та технической теплофизики НАН Украины. 1999 – 134 с.
Анна Александровна Колесова
НИИ механики МГУ
Под термином «энергоразделение» понимается перераспределение полной температуры в потоке газа без совершения им внешней работы и теплообмена с окружающей средой. На входе в устройство энергоразделения – исходно сжатый газ, на выходе – охлажденный и подогретый газовые потоки. В технике известен способ сверхзвукового безмашинного энергоразделения газового потока (труба Леонтьева) [1]. Принцип действия способа: сжатый газ делится на два потока, первый разгоняется до сверхзвуковой скорости, а второй – дозвуковой поток – направляется с противоположной стороны от разделяющей потоки перегородки. В результате взаимодействия через теплопроводную перегородку сверхзвуковой поток разогревается, а дозвуковой охлаждается.
Одним из возможных применений способа сверхзвукового безмашинного энергоразделения является создание технологии предотвращение гидратообразования при редуцировании давления природного газа на газораспределительных станциях [2]. Интегральный дроссель-эффект снижения температуры природного газа составляет 4-6 градусов при снижении давления на 1 МПа. К гидратообразующим компонентам природного газа относятся метан, этан, пропан, изобутан, углекислый газ, сероводород и некоторые другие. Ранее было показано, что дроссель-эффект охлаждения газа при работе устройства на воздухе полностью перекрывается нагревом сверхзвукового потока от дозвукового.
В рамках данной работы проводится исследование прототипа устройства сверхзвукового безмашинного энергоразделения при работе на гидратообразующем компоненте природного газа – углекислом газе. В задачи исследования входило измерение распределения статического давления и температурного дроссель-эффекта при течении в канале сверхзвукового потока воздуха и углекислого газа в сравнении с течением в канале с дроссельной шайбой, а также оценка уровня нагрева сверхзвукового потока углекислого газа в исследуемом устройстве.
1.Leontiev A.I., Popovich S.S., Vinogradov U.A., Strongin M.M. Experimental research of supersonic aerodynamic cooling effect and its application for energy separation efficiency // Proceedings of the 16th International Heat Transfer Conference, IHTC-16. 2018. V. 212244. 8 p.
2.Попович С.С., Здитовец А.Г., Киселев Н.А., Макарова М.С. Использование метода сверхзвукового безмашинного энергоразделения при редуцировании давления природного газа // Тепловые процессы в технике. 2019. № 1. С. 2-15.
Сергей Станиславович Попович
