научный журнал по физике Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа ISSN: 0568-5281

ДИРЕКТОР Л. Б., МАЙКОВ И. Л. — 2009 г.

Предложена численная модель, разработанная на основе метода функции уровня, позволившая описать как нелинейные колебания одиночной капли жидкости, так и процессы дробления и слияния капель. Уравнения Навье-Стокса, записанные в переменных "скорость-давление" на прямоугольной равномерной сетке в цилиндрической системе координат, решаются при помощи метода расщепления по физическим процессам. Получены неосциллирующие решения для двухфазных сред с характерным отношением плотностей фаз меньше 10-3 и Re > 1000. Возможности разработанного подхода демонстрируются на примере решения задачи о падении капли из капилляра (отрыв от капилляра, образование "шарика Плато", полет капли, соударение с плоской поверхностью, осцилляции капли на поверхности и растекание). Сравнение результатов моделирования с известными расчетными моделями и экспериментальными данными показало удовлетворительное согласие как по фазам колебаний, так и форме капель.

ПРИХОДЬКО А. А., РЕДЧИЦ Д. А. — 2009 г.

Для исследования нестационарного обтекания вращающегося кругового цилиндра применяются уравнения Навье-Стокса. Численный алгоритм базируется на методе искусственной сжимаемости, неявной трехслойной схеме второго порядка с подытерациями при интегрировании по времени, разностной схеме третьего порядка с расщеплением векторов потоков для конвективных членов и центрально-разностной схеме при интегрировании вязких членов. Анализируются полученные профили скорости, поля завихренности, числа Струхаля, распределение коэффициентов давления и трения по поверхности цилиндра, коэффициенты лобового сопротивления и подъемной сили при ламинарном режиме обтекания.

КАШКИН Ю. Ф., КОНОВАЛОВ А. Е., КРАШЕНИННИКОВ С. Ю., ЛЮБИМОВ Д. А., ПУДОВИКОВ Д. Е., СТЕПАНОВ В. А. — 2009 г.

Представлены результаты специальных исследований структуры течения для двух моделей криволинейных диффузорных каналов: с кольцевой и прямоугольной формами поперечного сечения. Проведены визуализация течения и измерения полей полного давления с помощью малоинерционных датчиков. Параллельно осуществлены численные расчеты течения с использованием коммерческих программ и кодов собственной разработки, в которых интегрировались стационарные и нестационарные уравнения Рейнольдса, замкнутые моделями турбулентности, и нестационарные уравнения Навье-Стокса. Обнаружено значительное различие между данными, полученными экспериментально, и численными расчетами в стационарной постановке. На основе решения нестационарных задач удалось описать появление пространственных неоднородностей, структуру течения и уровень аэродинамических потерь, наблюдаемых в эксперименте.

ГЕРМАН В.О., ЕРШОВ А.П., КОЗЛОВ П.В., ЛЮБИМОВ Г.А., СУРКОНТ О.С. — 2009 г.

Приводятся результаты исследования распределения концентрации заряженных частиц в межэлектродном пространстве свободногорящей в воздушной атмосфере дуги при токах I ~ 50- 100 А с помощью подвижного двойного электрического зонда. Используемые методики и схема позволяют измерять вольт-амперную характеристику зонда за времена ~ 100 мкс, что дает возможность оценить распределение концентраций заряженных частиц в межэлектродном пространстве в течение одного эксперимента. Проведено сопоставление полученных распределений заряженных частиц с распределением областей различного уровня светимости [1, 2]. На основе этого сравнения показано, что характерный поперечный размер области протекания тока в дуге вдали от электродов имеет порядок сантиметра.

ЗАЙЦЕВ М. Ю., КОПЬЕВ В. Ф., ЧЕРНЫШЕВ С. А. — 2009 г.

Анализируется соответствие имеющихся представлений о волнах неустойчивости как основных динамических источниках шума в сверхзвуковых струях данным акустических измерений этого шума. Методологически задача состоит в проверке главных принципов теории Тама излучения шума сверхзвуковой струей, которая построена на идеологии волн неустойчивости в сдвиговом слое струи и их определяющей роли в генерации шума. Технически работа основана на разработанной авторами новой методике измерений шума - методе азимутальной декомпозиции. Показано, что в области чисел Струхаля 0.03-0.35 теория удовлетворительно описывает направленность излучения отдельными гармониками, а начальные амплитуды волн неустойчивости находятся в качественном соответствии с предположением об их равнораспределении вблизи кромки сопла.

ГЕРЦЕНШТЕЙН С. Я., МОНАХОВ А. А. — 2009 г.

Представлены результаты экспериментального исследования течения диэлектрической жидкости в тонких каналах с составными стенками из разных диэлектриков. Обнаружено, что при некоторой скорости потока на границе раздела диэлектриков в результате электризации возникает свечение жидкости. Свечение имеет дискретный характер в виде частых импульсов и сопровождается электромагнитной помехой в радиодиапазоне. Показано, что с уменьшением толщины канала свечение возникает при меньших скоростях потока. Свечение сопровождается разогревом жидкости в пристеночной области, которое может достигать нескольких десятков градусов. Потенциал электризации достигает величины более 100 кВ. Обсуждаются механизмы электризации и возникновения свечения жидкости.

2008

2008

ШИРЯЕВА С. О. — 2008 г.

В аналитических асимптотических расчетах второго порядка малости найдено решение задачи о нелинейных осцилляциях однородно заряженной струи электропроводной вязкой жидкости с учетом радиального распределения поля скоростей течения жидкости в струе. Обнаружен феномен постепенной передачи энергии из изначально возбужденной волны в волну с удвоенным волновым числом, возбуждающуюся за счет нелинейного взаимодействия в вязкой струе, тогда как в идеальной жидкости амплитуда нелинейной поправки формируется мгновенно в начальный момент времени.

БОКСЕР В. Д., СУДАКОВ Г. Г. — 2008 г.

Применительно к течениям, которые описываются уравнениями Навье-Стокса и Рейнольдса, представлен единый вывод формул для всех компонент аэродинамического сопротивления (полного, трения, индуктивного, волнового, давления, теплообменного). Для течений такого типа дано уточнение определения компонент аэродинамического сопротивления и обсуждены физические основания для выбранного способа разделения полного сопротивления на компоненты. Рассмотрены способы вычисления компонент аэродинамического сопротивления с помощью методов вычислительной аэродинамики. На основе уточненных формул приведены примеры расчетов компонент сопротивления для течений около профилей и крыла большого удлинения при околозвуковых скоростях набегающего потока.

АКУЛИЧ А. В., ЗВЯГИН А. В. — 2008 г.

Представлены результаты численного моделирования взаимодействия трещины гидроразрыва, распространяющейся в условиях плоской деформации в бесконечной непроницаемой упругой среде с уже существующим природным разломом. Трещина создается несжимаемой ньютоновской жидкостью, закачиваемой с постоянным расходом из источника, расположенного в ее центре; поведение разлома описывается моделью сухого трения типа Мора-Кулона. Полученные результаты согласуются с существующими работами в данной области.

КОЗЛОВ В. Г., КОЗЛОВ Н. В. — 2008 г.

Исследуется поведение легкого свободного цилиндрического тела в быстро вращающемся горизонтальном цилиндре с жидкостью при вибрационном воздействии (направление вибраций перпендикулярно оси вращения). Обнаружено возбуждение интенсивного вращения тела относительно полости. В зависимости от частоты вибраций скорость вращения тела в лабораторной системе отсчета может быть больше или меньше скорости вращения полости, в области резонанса скорости могут различаться в несколько раз. Дано теоретическое описание механизма генерации движения. Показано, что движение связано с возбуждением инерционных колебаний тела; источник движения - осредненная вибрационная сила, генерируемая вследствие нелинейных эффектов в пограничном слое Стокса вблизи колеблющегося тела. Обнаружено формирование периодических вдоль оси вращения крупномасштабных осесим-метричных вихревых структур, возникающих в условиях инерционных колебаний тела как при опережающем, так и при отстающем его движении.

ИВАНОВА А.А., КОЗЛОВ В. Г., КУЗАЕВ А. Ф. — 2008 г.

Экспериментально изучается новый тип вибрационной подъемной силы [1], действующей на сферическое тело, колеблющееся в вязкой жидкости вблизи твердой границы. В результате взаимодействия тела с границей полости появляется сила отталкивания, способная в поле силы тяжести удерживать тяжелое тело на некотором расстоянии от дна, а легкое тело на некотором расстоянии от потолка. Сила отталкивания проявляется на расстоянии, сравнимом с толщиной пограничного слоя Стокса, и нарастает по мере приближения к поверхности. За пределами вязкого взаимодействия сила отталкивания сменяется силой притяжения, угасающей с расстоянием. Найдены безразмерные параметры, определяющие вибрационное взаимодействие, построены пороговые кривые перехода тел различной плотности в "подвешенное" состояние в зависимости от безразмерной частоты. Изучены зависимость силы отталкивания и зависимость силы притяжения от расстояния между телом и стенкой.

ЗАНИН Б. Ю., ЗВЕРКОВ И. Д., КОЗЛОВ В. В., ПАВЛЕНКО А. М. — 2008 г.

Проведены экспериментальные исследования обтекания моделей крыльев в дозвуковой аэродинамической трубе для больших углов атаки, при которых происходит отрыв ламинарного пограничного слоя вблизи передней кромки крыла (срыв потока). Объектом исследований была структура течения внутри области отрыва. В экспериментах использована "саже-масляная" визуализация поверхностных линий тока, показавшая, что в области отрыва существуют одна или несколько пар крупномасштабных вихрей, вращающихся в плоскости крыла. Найдено, что существуют как общие свойства вихревых структур в области отрыва, так и отличия картин течения в зависимости от удлинения модели, угла скольжения и других факторов.

ЛЮБИМОВ Д. В., ЛЮБИМОВА Т. П., МУРАТОВ И. Д., ШИШКИНА Е. А. — 2008 г.

Исследуется возникновение конвекции в подогреваемой снизу двуслойной системе горизонтальных слоев чистой жидкости и пористой среды, насыщенной той же жидкостью, под действием вертикальных вибраций. Для описания свободной тепловой конвекции в жидком слое используется приближение Буссинеска, в пористом слое - приближение Дарси-Буссинеска. Рассмотрение ведется в рамках осредненного подхода. Для предельного случая тонкого жидкого слоя получены эффективные граничные условия на верхней границе пористого слоя, учитывающие конвекцию в жидком слое, показано, что вибрации оказывают стабилизирующее действие, а наличие жидкой прослойки ведет к дестабилизации. Численно исследовано возникновение конвекции при произвольных значениях отношения толщин жидкого и пористого слоев. В случае тонких жидких слоев имеются две моды неустойчивости: коротковолновая и длинноволновая. В случае толстых слоев нейтральные кривые унимодальны. Вибрации оказывают стабилизирующее действие на возмущения с любым волновым числом, однако их действие на коротковолновые возмущения значительно сильнее, чем на длинноволновые.

ЛЮБИМОВ Д. В., ЛЮБИМОВА Т. П., САДИЛОВ Е. С. — 2008 г.

Рассмотрена устойчивость механического равновесия подогреваемого снизу горизонтального слоя проводящей жидкости при наличии магнитного поля, вращающегося в горизонтальной плоскости. Исследованы как конечные частоты вращения поля, так и предельный случай высоких частот. Показано, что магнитное поле стабилизирует равновесие. Зависимость длины волны критических возмущений от напряженности поля немонотонна, причем с увеличением напряженности магнитного поля происходит смена моды наиболее опасных возмущений от длинноволновой к коротковолновой. Проведены численные расчеты нелинейных трехмерных режимов конвекции. Обнаружено, что при конечных надкритичностях и достаточно сильном магнитном поле могут быть одновременно устойчивыми как валы, так и гексагональные ячейки.

ЛАН ЧУНГ-ВЕН, ЛЮБИМОВ Д. В., ЛЮБИМОВА Т. П., ОСПЕННИКОВ И. А., ПАРШАКОВА Я. И., Ю ВАН-ЧИН — 2008 г.

Численно исследуется влияние вибраций различного типа на морфологическую неустойчивость фронта при направленной кристаллизации бинарных сплавов в условиях невесомости и земных условиях. Частота вибраций предполагается высокой, а амплитуда малой, и применяется осредненный подход. Показано, что высокочастотные вращательные вибрации порождают интенсивное среднее течение, локализованное у фронта кристаллизации, направление этого течения противоположно направлению гравитационно-конвективного течения. Взаимодействие вибрационного течения с гравитационной конвекцией в земных условиях приводит к оттеснению гравитационного вихря от фронта кристаллизации. Как в земных условиях, так и в условиях невесомости вращательные вибрации оказывают сильное стабилизирующее действие на морфологическую неустойчивость и предотвращают образование приосевой впадины.

БЕЛЯЕВ А. Ю., ЮШМАНОВ И. О. — 2008 г.

Построена математическая модель совместной миграции влаги и растворенного в ней загрязняющего вещества во влажном торфяном грунте, учитывающая гистерезис процессов сорбции и десорбции. Исследованы вопросы разрешимости начально-краевых задач и устойчивости решений. Реализовано численное решение ряда задач, характеризующих особенности распределения загрязнений в торфяных массивах. Предложен физический механизм, приводящий к часто наблюдаемому эффекту локализации равновесного распределения сорбирующихся веществ в верхнем слое почвы. С помощью численных расчетов проанализировано влияние на этот эффект параметров среды, а также режима поступления влаги и загрязняющего вещества в систему.

БАЛА-ПИШЛЕН М., КОВАЛЕВ В. Л., КОЛЕСНИКОВ А. Ф., КРУПНОВ А. А. — 2008 г.

Детальный учет гетерогенных каталитических процессов, в том числе образования на поверхности частиц с возбужденными внутренними степенями свободы, а также процессов многокомпонентной диффузии и теплопереноса в установке MESOX позволил получить величины коэффициентов рекомбинации и аккомодации энергии рекомбинации атомов кислорода на кварце, хорошо согласующиеся с экспериментальными данными. Построенная модель гетерогенного катализа может быть эффективно использована для предсказания тепловых потоков к поверхности многоразовых космических аппаратов при их входе в атмосферу Земли.

АБРАМОВ А. А., БУТКОВСКИЙ А. В. — 2008 г.

Методом прямого статистического моделирования исследовано влияние коэффициента тепловой аккомодации аЕ на соотношение для слоя Кнудсена при сильной дозвуковой конденсации. Показано, что отличие аЕ от единицы может существенно влиять на параметры течения и, в частности, на Mlim - предельное при дозвуковой конденсации число Маха. Установлено, что при относительной температуре потока (отношении температуры на внешней границе кнудсеновского слоя к температуре поверхности) Т 1 уменьшение аЕ приводит к увеличению Mlim при MlimТ > 1 уменьшение аЕ приводит к уменьшению Mlim. Показано, что при зеркальном отражении молекул от поверхности этот эффект может усиливаться.