ВАЖНЕЙШИЕ НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ
Института теоретической и прикладной механики СО РАН
за 2001 год по комплексной программе "Механика жидкости и газа"

1. На основе функциональных назначений летательных аппаратов и термодинамической модели процесса получены критерии и выполнены оценки энергетической эффективности подвода тепла перед телом в сверхзвуковом потоке для аппаратов снарядного и самолетного типов. Даны оценки минимальных чисел Маха, начиная с которых подвод тепла перед телом целесообразен. Выполнены оценки увеличения дальности полета на крейсерском режиме для летательного аппарата самолетного типа и на активном участке для летательного аппарата снарядного типа. Получены оценки экономии топлива при выведении воздушно-космического самолета на околоземную орбиту. Показано, что для получения значимого эффекта необходимо существенную часть расходуемого топлива вкладывать на получение энергии на нагрев газа. Дана оценка минимально необходимого "коэффициента полезного действия" преобразования энергии топлива в энергию нагрева газа.


Аннотация

Многочисленные экспериментальные исследования аэродинамических характеристик гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА) свидетельствуют, что их максимальное аэродинамическое качество в гиперзвуковом диапазоне скоростей оставляет около .


Аэродинамическое качество гиперзвуковых и аэрокосмических самолетов и их моделей в зависимости от числа Маха

На рисунке представлены экспериментальные и расчетные значения аэродинамического качества гиперзвуковых и аэрокосмических самолетов. Данные получены для различных моделей в аэродинамических трубах различных аэродинамических центров. Эти результаты свидетельствуют о том, что не удается существенно увеличить аэродинамическое качество посредством аэродинамического конструирования конфигураций ГЛА. Поэтому в последние годы значительное внимание уделяется задаче активного управления обтеканием тел посредством энергетического и/или силового воздействия на обтекающий поток, в частности, - посредством подвода тепла перед телом в сверхзвуковом потоке газа. Этой проблеме посвящено значительное число работ. Для технической реализации предполагается использование лазерного и СВЧ-излучения, электрический разряд. Аэродинамический эффект - уменьшения сопротивления - связывается, главным образом, с уменьшением плотности газа в набегающем потоке, что подтверждается прямыми измерениями, впервые выполненными в ИТПМ СО РАН. Первые расчеты были выполнены Г.Г. Черным и В.А. Левиным. Дополнительные эффекты возможны из-за изменения режима обтекания вследствие уменьшения числа Маха, изменения числа Рейнольдса, ионизации потока.

Традиционно эффективность подвода тепла в установившемся полёте оценивается величиной


где А0 - исходная мощность силы тяги, А - мощность силы тяги при тепловом воздействии, Q -мощность теплоподвода. Величину можно представить в виде


где k - показатель адиабаты, -коэффициент аэродинамического сопротивления, -число Маха полета. В этом показателе не учитывается полный энергетический баланс и функциональное назначение летательного аппарата, а также существенные параметры процесса: степень нагрева газа, несущие свойства летательного аппарата, характеристики двигателя, эффективность преобразования энергии топлива в энергию излучения. Неясна также возможность применения показателя эффективности при увеличении числа Маха полета вследствие неограниченного роста его значения.

При оценке эффективности учитывались названные обстоятельства. Коэффициент эффективности вводится посредством отношения исходной мощности двигателя к сумме мощности двигателя при воздействии на поток и энергии топлива, затраченной на создание поглощенного излучения Q , которое следует из математического моделирования функционирования летательных аппаратов



Показатель характеризует увеличение дальности крейсерского полета вследствие теплового воздействия на набегающий поток, а обратная величинастепень уменьшения удельных затрат топлива при полете с ускорением. В этом показателе учтены все выше названные параметры процесса.

Примеры оценок. При =10; 15 коэффициент увеличения дальности составляет соответственно =1.22; 1.39. Доля топлива, затрачиваемая на получение энергии излучения составляет при =10 около 40% от суммарного расхода, что свидетельствует о значительных затратах энергии на управление потоком. Из условия =1 определяется минимальное число Маха, начиная с которого целесообразно нагревать набегающий поток. Для условий проведения оценок имеем .

Численно получено, что затраты топлива на траектории выведения воздушно-космического самолета на околоземную орбиту высотой 200 км при тепловом воздействии на набегающий поток в диапазоне чисел Маха =6-17 могут быть уменьшены примерно на 3%. Этот результат свидетельствует о возможности значительного увеличения массы выводимой на орбиту полезной нагрузки без увеличения взлетной массы воздушно-космического самолета.

2. Завершен цикл исследований по аэродинамике течений с мощным оптическим пульсирующим разрядом. Показана возможность практического управления сверхзвуковыми потоками с использованием локальных тепловых источников как для внешнего обтекания, так и для внутренних течений. Полученные результаты могут служить основой для развития нового направления в авиации - аэрогазодинамики течений с мощными источниками импульсно-периодического подвода энергии для управления сверхзвуковым обтеканием летательных аппаратов. Это направление может привести к разработке принципиально новых компоновок летательных аппаратов, учитывающих особенности энергетически управляемого обтекания.


Аннотация

Выполнен цикл исследований по аэродинамике течений с внешним подводом тепла, направленный на изучение структуры потока и возможности управления сверхзвуковым обтеканием осесимметричных тел.

Впервые в мире (в 1992 г.) локальный квазистационарный тепловой источник реализован от плазмы мощного оптического пульсирующего разряда (МОПР) с использованием импульсно-периодического СО2-лазера с высокой импульсной (до 500 кВт) и средней (до 2,5 кВт) мощностью. Определены параметры излучения, необходимые для осуществления устойчивой стабилизации процесса энергоподвода в различных газодинамических ситуациях и характеристики теплового источника, образующегося в потоке.

При исследовании физической картины развития течения выявлен ряд характерных особенностей газодинамической структуры в окрестности энергоподвода. Показано, что вследствие распространения светодетонационной волны в потоке формируется локальный протяженный источник энерговыделения, длина которого в 5-7 раз превышает поперечный размер. При его обтекании возникают эллиптические ударные волны и образуется квазистационарная волновая структура. Сформулированы условия квазистационарности течения на основе связи скорости потока, частоты следования энергоимпульсов и протяженности плазменного образования. За областью энергоподвода развивается тепловой след, поперечный размер которого в несколько раз больше диаметра источника. Структура теплового следа и его параметры зависят от подводимой мощности и частоты следования энергоимпульсов. След носит прерывистый периодический характер. Квазинепрерывный режим наступает при частоте свыше 45 кГц и скорости внешнего течения ~ 480 м/с. Использование упрощенной модели теплового источника в расчетных исследованиях дает хорошее качественное и количественное (для параметров следа) совпадение с наблюдаемой в экспериментах структурой.


Впервые осуществлен микроволновой разряд, локализованный в плазме распадающегося оптического пробоя газа. Определены условия, при которых лазерная плазма поглощает мощный микроволновой пучок. Результаты позволяют прогнозировать возможность создания протяженных источников энергоподвода с использованием СВЧ-энергии при относительно малых энергозатратах на пробой газа.

Исследована структура обтекания конуса и полусферы при создании МОПР перед ними. Прослежена динамика изменения картины обтекания при воздействии теплового следа (см. рисунок). При взаимодействии теплового следа с поверхностью обтекания происходит ослабление интенсивности ударных волн, либо их полное исчезновение. Весовыми измерениями установлено, что аэродинамическое сопротивление таких тел может быть уменьшено в два раза при скорости потока соответствующей числу и числе . Механизм этого уменьшения связан с обтеканием тела газом с пониженной по сравнению с внешним потоком плотностью. Установлено, что эффект снижения сопротивления зависит от геометрии тела и его расстояния от области энерговыделения, а также вкладываемой в поток мощности. Выявлено существенное влияние на аэродинамическое сопротивление частоты следования энергоимпульсов. Смещение источника теплоподвода от оси обтекания приводит к несимметричной структуре течения, что может быть использовано для управления моментными характеристиками.

3. Проблема создания гиперзвуковых летательных аппаратов связана со снижением сопротивления. Практическая реализация такого снижения может быть обеспечена при ламинарном обтекании аппарата на возможно большей поверхности. На основе экспериментальных исследований впервые показано, что специальные ультразвукпоглощающие покрытия эффективно подавляют рост высокочастотных возмущений в гиперзвуковом пограничном слое и их применение значительно увеличивает область ламинарного течения, существенно снижая сопротивление и тепловые потоки на поверхности.


Аннотация

Выполнены экспериментальные исследования стабилизации гиперзвукового пограничного слоя с помощью ультразвукпоглощающего покрытия. Поглощающее покрытие представляет собой пористый материал, состоящий из спеченных тонких стальных проволочек диаметром 30мкм (рис.1). Эксперименты проводились на остром конусе при числе Маха М=6. Одна половина поверхности модели была сплошной, на другой половине находилось поглощающее покрытие (рис.2). Измерения проводились термоанемометрическим методом. Исследование развития естественных возмущений показали, что покрытие полностью поглощает возмущения второй моды, но несколько дестабилизирует первую моду возмущений (рис.3). Для получения детальных характеристик возмущений второй моды выполнено моделирование неустойчивых возмущений методом искусственных волновых пакетов. Пакеты вводились в гиперзвуковой пограничный слой высокочастотным тлеющим разрядом на частоте 280 кГц. Результаты моделирования (рис.4) показали, что поглощающее покрытие существенно уменьшает рост возмущений второй моды.


Рис.1 Увеличенное изображение пористого материала

Рис.2 Конус наполовину покрытый пористым материалом


Рис.3 Спектры естественных возмущений генерируемой на частоте 280 кГц.

Рис.4 Усиление двумерной волны

4. В результате совместных исследований с учеными из Чалмского технологического университета г. Гетеборг (Швеция) впервые обнаружено, что вторичное течение на скользящем крыле приводит к асимметрии лямбда-структур в трехмерном пограничном слое, которая коренным образом меняет сценарий перехода к турбулентности для рассматриваемой ситуации.

(Работа выполнена в ИТПМ СО РАН совместно с Чалмским технологическим университетом г. Гетеборг, Швеция).


Аннотация

Известно, что классический ламинарно-турбулентный переход при низкой степени турбулентности набегающего потока на нелинейной стадии этого процесса связан с трехмерным искажением волны Толлмина-Шлихтинга, что приводит к образованию так называемых лямбда-структур. В гармоническом (К-режиме) перехода лямбда-структуры располагаются друг за другом, а в субгармоническом (N-режиме)-в шахматном порядке. Каждая структура состоит из двух противовращающихся вихрей, замыкающихся на головке лямбда-структуры. Механизм разрушения лямбда-структур связывают с процессом непрерывного взаимодействия противовращающихся вихрей и головки лямбда-структуры, выносом инертного газа из пристенной области в головку структуры, что в конечном итоге приводит к турбулизации течения.

Однако, как показали совместные экспериментальные исследованиями с учеными из Чалмского технологического университета г. Гетеборг (Швеция) данный сценарий разрушения лямбда-структуры кардинально меняется в К-режиме перехода на скользящем крыле, где имеется сильное вторичное течение вдоль крыла. Показано, что один из противовращающихся вихрей лямбда-структуры, направление вращения которого противоположно вторичному течению, начинает постепенно затухать с ростом угла скольжения, что ведет к росту асимметрии лямбда-структуры. При угле скольжения 450 от лямбда-структуры остается только один вихрь (см. рисунок).


При этом нарушается известная на данный момент концепция процесса разрушения лямбда-структуры, так как исчезает механизм выноса пристенной жидкости в головку, вызываемый динамикой двух противовращающихся вихрей. Остается лишь один нестационарный вихрь, исчезает понятие головки. По своей структуре данное возмущение напоминает полосчатую структуру с передним и задним фронтами, механизм разрушения которой связан с вторичной, высокочастотной неустойчивостью. Таким образом, найденное изменение топологиии лямбда-структур в К-режиме перехода на скользящем крыле коренным образом меняет и сам сценарий перехода.


ВАЖНЕЙШИЕ НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ
Института теоретической и прикладной механики СО РАН
за 2001 год по комплексной программе "Проблемы машиностроения"

1. На основе теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом разработаны принципы и созданы автоматизированные лазерные технологические комплексы (АЛТК). Такие комплексы на базе источников излучения мощностью 1ё8 кВт предназначены для лазерной резки, сварки и упрочнения поверхности. Разработана технология безгратовой резки стали с малой шероховатостью поверхности.


Аннотация

Разработаны принципы создания автоматизированных лазерных технологических комплексов (АЛТК) на базе источников излучения мощностью 1-8 кВт. Исследовано теоретически, методами численного моделирования и экспериментально взаимодействие мощного лазерного излучения с веществом применительно к отработке методики лазерной резки, сварки, упрочнения поверхности. Изучено поведение материала при поглощении больших потоков энергии, что позволило создать технологию безгратовой резки с малой шероховатостью поверхности.

На базе проведенных фундаментальных исследований созданы промышленные АЛТК и введены в эксплуатацию на Новосибирском заводе "ЭЛСИБ" с использованием лазера мощностью 1,5 кВт. АЛТК предназначен для изготовления деталей электрических машин. На территории ИТПМ СО РАН совместно с ОКБ лазерной техники при СО РАН создан стенд лазерной обработки материалов на базе источников излучения мощностью 5-7 кВт.

Впервые в мире созданы лазеры большой мощности до 10 кВт с высоким качеством излучения ТЕМ00 моды и Гауссовским пучком. Стенд ориентирован на создание технологии лазерной сварки цветных металлов, в частности, алюминия для создания деталей самолетов.


Автоматизированный лазерный технологический комплекс на заводе "ЭЛСИБ"

2. На основе исследования нестационарных ударно-волновых процессов в жидкости и газе разработаны пневмоимпульсные технологии и предложена методика разрушения отложений различной твердости (солевых, карбонатных, известковых, угольных, цементных, парафиновых и др.). Пневмоимпульсные технологии нашли широкое практическое применение на предприятиях энергетической, угольной и металлургической промышленности России.


Аннотация

Результаты исследований ИТПМ СО РАН в области нестационарной аэродинамики находят практическое применение при разработке пневмоимпульсных технологий для промышленности. В основу пневмоимпульсных технологий положено использование интенсивных кратковременных струй сжатого газа (воздуха) в технологических целях. Для создания нестационарных газовых струй разработаны специальные пневмоимпульсные генераторы различных конструкций.

Пневмоимпульсные технологии разработаны для решения следующих задач:

  • устранение зависания и налипания сыпучих материалов на стенках накопительных емкостей всевозможных размеров и конструкций;
  • очистка внутренних поверхностей трубопроводов диаметром от 50 до 300 мм (и более) от солевых, карбонатных, известковых, угольных, цементных, парафиновых и других отложений различной твердости;
  • очистка теплообменников различных конструкций и размеров (как трубного, так и межтрубного пространства ) от всевозможных отложений;
  • очистка теплообменных поверхностей водогрейных котлов и котлов ТЭЦ.

Указанные пневмоимпульсные технологии успешно используются на предприятиях энергетической, угольной и металлургической промышленности России. Опыт применения показывает, что пневмоимпульсные технологии являются более эффективными и экономичными по сравнению с другими, предназначенными для решения аналогичных задач.

В качестве примера на рисунке показана схема испытательного стенда для очистки отопительных батарей, моделирующего элемент системы отопления одноэтажного здания.


  1. Отопительный прибор из 8ми секций типа М-142.
  2. Твердые фракции отложений.
  3. Переходник для подключения пневмоимпульсного генератора ПГ 1/100.
  4. Поршневое устройство для передачи пневмоимпульса на теплоноситель.
  5. Пневмоимпульсный генератор ПГ 1/100.
  6. Воздухосбросное устройство.
  7. Воздухосборник.
  8. Датчик давления.
  9. Распределительная шайба.
  10. Соединительная муфта.
  11. Вентиль.

3. Впервые предложена математическая модель теплофизических процессов в электроде дугового плазмотрона, позволяющая описывать характер воздействия импульсно-периодического теплового поля дуги на металл, с учетом его кристаллической структуры и химической неоднородности, обусловленной присутствием легирующих элементов и примеси. Показано, что модифицирование расплава металла, используемого для изготовления электродов, специально подготовленными ультрадисперсными порошками (УДП) тугоплавких соединений существенно измельчает кристаллическую структуру металла и избыточных фаз, повышает чистоту границ зерен. Это позволяет снизить структурноблочное разрушение электрода и повысить ресурс его работы.

(Институт теоретической и прикладной механики).


Аннотация

Разработана физико-математическая модель теплофизических процессов в электроде дугового плазматрона, в которой впервые учитывается дисперсность кристаллической структуры металла электрода и его химическая неоднородность, обусловленная присутсвием легирующих элементов и примеси. Предложенная модель позволила провести количественный анализ механизма структурноблочного разрушения электрода под действием импульсно периодического теплового поля дуги. Действие этого механизма связано с проплавлением межзеренных участков металла (меди), обогащенных низкоплавкими эвтектиками и соответственно этому снижением теплопроводности и механической прочности соединения отдельных зерен в приповерхностном слое электрода. Опытные наблюдения структуры дефектов рабочей поверхности электрода (см. рис.) подтверждают указанный механизм его эрозии наряду с процессом испарения расплавленного слоя металла. Из приведенного анализа вытекает, что ресурс электрода можно повысить путем увеличения дисперсности и однородности структурных составляющих металла, из которого он изготовлен. В частности, это можно достигнуть модифицированием расплава металла специально подготовленными ультрадисперсными порошками (УДП) тугоплавких соединений. Проведенные исследования показывают, что УДП существенно измельчают кристаллическую структуру и избыточные фазы цветных и черных металлов. Это позволяет значительно снизить структурно-блочную эрозию электрода и повысить ресурс его работы.



ВАЖНЕЙШИЕ НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ
Института теоретической и прикладной механики СО РАН
за 2001 год по комплексной программе
"Механика деформируемого твердого тела"

1. Методом молекулярной динамики в 3-х мерной постановке исследован процесс разрушения идеального кристалла меди при постоянной скорости деформации. Показано, что кристалл разрушается в мезоячейке, в которой величина относительной деформации достигает некоторого критического значения. Само это значение определяется в квазистатическом численном эксперименте из условия равенства нулю сил взаимодействия атомов, находящихся в плоскостях, между которыми произошел разрыв и хорошо совпадает с данными экспериментов.

Таким образом, предложенный подход позволяет расчетным путем определять критерий разрушения по критическому значению относительной деформации.

(Работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН).