ВАЖНЕЙШИЕ НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ
Института теоретической и прикладной механики
им. С.А. Христиановича СО РАН за 2006 год
1. Выполнен цикл теоретических и экспериментальных исследований, в которых сформулированы новые представления о механизмах разрушения и удаления расплава при газолазерной резке металлов. Установлена гидродинамическая природа образования шероховатости. Показана определяющая роль газовой динамики в процессе лазерной резки толстолистовых материалов. Сформулированы технические рекомендации по управлению струйными течениями вспомогательных газов, которые позволили получить качественно новые практические результаты и продвинуться по толщине разрезаемого материала до 30-50 мм с хорошим качеством и шириной от 0.4 мм до 2.6 мм.
Результаты проведенных исследований получены впервые в России, и по некоторым показателям опережают аналогичные зарубежные разработки.
На рис. 1 представлено: модельный эксперимент с визуализацией струйного течения в глубоком и узком канале, геометрически подобном лазерному резу (а); численное решение трехмерных уравнений Навье-Стокса (б); образцы лазерной резки (в) с хорошим качеством, полученные на автоматизированном лазерном технологическом комплексе ИТПМ СО РАН.
|
Рис.1. Визуализация сверхзвуковых струйных течений газа для кислородно-лазерной резки толстых листов металла
|
2. Проведено численное исследование гиперзвукового обтекания клина диссоциирующим азотом в около-континуальном режиме течения для числа Кнудсена Kn~0.0005. В исследованиях использовался как континуальный подход, основанный на решении уравнений Навье-Стокса, так и кинетический подход, основанный на методе прямого статистического моделирования (ПСМ) Монте-Карло. Результаты численного моделирования предсказывают нелинейный вид зависимости величины отхода головной ударной волны от угла клина, связанный с влиянием эффектов реального газа, и находятся в хорошем качественном согласии с экспериментальными данными Хорнунга и Смита.
|
Рис. 1. Поля числа Маха для различных углов клина. Расчеты методом ПСМ.
|
|
|
В 2006 г. получен патент № 2285143 на изобретение "Способ организации детонационного режима горения в камере сгорания сверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя" (приоритет от 10.12.2004, публикация 10.10.2006 в Бюллетене изобретений № 28 ). Данное изобретение базируется на проведенном научном исследование, основной целью которого являлось численное изучение осуществимости "стационарной" детонации при маховском отражении наклонных ударных волн, генерируемых системой из двух клиньев, в стационарном сверхзвуковом потоке водородно-кислородной смеси. Моделирование было проведено для различных чисел Маха набегающего потока Min, при давлении и температуре смеси p0= 0.2 бар, T0= 298.15 K, соответственно. Показано, что начиная с умеренно высоких степеней пересжатия Min/MCJ ~ 1,17 и больших (где MCJ - число Маха детонационной волны в режиме Чепмена-Жуге) формируется стационарная маховская конфигурация с пересжатой детонационной волной в качестве ножки Маха (см. Рис. 2б ). Получена зависимость высоты ножки Маха от угла клина
и от величины тепловыделения в смеси.
3. В ИТПМ СО РАН успешно развивается комплексная программа теоретических и экспериментальных исследований термо- газодинамики многофазных, вязких течений в условиях интенсивного выделения энергии, фазовых превращений и химических реакций. Эта программа направлена на решения задач создания мощных технологических газовых лазеров и изучения новых методов лазерной обработки материалов: резки толстых (до 50мм) стальных листов, комбинированной сварка и упрочнение поверхности с применением нанопорошков для управления структурой и составом металла, лазерная металлургией и лазерного фрезерования.
В рамках данной программы изучены предельные энергетические характеристики объемных тлеющих разрядов при конвективном охлаждении газа в замкнутом цикле. Впервые для формирования потока применены дисковые вентиляторы, машины трения, которые используются для осуществления двух функций- транспортировки газа и обмена тепла. Применение дисковых вентиляторов в новых условиях разреженной среды (ранее они были детально исследованы при атмосферном давлении) позволило открыть новый эффект - кризис объемного расхода газа. Дано физическое объяснение данному эффекту, основанному на конкуренции сил вязкости и инерции, найден безразмерный параметр и его критическое значение, определяющее кризис течения при уменьшении давления и числа оборотов.
Результатом данной работы явилось создание серии не имеющих мировых аналогов компактных технологических СО2-лазеров большой мощности до 14 кВт с конвективным охлаждением рабочих газов и высоким качеством луча. Эти установки продемонстрировали высокую надежность, экономичность, способность работать в условиях промышленного производства и ныне применяются в различных отраслях промышленности: атомной, электротехнической, мостостроительной, автомобильной и др.
4. Методом биспектрального анализа впервые подробно исследованы нелинейные механизмы ламинарного-турбулентного перехода гиперзвукового пограничного слоя на конусе. Показано, что все основные виды нелинейных процессов в критическом слое связаны со второй модой возмущений. Основной тип нелинейных взаимодействий - субгармонический резонанс (Рис. 1).
При биспектральном анализе в качестве меры нелинейности процесса используется коэффициент бикогерентности двух возмущений с частотами f1 и f2, уровни которого показаны на рисунках. Нелинейные процессы у верхней границы пограничного слоя в области низких частот (до 50 кГц) возникают задолго до их появления в слое максимальных пульсаций, а также развиваются ниже критического слоя (Рис. 2а). Причем нелинейные процессы в областях выше и ниже критического слоя интенсивно протекают даже тогда, когда в слое максимальных пульсаций нелинейные взаимодействия (квадратичного типа) уже практически исчезли. На поздних стадиях перехода нелинейные процессы выходят за ламинарный пограничный слой, формируя внешнюю часть турбулентного пограничного слоя (Рис. 2б).
|
Рис. 1. Нелинейные взаимодействия в слое максимальных пульсаций.
Конус с углом полураствора 7o и длиной 500мм. М = 6.
|
5. Впервые проведены комплексные расчетно-экспериментальные исследования развития возмущений в гиперзвуковом ( M > 20) вязком ударном слое на плоской пластине.
Прямое численное моделирование распространения возмущений было выполнено путем решения уравнений Навье-Стокса с помощью схем сквозного счета высокого порядка. Данные моделирования были подтверждены измерениями в гиперзвуковой аэродинамической трубе ИТПМ Т-327.
Исследован механизм возникновения возмущений в гиперзвуковом ударном слое (преобразование возмущений в УВ) и их модовый состав. Получены обширные данные по влиянию определяющих параметров задачи (частота, амплитуда, угол распространения возмущений, число Рейнольдса, температура поверхности и т.д.) на характеристики возмущений.
Показано, что поле пульсаций при воздействии на гиперзвуковой ударный слой внешних акустических волн качественно и количественно близко к полю пульсаций, которые генерируются искусственными периодическими возмущениями (типа "вдув-отсос" газа через поперечную щель) на поверхности модели в области передней кромки пластины, что открывает новые возможности для управления течением в ударном слое.
Продемонстрирована принципиальная возможность активного управления восприимчивостью гиперзвукового ударного слоя к внешним акустическим возмущениям путем их подавления контролируемыми периодическими возмущениями на поверхности тела.