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 M_in/MCJ ~ 1,17 и больших (где M_CJ - 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.