ВАЖНЕЙШИЕ НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ
Учреждения Российской академии наук Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН за 2011 год

По комплексной программе «Механика жидкостей и газов»


1.
Обнаружен эффект активного управления несжимаемым турбулентным пограничным слоем на обтекаемой поверхности путем использования распределенного вдува воздуха через мелкоперфорированную проницаемую стенку. Получено существенное снижение сопротивления трения. Этот эффект может быть использован применительно к летательным аппаратам и течению газов в магистральных трубопроводах.

Аннотация

Эксперименты проводились в дозвуковой малотурбулентной аэродинамической трубе ИТПМ СО РАН и охватывали диапазон скоростей невозмущенного потока в контрольном сечении U от 9.5 до 31 м/с, что соответствовало числам Рейнольдса на 1 м Re1 = (0,633-2,0)106 м-1. Массовый расход вдуваемого воздуха на единицу площади менялся в пределах от 0 до 0,0739 кг/с/м2, что соответствовало максимальному коэффициенту вдува, равному 0,00287. Продемонстрирована высокая эффективность указанного способа воздействия на пограничный слой, позволяющего снизить местный коэффициент трения Сf на обтекаемой плоской поверхности на 70% (рис. 1, где Cb- коэффициент вдува), что с учетом энергетических затрат на процесс вдува обеспечивает уменьшение полного аэродинамического сопротивления указанной поверхности на 4,5 – 5 %. При этом устойчивое снижение Сf наблюдается даже вниз по потоку от проницаемого образца (рис. 2), что является дополнительным резервом уменьшения полного сопротивления. Выявлены основные закономерности, управляющие течением, и установлена возможность использования относительно несложных физических моделей для описания свойств турбулентного сдвигового течения, что вселяет определенный оптимизм в возможность создания физико-математической модели для течения с микровдувом.

image0.JPG
image1.png
Рис. 1. Изменение коэффициента поверхностного трения в зависимости от коэффициента вдува. Рис.2. Распределение местного коэффициента трения по длине обтекаемой поверхности.
Эксперимент: Cb = 0.002755 (1), 0 (2); численный расчет (3).

Ответственный исполнитель: г.н.с., д.ф.-м.н. Корнилов В.И.

тел. (8383) 330-39-06, e-mail: kornilov@itam.nsc.ru


2.
На основе механической и гидротермальной обработки продукта термохимической активации природного сырья глинозема и полых проницаемых сферических избирательно проницаемых частиц создан композитный наноструктурированный сорбент «гидрооксид алюминия + микросферы» (рис.1.). Исследование процессов сорбции и десорбции на этом сорбенте показало, что коэффициент проницаемости по гелию для микросфер прошедших процедуру гранулирования увеличился практически на два порядка по сравнению с исходным материалом микросфер, а также на порядок по сравнению со специально модифицированными ценосферами (рис.2.). Выявленные свойства используются при обогащении гелиевой смеси природного газа гелием.

(ИТПМ СО РАН, ИППУ СО РАН, ИХХТ СО РАН).

image2.jpeg

image3.png

Рис. 1. Фотография композитного сорбента

Рис. 2. Сравнение скорости изменения давления гелия в процессе сорбции для ценосфер и композитного сорбента «гидроксид алюминия + микросферы»

Ответственный исполнитель: академик В.М. Фомин

тел. (8-383) 330-85-34, email: fomin@itam.nsc.ru


3.
Обнаружено резкое увеличение относительной дальнобойности сверхзвуковой струи (относительной длины сверхзвукового участка струи) для микросопел диаметром менее 60 мкм. Эффект вызван подавлением вязкостью всех процессов возникновения и усиления неустойчивости микроструи. Найденный эффект позволит создавать плотные массивы сверхзвуковых микроструй, эффективно воздействующих на течения в различных микроустройствах и процессах.

image4.png    image5.png

Выполнены эксперименты по исследованию газодинамической структуры сверхзвуковых струй азота, истекающих из круглых звуковых микросопел. Измерения были выполнены уникальным датчиком Пито диаметром 2 мкм и толщиной стенки трубки 0,1 мкм, изготовленным по технологии самоформирования нанослоев, разработанной в ИФП СО РАН (рисунок справа). Изучен диапазон степени нерасчетности струи N = 14. Впервые обнаружено резкое увеличение относительной дальнобойности сверхзвуковой струи (относительной длины сверхзвукового участка струи Xs/D) для микросопел диаметром менее 60 мкм (график слева). Эффект вызван подавлением вязкостью всех процессов возникновения и усиления неустойчивости микроструи. Найденный эффект позволит создавать плотные массивы сверхзвуковых микроструй, эффективно воздействующих на течения в различных микростройствах и процессах (охлаждение поверхностей, управление течением в пограничном слое, подавление пульсаций потока).

Ответственный исполнитель г.н.с., д. ф.-м.н. Миронов С.Г.

тел (8-383) 330-85-28, e-mail: mironov@itam.nsc.ru


4.
В экспериментах по теплообмену в стальном микроканале при протекании суспензии наночастиц двуокиси кремния в этиловом спирте получено значительное превышение величины теплоотдачи над ожидаемой величиной по макроскопической модели Максвелла и подтвержден эффект влияния наноразмера частиц на интенсивность теплообмена. Использование наножидкостей в микроканалах позволит уменьшить размеры теплообменных устройств микроэлектроники и микромеханики.

image6.JPG    image7.png

Создана оригинальная установка, совмещающая вакуумную теплоизоляцию микроканала и бесконтактное измерение его температуры, для исследования теплоотдачи при течении наножидкостей в микроканалах (снимок слева). На ней впервые выполнены эксперименты по теплообмену в стальном микроканале диаметром 500 мкм при протекании через него суспензии наночастиц двуокиси кремния и меди в этиловом спирте. Исследован диапазон объемных концентраций 06,8% для двуокиси кремния и 01,4% для меди. Для двуокиси кремния получено значительное превышение величины теплоотдачи над ожидаемой величиной по классической макроскопической модели Максвелла и для данной пары частицы-жидкость подтвержден эффект влияния наноразмера частиц на интенсивность теплообмена (график справа, где приведены зависимости относительной величины снижения температуры микроканала от объемной концентрации наночастиц при постоянном расходе). Использование наножидкостей в микроканалах позволит уменьшить размеры теплообменных устройств микроэлектроники и микромеханики.

Ответственный исполнитель: г.н.с., д. ф.-м.н. Миронов С.Г.

тел (8-383) 330-85-28, e-mail: mironov@itam.nsc.ru


5.
На основе экспериментальных данных установлена возможность подавления электрическим разрядом интенсивных автоколебаний ударных волн, возникающих в сверхзвуковых струях, натекающих на преграду различной проницаемости. Существенная перестройка ударно-волновой картины течения при воздействии плазмы электрического разряда обладает свойством гистерезиса.

Полученные результаты могут быть применены для расширения рабочих режимов газодинамических установок различного назначения, подверженных резонансному нагружению, в авиационной, ракетной и плазмохимической промышленности, а также для управления такими режимами.

Эксперименты проводились на установках «Поток-3» и «Поток-М» ИТПМ СО РАН в диапазоне чисел Маха от 2.0 до 3.5. Электрический разряд постоянного тока инициировался в корне струи вне области основного течения. Сплошные преграды изготовлялись из стали, проницаемые - из высокопористого ячеистого никеля. На рис.1 представлены результаты теневой съемки с применением адаптивного визуализирующего транспаранта.

image8.JPG

Рис.1. Визуализация подавления интенсивных автоколебаний ударно-волновых фронтов при числе Маха М=3,0.
1 – сопло; 2 – осциллирующая ударная волна; 3 – преграда; 4 – электрический разряд; 5 – стабилизированная ударная волна.
а) режим с интенсивными автоколебаниями; б) подавление автоколебаний инициированием разряда; в) режим без автоколебаний; г) восстановление режима с интенсивными автоколебаниями 

Ответственный исполнитель: с.н.с., к.ф.-м.н. Постников Б.В.

Тел. (8383) 330-42-75 e-mail:  boris@itam.nsc.ru

По комплексной программе «Механика деформируемого твердого тела»


1.
В результате проведенного численного и экспериментального моделирования сварки взрывом предложено одно из возможных объяснений проблемы волнообразования при сварке взрывом металлических пластин, поставленной М.А. Лаврентьевым еще в 60 –х годах прошлого века. Показано, что образование волн происходит в окрестности точки контакта пластин в области повышенного давления и обусловлено автоколебаниями точек приложения сил от верхней и нижней пластины при их соударении. (ИТПМ СО РАН, ИМ СО РАН, ИГиЛ СО РАН)

Аннотация

На приведенных ниже рисунках представлены картины косого соударения металлических пластин, полученные: а - в численном расчете методом Годунова по релаксационной модели Максвелла, б - методом молекулярной динамики на основе многочастичного ЕАМ потенциала, в - в эксперименте – методом импульсной рентгенографии. Видно (см. рис. а - г), что зарождение волн происходит в области повышенного давления в окрестности точки контакта (выделена на рис. г штриховой линией) и связано со смещением точек приложения сил, совпадающих с точками растекания струй (в выделенной области металл ведет себя как вязкая жидкость). В дальнейшем эти точки периодически меняются местами, создавая волны, которые «замораживаются» после выхода из выделенной области, где материал ведет себя уже упругим образом.

image16.png
image17.png
аб
image18.pngimage19.png
вг

Ответственный исполнитель: внс, д.ф.-м.н. С.П. Киселев

тел. (8-383) 330-73-46, email: kiselev@itam.nsc.ru


По комплексной программе «Машиностроение»


1.
Предложен и реализован на макетной установке метод получения монодисперсных наноразмерных порошков карбидов титана, основанный на адиабатическом сжатии смеси газообразных реагентов.

Тестирование метода проводилось на примере реакции TiCl4+CH4 TiC+4HCl. Установка, фотография которой показана на рис.1, является трубой, разделенной на две камеры тяжелым поршнем. Перед опытом корпус (труба) нагревается до температуры, превышающей температуру испарения используемого галогенида металла. В одну камеру напускается смесь реагентов, в другую – детонирующая смесь газов. В результате инициирования детонации поршень сжимает исходную смесь реагентов, что приводит к возрастанию температуры и инициирует целевую реакцию, протекающую в однородных условиях. Измерения размеров полученных частиц карбида титана показали, что предлагаемый способ позволяет получать практически монодисперсные порошки, в отличие от известных методов. На рис.2 показано распределение по размерам частиц, полученных в одном из опытов. Распределение имеет два пика – около 80 нм и около 400 нм. Оценка размеров частиц методом удельной поверхности показала, что средний диаметр частиц равен 61,7 нм.

image21.jpeg



Рис.1 Фотография макетной установки для синтеза монодисперсных наноразмерных порошков. 1 – корпус, 2 – омический нагреватель, 3 – система газоподготовки 


image20.jpeg

Ответственный исполнитель с.н.с., к. ф.-м.н. Поздняков Г.А.

тел (8-383) 330-42-75, e-mail: georg@itam.nsc.ru