ВАЖНЕЙШИЕ НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ
 
Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук за 2012 год

По комплексной программе «Механика жидкостей и газов»

1. Обнаружен эффект реламинаризации струйного течения, который приводит к восстановлению длины сверхзвукового участка (дальнобойности) недорасширенной микроструи для сопел диаметром менее 35 мкм после его снижения в результате ламинарно-турбулентного перехода. Выявленный эффект позволит создавать плотные мас-сивы сверхзвуковых микроструй, эффективно воздействующих на течения в различных микроустройствах и процессах.

img012.gif

Рис. 1. Зависимости длины сверхзвукового участка струи от степени нерасчетности для нескольких диаметров микросопел.

img001.jpg

img003.jpg

img005.jpg

img007.jpg

img009.jpg

Рис. 2. Шлирен-визуализация перехода к турбулентности с последующим реверсом ламинарно-турбулентного перехода в струе при увеличении степени нерасчетности струи (сопло диаметром 34,8 мкм).

Аннотация

Выполнено экспериментальное исследование газодинамической структуры сверхзвуковых струй азота и воздуха, истекающих из круглых звуковых микросопел в атмосферу и область пониженного давления. Измерения были выполнены в диапазоне степени нерасчетности от 1 до 30. Впервые выявлен эффект реламинаризации турбулентного струйного течения, который приводит к восстановлению длины сверхзвукового участка (дальнобойности) недорасширенной микроструи для сопел диаметром менее 35 мкм после его снижения в результате ламинарно-турбулентного перехода (рис.1). На рис. 2 наглядно показан эффект реверса ламинарно-турбулентного перехода в микроструе. Первоначально ламинарная микроструя (1) с ростом величины нерасчетности турбулизуется, расширяется и длина ламинарного участка (дальнобойность) сокращается (2), (3). При дальнейшем росте величины нерасчетности длина ламинарного участка опять начинает увеличиваться (4) и в дальнейшем микроструя становится полностью ламинарной (5), а величина дальнобойности восстанавливается. 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.
Ответственные исполнители:
г.н.с., д. ф.-м.н. Миронов С.Г. , тел. (8-383) 330-85-28, e-mail:
mironov@itam.nsc.ru
с.н.с., к.ф.-м.н. Анискин В.М.,  тел.(8-383) 330-85-28, e-mail: aniskin@itam.nsc.ru

2. Разработана и развита методология экспериментального исследования  аэродинамических вращательных производных возвращаемых космических аппаратов при больших сверхзвуковых скоростях полёта. Полученные характеристики динамической устойчивости отделяемого головного блока системы аварийного спасения (рис.1) и моделей перспективных возвращаемых кораблей (рис.2) будут использованы при дальнейшем проектировании.

img015.png

Рис.1.  Модель отделяемого головного блока   системы  аварийного спасения.

img013.jpg

Рис.2.  Модель возвращаемого корабля.

Определение аэродинамических производных  спускаемых космических аппаратов при сверхзвуковых скоростях связано с большими трудностями, обусловленными малым демпфи-рованием моделей, большим лобовым сопротивлением и малыми размерами.
С целью выявления возможных режимов потери статической и динамической устойчивости возвращаемых аппаратов в сверхзвуковой аэродинамической трубе периодического действия Т-313 ИТПМ СО РАН проводились экспериментальные исследования демпфирующих моментов тангажа при числах Маха М= 2, 4 и 6.
Для проведения этих экспериментов был обоснованно выбран метод свободных колебаний, для реализации которого разработаны, изготовлены и испытаны  специальные установки, создающие вращательные колебания моделей на подшипниках качения. Показано, что исследованные модели обладают демпфирующими свойствами на всех исследованных режимах, корме случая М=2, когда при малых амплитудах возникают нерегулярные автоколебания типа биений (рис.3), то есть при задней центровке наблюдается потеря статической устойчивости (mzα > 0) модели.

img017.jpg

Рис. 3.  Переходной процесс

Ответственный исполнитель
г.н.с., д. т.н. Харитонов А.М.
тел (8-383) 330-07-78, e-mail: khar@itam.nsc.ru

3. Разработана новая форма несущей поверхности для малоразмерных летательных аппаратов – волнистое крыло, которое обладает значительными преимуществами по сравнению с обычным классическим крылом, в условиях возмущённой атмосферы. Увеличивается подъемная сила и улучшается устойчивость в полете, что позволяет избежать срыва в штопор.

Аннотация

В настоящее время широкое распространение получают малоразмерные летательные аппараты различного назначения, достоинства которых заключаются в высокой экономичности, маневренности и малой уязвимости. Возможности эксплуатации подобных устройств в большой мере определяются аэродинамическими эффектами, возникающими вблизи их несущих поверхностей. Один из методов управления обтеканием крыльев заключается в изменении формы их поверхности. В проведенных экспериментах изучено влияние поперечной волнистости обтекаемой поверхности на пространственную структуру течения и аэродинамические характеристики крыла – его подъемную силу и сопротивление.
В итоге проведенных исследований определены особенности структуры течения над крылом с волнистой поверхностью. Установлено, что при движении с низкими дозвуковыми скоростями при малых числах Рейнольдса, характерных для эксплуатации малоразмерных летательных аппаратов, волнистое крыло дает более высокие аэродинамические характеристики летательного аппарата и обеспечивает устойчивость полета без срыва в штопор в широком диапазоне углов атаки. Даже при срыве потока на волнистом крыле сохраняется симметрия течения, что позволяет летательному аппарату безопасно вернуться в штатный режим полета.

img022.jpg
Зависимость подъемной силы Су от угла атаки

Ответственный исполнитель
с.н.с., к.т.н. Зверков И.Д., тел (8-383) 330-42-78, e-mail: zverkov@itam.nsc.ru

4. Разработан ряд новых индикаторов касательных напряжений поверхностного трения, индуцированного дозвуковым набегающим потоком на поверхности модели. Индикаторы созданы на основе трехкомпонентных смесей жидких кристаллов  (ЖК) с добавками (пластификатор или частицы диоксида кремния), модифицирующими их реологические свойства и расширяющими диапазон применения (до- и трансзвуковые режимы обтекания, τ1...200Па).

Аннотация

Экспериментально исследован оптический (спектральный и колориметрический) отклик ЖК на воздействие для двух случаев с различной начальной ориентацией оси спирали относительно поверхности модели и скорости набегающего потока (конфокальной (хаотической) и планарной (перпендикулярной)).

img024.jpg
Рис.1. Пример изменения интенсивности отражения от времени  и длины волны I(t,λ) под воздействием потока.

img025.jpg
Рис. 2. Изменение колориметрической цветовой координаты интенсивность от времени и уровня касательного напряжения при ступенчатом воздействии потока и исходной конфокальной ориентации  ЖК.

Ответственный исполнитель
г.н.с., д. т.н. Жаркова Г.М.

тел (8-383) 330-38-96, e-mail: zharkova@itam.nsc.ru

5. Разработана двухфазная модель течения крови с переменным по сечению сосуда распределением концентрации эритроцитов. Это позволило объединить в единую модель два, ранее считавшиеся независимыми, свойства течения крови –  эффект Фареуса-Линдквиста (уменьшение вязкости крови с уменьшением диаметра кровеносного сосуда) и эффект Фареуса (уменьшение показателя гематокрита крови при уменьшении диаметра кровеносного сосуда). Показано, что эти эффекты являются следствием концентрации эритроцитов в центре крове-носного сосуда (около стенки образуется безэритроцитный слой плазмы).

Аннотация

В модели кровь рассматривается как суспензия, состоящая из плазмы и эритроцитов. Распределение эритроцитов по сечению кровеносного сосуда задается аналитической функци-ей, зависящей от диаметра сосуда. Модель представлена в виде конечных аналитических фор-мул и достаточно точно описывает экспериментальные данные – по изменению показателя ге-матокрита определяется зависимость вязкости крови и толщина безэритроцитного слоя.

img028.gif
Зависимость относительной вязкости крови от диаметра сосуда для трех (0.1, 0.3 и 0.6) показателей гематокрита крови. Значки – экспериментальные данные из [Pries A.R. et al, 1992], линии – результаты расчета по модели.

Ответственный исполнитель
с.н.с., к.ф.-м.н. Медведев А.Е. тел (8-383) 330-38-04, e-mail: medvedev@itam.nsc.ru

6. В результате численного исследования распространения упругих волн в пористой среде, содержащей газ, газовый гидрат или лед установлено, что импульс полного напряжения рас-пространяется в содержащей гидрат газонасыщенной пористой среде без искажения, с некото-рым затуханием. При отсутствии фазовых переходов поведение волн в пористой среде, насы-щенной гидратом или льдом, практически не отличается. 

Аннотация

В гидратосодержащей, как и в обычной пористой среде, наблюдается разделение начального импульса на деформационную и фильтрационную моды. При увеличении доли гидрата в порах акустическое сопротивление увеличивается, снижается  скорость фильтраци-онной волны, но увеличивается амплитуда порового давления в деформационной волне.
Исследование выполнено в рамках построенной трехскоростной с тремя напряжениями модели при условии отсутствия фазовых переходов.
Рассмотрено как распространение волн в бесконечно-протяженной пористой среде, так и прохождение и отражение волн через различные границы раздела.

r10.jpg
Изменение полного напряжения и порового давления при распространении треугольного импульса в пористой среде (материал скелета – кварц ), насыщенной метаном (объемное содержание  f) и газогидратом (объемное содержание h)

Ответственный исполнитель:
с.н.с., к.ф.-м.н. Болдырева О.Ю., тел. (8-3452) 22-93-20, e-mail: timms@ikz.ru

 По комплексной программе «Механика деформируемого твердого тела»

1. Впервые для высокопроизводительного нанесения защитного покрытия методом холодного газодинамического напыления (ХГН) на внутреннюю поверхность цилиндрических труб предложено радиальное сверхзвуковое сопло, позволяющее исключить вращение трубы.
Расчет скорости соударения частиц алюминия различного диаметра при использовании такого сопла показал, что оптимальный размер частиц, при котором удается получить максимальную скорость удара и, соответственно, эффективность напыления, находится в диапазоне 5 – 10 мкм.

Аннотация

На рисунке показан экспериментальный образец, полученный при использовании радиального сопла с диаметром критического сечения 18 мм, диаметром выходного 72 мм, длиной сверхзвукового участка 27 мм. Порошок алюминия (10 – 40 мкм) напылялся на внутреннюю поверхность трубы при использовании закрученного течения.

image002.jpg
Образец трубы с внутренним диаметром 80 мм с покрытием из алюминия.
p0 = 1,5 МПа, Т0 = 200°С, генератор закрутки
с 32 тангенциальными отверстиями диаметром 1,5 мм.

Ответственный исполнитель:
зав.лабораторией, д.ф.-м.н. В.Ф.Косарев, тел. (8-383) 354-30-43, email: vkos@itam.nsc.ru


2. Впервые дано физическое обоснование предельным технологическим возможностям лазерной резки металлов с кислородом в качестве технологического газа.  Установлено, что независимо от мощности лазера максимальная толщина разрезаемого стального листа ограничена толщиной 40-50 мм.
  Показано, что для достижения минимальной  шероховатости поверхности реза число Пекле  должно  сохраняться, однако при этом  необходимо снижать скорость резки с увеличением толщины разрезаемого металла.

Аннотация

image003.png
Рис.1. Зависимость оптимальной скорости резки и мощности лазера от толщины листа

На рис.1 представлены оптимальные: скорость резки: vopt = 11 / (0,35 + 0,02t), где  vopt (мм/с)  и мощность лазера Wopt  в зависимости от  толщина листа - t (мм),  которые обеспечивают высокое качество резки, характеризуемое минимальной щероховатостью поверхности.
Чтобы получить высокое качество резки          с низкой шероховатостью,  должно выполняться условие vopt> vc. Данное условие определяет максимальную толщину стального листа, которую можно разрезать с минимальной шероховатостью –  это 40-50 мм.

На рисунке 2 приведены фотографии, иллюстрирующие вид разрезанной поверхности в зависимости от выполнения условия оптимальной скорости реза. При неоптимальной скорости реза на нижней кромке образуется “грат”.

image007.jpg
Качественный рез стали толщиной 16 мм  при выполнении условия  vopt> vc

image009.jpg
Рез стали толщиной 16 мм с низким качеством при выполнении условия  vopt< vc

Рис.2. Иллюстрация качественного реза и реза с низким качеством в зависимости от выполнения оптимальности по скорости реза.

Ответственный исполнитель:
зав.лаб., д.ф.-м.н. А.М. ОришичТел. (8-383) 330-73-42 e-mail: laser@itam.nsc.ru

3. В рамках малопараметрического уравнения состояния в условиях высоких температур и давлений был реализован термодинамический подход для вычисления температурной зависимости механических характеристик металлов, таких как модуль сдвига, коэффициент Пуассона, модуль Юнга и коэффициент объемного расширения. Все упругие механические параметры вычислялись без привлечения дополнительных констант.

Аннотация

При решении упругопластической задачи используются уравнения сохранения массы, импульса и энергии. В правой части уравнений движения стоят градиенты компонент тензора напряжений, а на главной диагонали – давление. Девиаторная часть тензора напряжений зависит от механических характеристик, которые являются функциями давления и температуры. С ростом давления и температуры в материале изменяются упругие характеристики материала.

Предложив нелинейную зависимость коэффициента Пуассона от давления  image011.png (Pmelt  – давление, при котором происходит плавление, a и b – параметры, поученные из условия математической непрерывности кривой), была рассчитана продольная скорость звука и получено хорошее соответствие с экспериментальными данными вплоть до температуры плавления. На рис. 1 представлены результаты расчета и экспериментальные данные для урана.

image014.png
Рис. 1. Продольная скорость звука для урана

image016.png
Рис. 2. Модуль сдвига для урана

По полученным скоростям звука объемной и продольной определены все упругие механические характеристики.  На рис. 2. представлены результаты расчета немонотонного поведения модуля сдвига урана, которые обеспечивают правильную асимптотику при достижении температуры плавления.

Ответственный исполнитель:
зав.лаб., к.ф.-м.н. Е.И.КраусТел. (8-383) 330-81-50 e-mail: kraus@itam.nsc.ru

По комплексной программе «Машиностроение»

1. Теория силового воздействия струи нейтрального вспомогательного газа на расплав металла при лазерной резке.

Для прогнозирования режимных параметров и улучшения качества лазерной резки металлов разработана теория силового воздействия потока газа на пленку расплава внутри канала лазерного реза. Результаты расчетов позволили объяснить данные экспериментов при лазерной резке металлов большой толщины, которые до этого не укладывались в существующие представления.

Аннотация

Используя полученные результаты, можно проектировать сопла для лазерной резки, не прибегая к дорогостоящим экспериментам или сводя их к минимуму. На рис. 1 обозначены кривые силового воздействия на пленку расплава (по глубине реза) для давлений азота 14, 16 и  18 атм, а на рис. 1б представлены шлифы лазерного реза для соответствующих давлений.

imag-003.png     imag-005.jpg imag-007.jpg

Рис. 1.  Рассчитанное для процесса лазерной резки силовое воздействие газа на пленку расплава (а). Сечение лазерного реза при давлении вспомогательного газа
14 атм(б) и 18 атм (в).

Ответственные исполнители:
с.н.с.,  к.ф.-м.н.  А.В. Зайцев, н.с., к.ф.-м.н.  Г.В.Ермолаев,тел. (8-383) 354-30-43, email: zaitsev@itam.nsc.ru

2. Создан комплекс прикладных компьютерных программ для численного планиро-вания физического эксперимента и оптимизации режимов лазерной сварки однородных и разнородных металлов и сплавов. Компьютерные программы базируются на оригинальных математических моделях и вычисленных алгоритмах, позволяющих  проводить предварительный анализ технологических параметров, имеющих важное значение для отработки новой технологии  лазерной сварки  материалов. 

Аннотация

Разработаны 2 –и 3D математические модели процессов лазерной сварки однородных и разнородных металлических пластин. Во всех реализованных моделях учитывается образование парового канала в зоне контакта луча лазера с пластинами, наличие ванны с расплавом, двухфазной твердо – жидкой  зоны, охлаждение пластин за счет обдува инертным газом зоны сварки, собственного теплового излучения пластин и другие тепловые процессы в расчетной области. Созданные программы позволяют рассчитать основные параметры процесса сварки: глубину проплавления, форму сварного шва, температурные и гидродинамические поля в процессе воздействия лазерного луча и другие величины,  знание которых важно с точки зрения технологии лазерной обработки металлов. Показано, что результаты численных расчетов удовлетворительно согласуются с данными экспериментов по морфологии шва, глубине и ширине зоны проплавления (см. рисунок).

imag-009.png imag-011.png

Продольное сечение сварного  шва: эксперимент (а) и расчет (b)

3. Универсальный электродуговой плазмотрон постоянного тока для прямого нагрева химически активных газов

Разработан электродуговой двухструйный плазмотрон постоянного тока с торцевыми электродами, защищаемыми инертным газом для прямого нагрева химически активных газов. Плазмотрон обладает жесткой вольт-амперной характеристикой. Коэффициент полезного действия  плазмотрона составляет 75% и может варьироваться в зависимости от расходов плазмообразующего и защитного газов.

Аннотация

Плазмотрон имеет V-образный дуговой канал, на вершинах которого установлены торцевые электроды, отделенные от дугового канала  защитными секциями. В зазор между электродами и защитными секциями подается инертный газ Gз, что препятствует проникновению химически активных газов в приэлектродные области электродов. Подача химически активных газов G производится за защитной секцией.
Универсализм плазмотрона обеспечивается возможностью варьирования газодинамикой течения перерабатываемых газов в дуговых каналах в оптимальных пределах. Плазмотрон может применяться для прямого нагрева кислорода и галогенсодержащих газов (F, Cl и их соединений), в частности, в технологиях переработки фторидов, для нагрева TiCl4 в хлоридной технологии получения пигментного диоксида титана и т.д.

imag-013.png
Рис.1. Схема плазмотрона

imag-016.jpg
Рис.2. Фото плазмотрона (мощность до 150 кВт)

Важный результат (лаб.4, группа Третьякова П.К.)

Установлена причина и определен механизм формирования псевдо скачкового режима течения газа в канале при подводе тепла и наличии диссипации кинетической энергии. Энтропия в каждом сечении не должна превышать максимально допустимого значения, вычисляемого точно по числу Маха невозмущенного набегающего потока и относительному количеству подводимого тепла. Этот механизм объясняет также неудачи многочисленных экспериментов по реализации подвода тепла в сверхзвуковом потоке газа в количестве, эквивалентном тепловыделению при горении топлива при коэффициенте избытка воздуха, близком к единице. Определен способ управления течением для осуществления такого течения.

image1a.jpg

Комментарий к слайду.

Рассмотрим эволюцию вязкого течения при втекании в длинный канал постоянного сечения потока с постоянной сверхзвуковой скоростью (рис. а). В конце канала имеется малый расширяющийся участок. К потоку возможен подвод тепла. Перед зонами отрыва пограничного слоя возникают косые скачки уплотнения, которые, отражаясь от стенок, распространяются вдоль канала, и вкупе с силами трения и подводом тепла обуславливают рост энтропии газа по длине канала. На некоторой длине и критическом значении относительного количества подводимого тепла  энтропия достигает максимально допустимого значения (критическое сечение, рис. б). Число Маха осредненного течения в этом сечении равно единице. Поступающий в канал постоянный расход газа не может быть пропущен через критическое сечение. Давление перед сечением начинает возрастать. И в некоторый момент возникает прямой скачок уплотнения (рис. в). Продолжающийся рост давления, темп роста которого зависит от мощности подводимой энергии, перемещает скачок уплотнения в начало канала (схема справа) и выходит из него. По зависимости координаты фронта ударной волны от времени может быть определена скорость его перемещения. Так как такой режим может быть реализован при любом числе Маха набегающего потока (например, частичным или полным перекрытием выходного сечения канала), то скорость перемещения ударной волны также произвольна.  Перед каналом образуется криволинейная ударная волна (рис. г). Расход газа уменьшается на конечную величину. Устанавливается устойчивое стационарное течение с числом Маха в конце, равном единице.