ВАЖНЕЙШИЕ НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ
Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук за 2013 год

Программа III.18.1. Воздействие высококонцентрированных потоков энергии на материалы для улучшения их физико-механических характеристик. Координатор: д.ф. м.н. А.М. Оришич.

1. Впервые найдены законы подобия и безразмерные критические параметра, определяющие шероховатость поверхности резки низко углеродистой стали газовым СО2 лазером с длиной волны 10,6 мкм и твердотельным волоконным лазером с длиной волны 1,06 мкм. На рисунке представлены данные экспериментов, являющиеся обобщением результатов оптимизации по трем параметрам: скорости резки, положения фокуса относительно поверхности (фактически – ширины реза) и мощности. Показана зависимость шероховатости поверхности form1.jpg от безразмерных параметров: числа Пекле  Ре=vopt2bopt2/a и мощности от   WtTm

Установлен удивительный факт: для двух типов лазеров с длинами волн, отличающиеся в 10 раз, условия резки с минимальной шероховатостью выражаются одинаковым образом: Peopt3 = const, AW/ktTm = const. Таким образом, доказано преобладание влияния газодинамических процессов течения многофазной жидкости по сравнению с процессами взаимодействия излучения с веществом на качество лазерного реза. Результаты используются при создании технологических карт лазерного раскроя.


img1.jpgimg2.jpg
СО2 лазер Волоконный лазер 

2. Создана лабораторная плазмохимическая установка, и проведен цикл расчетно-экспериментальных исследований процессов высокотемпературного синтеза частиц диоксида титана (TiO2). Синтез осуществлялся путем конверсии тетрахлорида титана в азотной или кислородной плазме в проточном реакторе с плазмотроном линейного типа с межэлектродной вставкой.

Получены порошки TiO2: анатазной (A) кристаллической модификации с размерами частиц 30-60 нм, содержание чистого анатаза А~80-87%, загрязненность атомарным хлором ~1%; а также рутильной (R) кристаллической модификации с размерами частиц 150-220 нм, содержание чистого рутила R~80-95%, загрязненность атомарным хлором ~0.04%.

Эксперименты в азотной плазме позволили синтезировать порошок диоксида титана анатазной модификации по своим фотокаталитическим свойствам сопоставимый c порошком диоксида титана марки AEROXIDE P-25 (содержание анатаза 70-80%, средний размер частиц 21 нм, чистота порошка >99.5%), производимым компанией “Evonik Industries AG” в промышленных масштабах с помощью газопламенного синтеза.

Преимуществом нового подхода является низкая себестоимость получения продукта, возможность масштабирования установки, управление свойствами конечного продукта – фазовым и гранулометрическим составом порошка, и его химической чистотой.

На рис. 1 представлены фотографии частиц TiO2 и его агломератов, содержание анатаза А~81 %, средний размер частиц – 34 нм. Среди крупных частиц встречаются ограненные, видна кристаллическая решетка характерная для анатаза А.


img3.jpgimg4.jpg
Рис. 1. Фото тонкодисперсного порошка диоксида титана анатазной кристаллической модификации, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения “Jeol” (НГУ)

3. Разработана технология получения жаростойких интерметаллидных покрытий системы «Ni-Co-Cr-Al-Y» с аномально высокими эксплуатационными характеристиками: плотностью ρ= 7,9 г/см3, микротвердостью Нμ=770 кгс/мм2, пористостью По=0,6%.

Для сравнения на рис. 1, 2 представлены микроструктуры интерметаллидных покрытий, полученных на двух разных установках. На стандартной серийной установке УПУ-3Д, с плаз-мотроном с самоустанавливающейся длиной дуги, формируется круглозеренная структура, рис.1. При этом в поперечном сечении покрытия отмечается неплотная упаковка зерен с крупными порами размером до 30 мкм и несплошностями на границах.

На новой установке, с плазмотроном ПНК-50 с секционированной межэлектродной вставкой и узлом кольцевого ввода порошка с газодинамической фокусировкой, материал наносится в диспергированном состоянии, в виде полностью расплавленных или пластифицированных частиц, образуя покрытие с плотной и слоистой микроструктурой, рис. 2. Вытянутая форма зерен обусловлена высокой кинетической энергией наносимых частиц. Размер пор находится в пределах 5-10 мкм, сквозная пористость отсутствует. На границе раздела «подложка-покрытие» дефекты, в виде сколов, несплошностей и отслоений не наблюдаются.


img5.jpgimg6.jpg
Рис. 1. Микроструктура покрытия  «Ni-Co-Cr-Al-Y», полученного на серийной установке УПУ-3Д. Рис. 2.Микроструктура покрытия  «Ni-Co-Cr-Al-Y», полученного на плазмотроне ПНК-50.

Программа III.22.5. Газо- и термодинамика летательных аппаратов при гиперзвуковых скоростях полета. Координатор: чл.-к. РАН А.Н. Шиплюк.

1. За счет работы встроенной прямоточной силовой установки газогенераторного типа получено снижение сопротивления малогабаритного летательного аппарата на 80%. Коэффициент сопротивления модели летательного аппарата уменьшился с Сх=0,119 до Сх=0,022.

Аннотация

На аэродинамической установке «Транзит-М» выполнена серия экспериментальных исследований моделирования полёта малогабаритного (Ø 40мм) летательного аппарата с работающей прямоточной силовой установкой газогенераторной схемы на твердом топливе. В экспериментах с горением получено существенное снижение сопротивления модели (на 80%). Наилучшие результаты были получены с образцами топлива на основе калийной селитры и сорбита, обладающими оптимальными физическими характеристиками, но не самой высокой энергетикой.

img7.jpgimg8.jpg
Модель малогабаритного летательного аппаратаСравнение сопротивления модели с работающей
и неработающей силовой установкой.

2. Получено существенное снижение уровня звукового удара (ЗУ) при приемлемой аэродинамической эффективности самолета за счет использования модифицированного степенного тела в качестве носовой части компоновки сверхзвукового пассажирского самолета (СПС), выполненной по тандемной схеме расположения двух крыльев на фюзеляже.

img9_2.jpg
Рис. 1. Профили относительного избыточного давления в дальней зоне тандемной компоновки (М = 2, К = 450); а – носовая часть – оживало λ = 4.5, б – носовая часть – модифицированное степенное тело (λ = 4.5, n = 0.75, rз = 0.2), с – общий вид компоновки.

На основании сравнения параметров ЗУ, создаваемого СПС заданного веса и длины, компоновки которых выполнены по классической схеме моноплан и нетрадиционной схеме с тандемным расположением двух крыльев на фюзеляже, показано преимущество тандемной компоновки. Обусловлено это перераспределением возмущенного давления (в виде части подъемной силы) в носовую часть компоновки, что позволяет сохранить эффект средней зоны (дистанция между ударными волнами от фюзеляжа и заднего крыла) и тем самым уменьшить интенсивность звукового удара. В то же время в виду малой дистанции между ударными волнами наблюдателем на поверхности земли они воспринимаются как одна волна с интенсивностью, определенной максимальным давлением ( рис 1а). Модифицированное, путем затупления носовой части, тело позволяет существенно увеличить скорость распространения головной УВ, что обеспечивает увеличение дистанции между ударными волнами и тем самым уменьшение эффективности воздействия волны звукового удара (рис.1б).

3. На основании результатов численного расчета и эксперимента выявлен высоконапорный слой в области присоединения сверхзвукового трехмерного отрывного течения – новый элемент структуры трехмерного сверхзвукового ламинарного отрывного течения в угле сжатия, играющий существенную роль для определения характеристик теплозащитного покрытия.

(ИТПМ СО РАН, ФГУП ЦАГИ).

Высоконапорный слой – динамический слой (DL), который формируется вниз по потоку от линии присоединения, расположен над пограничным слоем и характеризуется высоким уровнем полного давления (до 0.95 давления торможения набегающего потока).

img10.jpg
Высоконапорный слой DL за линией присоединения потока R.

На рисунке слева приведена расчетная картина трехмерного течения в угле сжатия в плоскости симметрии модели. Показаны: C1, С2, С3 – соответственно головной скачок уплотнения, скачок отрыва и скачок присоединения, Z – область возвратного течения, SL – сдвиговый слой, охватывающий зону Z, S – линия отрыва, R – линия присоединения, DL – высоконапорный слой (виден в виде тонкого красного слоя). Справа от картины течения показано распределение в поперечном сечении за линией присоединения полного давления p0/p0∞, отнесенного к давлению торможения набегающего потока; r/L – вертикальная координата, перпендикулярная поверхности уступа и нормированная на длину горизонтального участка угла сжатия.

Обнаружение динамического слоя имеет фундаментальное значение и позволяет уточнить физический механизм формирования продольных вихрей в зоне присоединения сверхзвукового отрывного течения. Продольные вихри могут формироваться не только за счет искривления линий тока в зоне присоединения (вихри Гёртлера), но также и за счет бароклинного эффекта, при котором градиенты плотности и давления в зоне присоединения неколлинеарны. Наличие таких вихрей приводит к увеличению величины тепловых потоков на поверхности, что играет существенную роль для определения характеристик теплозащитного покрытия.

4. Проведена классификация возможных траекторий полета летательного аппарата с прямоточным воздушно-реактивным двигателем в атмосфере Земли. Для каждого класса траекторий сформулирована стратегия решения оптимизационных задач с различными целевыми функциями.

Аннотация

Высокая экономичность прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД) за счет использования атмосферного воздуха является их главным преимуществом при выборе силовой установки для полетов летательных аппаратов (ЛА) на большие расстояния. Для различных типов траекторий на основе численного моделирования траекторий полета ЛА с ПВРД получены решения задач оптимизации на максимальную дальность полета при заданных исходных условиях и ограничениях (запас топлива, начальный угол наклона траектории, угол атаки ЛА, мо-менты включения и продолжительности работы двигателя и т.д.).

img11.jpgimg12.jpg
Начальная и оптимальные траектории движения ЛА
с горизонтальным участком
Начальная и оптимальные траектории 
рикошетирующего движения ЛА

Программа III.22.6. Исследование физических проблем управления до-, сверх- и гиперзвуковыми течениями неравновесных газовых и плазменных сред. Координатор: д.ф.- м.н. А.А. Маслов.

1. Экспериментально подтверждена возможность использования уравнений, полученных для макроскопических течений, для моделирования газовых микроструй.

Для макро- и микроструй впервые показано хорошее качественное и количественное совпадение длин ячеек волновой структуры, величины дальнобойности струй, положений ламинарно-турбулентного перехода и реламинаризации струйного течения при условии равенства чисел Рейнольдса, вычисленных по диаметру сопел и параметрам потока на выходе из сопла.

img13.jpgimg14.jpg
Рис. 1. Расчетные и экспериментальные зависимости
относительной длины сверхзвукового
участка микроструй
LC/D от величины
степени нерасчетности
n для
нескольких диаметров микросопел.

Рис. 2. Ламинарный (а) и турбулентный (б) режимы 

течения микроструй. Данные численного моделирования.

Выполнено экспериментальное исследование газодинамической структуры сверхзвуко-вых струй азота и воздуха, истекающих из круглых звуковых микросопел в атмосферу и область пониженного давления. Измерения были выполнены в диапазоне степени нерасчетности n от 1 до 30. Для макро- и микроструй впервые показано хорошее качественное и количественное совпадение длин ячеек волновой структуры, величины дальнобойности струй, положений ла-минарно-турбулентного перехода и реламинаризации струйного течения при условии равенства чисел Рейнольдса, вычисленных по диаметру сопел и параметрам потока на выходе из сопла. Это позволило использовать пакет ANSYS Fluent, основанный на уравнениях для макротечений, для численного моделирования микроструй. На рис. 1 приведено сопоставление данных экспериментальных и расчетных зависимостей относительной дальнобойности микроструй LC/D от величины степени нерасчетности n в ламинарном и турбулентном режимах течения для ряда микросопел. На рис. 2. для примера приведены поля чисел Маха нерасчетных струй в ламинарном (а) и турбулентном (б) режимах течения. Результаты этих исследований дают возможность использования уравнений, полученных для макроскопических течений, для моделирования газовых микроструй.

2. Большинство современных летательных аппаратов используют стреловидные крылья, на которых ламинарно-турбулентный переход происходит в области благоприятного градиента давления.

Впервые в мире представлены качественные и количественные результаты экспериментальных исследований по развитию вторичной высокочастотной неустойчивости стационарного вихря, генерированного элементом шероховатости, в области благоприятного градиента давления (область передней кромки) на модели скользящего крыла (рис. 1).

Установлена область максимальной восприимчивости стационарного вихря, где наблюдается максимальный рост вторичных возмущений приводящих к переходу, в зависимости от расположения элемента шероховатости (рис. 2).

img15.jpgimg16.jpg
Рис.1. Изоповерхности стационарного вихря и вторичных возмущений в двух ракурсах.

Рис.2. Интегральные характеристики амплитуды стационарных (красным) и вторичных возмущений (зеленым) при различных расположениях шероховатости.

Программа III.23.4. Механика гетерогенных, композитных сред и технологии на их основе. Координатор: ак. В.М. Фомин.

1. Предложен и реализован способ трансформации присоединенного косого скачка уплотнения и генерации висячего скачка уплотнения на пластине и клине в результате МГД-взаимодействия в гиперзвуковом потоке воздуха при локальной ионизации потока электрическим разрядом в постоянном магнитном поле. Полученные эффекты могут быть рас-смотрены в качестве активных методов управления аэродинамикой высокоскоростных летательных аппаратов.

Аннотация

Управление аэродинамикой гиперзвуковых летательных аппаратов в верхних слоях атмосферы (30–60 км) может быть осуществлено за счет использования пондеромоторных сил, воздействующих на высокоскоростной поток вокруг обтекаемого тела в условиях внешней ионизации. Такой магнитогидродинамический (МГД) метод управления потоком является весьма перспективным для снижения тепловых нагрузок, усиления торможения и создания управляющих моментов с целью изменения траектории движения.

С целью исследования МГД-влияния на структуру потока воздуха было изучено обтекание модели пластины и клина на МГД-стенде в условиях, моделирующих движение аппарата на высоте 28 – 30 км над уровнем моря со скоростью М = 6.

В ходе исследований выявлены условия горения высоковольтных импульсных и высокочастотных электрических разрядов в высокоскоростных потоках воздуха в однородном магнитном поле (B). Установлено, что при локальной ионизации потока высокочастотным разрядом на пластине или клине в результате МГД-взаимодействия происходит генерация косого скачка уплотнения (Рис. 1,а), угол наклона которого зависит от величины магнитной индукции; а при локальной ионизации потока импульсным разрядом МГД-взаимодействие приводит либо к трансформации присоединённого косого скачка уплотнения в отошедший головной скачок (Рис. 2), либо к генерации висячего косого скачка на области МГД-взаимодействия (Рис. 1,б,в).

img17.jpg

Рис. 1. Генерация висячего скачка уплотнения на области взаимодействия.

а – ВЧ-разряд, б, в – импульсный разряд

img18.jpg

Рис. 2. Трансформация присоединенного скачка уплотнения в головной скачок. Импульсный разряд.


По результатам исследований выполнена оценка эффективности МГД-взаимодействия (вычислен параметр Стюарта – S) в условиях эксперимента.

2. С целью изучения возможного механизма мобилизации капли нефти, окружённой водой и защемлённой в капилляре пористой среды, выполнено моделирование процесса виброволнового воздействия на каплю. Исследование проведено как в рамках модельного уравнения, так и с помощью гидродинамического симулятора ANSYS FLUENT. Предложен способ определения собственной частоты колебаний защемлённой капли. Показано, что эта частота немонотонно зависит от статического перепада давления. Установлено, что частота внешнего вибрационного мобилизующего воздействия, при которой его амплитуда минимальна, близка к частоте свободных колебаний капли при заданном внешнем статическом перепаде давления, при этом суммарный перепад давления (статический+волновой) может быть меньше, чем статический, требуемый для мобилизации капли.

img19.jpg

Геометрия порового канала с сужением


img20.jpg

Зависимость амплитуды волнового воздействия от частоты (ΔPmobil =259 Па; ΔPstat =95 Па, ω0=13 Гц кривая 1, ΔPstat =171 Па, ω0=16 Гц кривая 2)