НИИ механики МГУ
Внешние воздействия (градиент давления, проницаемость стенки, форма и рельеф поверхности, скачки уплотнения и отрывные течения) могут приводить как к повышению аэродинамического нагрева в локализованной области, так и к охлаждению стенки. Известен эффект снижения адиабатной температуры стенки до значений ниже термодинамической температуры при поперечном обтекании дозвуковым сжимаемым потоком цилиндра в области задней критической точки (эффект Эккерта-Вайзе). За цилиндром (или, например, за выходной кромкой лопатки турбины) образуется вихревой след с температурной стратификацией по сечению вихря: в центре вихря полная температура ниже начальной, а на периферии – выше. Для сверхзвуковых потоков [1] снижение адиабатной температуры стенки фиксируется в следе за обтекаемым препятствием в виде клина, ребра или ступеньки.
По-видимому, впервые данный результат был опубликован в работе Хилтона У.Ф. Было отмечено, что температура задней стенки цилиндра практически равняется статической температуре набегающего потока в то время, как в передней части температура близка к температуре торможения [2]. Результат был подтвержден в ряде последующих работ, а также интенсифицирован за счет взаимного влияния пары круговых цилиндров [3].
В данной работе представлены результаты исследования поперечного обтекания цилиндра дозвуковым потоком воздуха, полученные методом PIV (система Полис). Экспериментальное исследование проводится на базе аэродинамической установки АР-2 на стационарном режиме при изменении числа Маха набегающего потока в диапазоне 0.5-0.6.
Работа выполняется при поддержке гранта РНФ №19-79-10213.
1.Popovich S.S. Aerodynamic cooling of the wall in the trace of a supersonic flow behind a backward-facing ledge // Fluid Dynamics. 2022. Vol. 57. N. 1. P. 57–64.
2. Леонтьев А.И., Лущик В.Г., Макарова М.С., Попович С.С. Коэффициент восстановления температуры в сжимаемом турбулентном пограничном слое // Теплофизика высоких температур. 2022. Т. 60. № 3. С. 455-480.
3.Виноградов Ю.А., Здитовец А.Г., Киселёв Н.А., Попович С.С. Экспериментальное исследование энергоразделения при поперечном обтекании пары круговых цилиндров сжимаемым потоком воздуха // Известия РАН. МЖГ. 2023. № 2. С. 102–112.
Сергей Станиславович Попович
Механико-математический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова, НИИ механики МГУ
Рис. Вихревой след за вращающейся лопастью винта вертолета.
В работе представлено бессеточное численное моделирование трехмерного нестационарного безотрывного обтекания упругой лопасти винта вертолета идеальной несжимаемой жидкостью. Для нахождения аэродинамических сил и моментов, действующих на тело, используется метод дискретных вихрей [1]. Воздействие тела на поток в каждый момент времени моделируется вихревым слоем, расположенным на поверхности тела, и вихревой пелены за ним. Для определения изменения формы лопасти под действием рассчитанных на данном временном шаге нагрузок используется балочная модель. Уравнение движения балки учитывает изгиб и кручение [2]. На следующем шаге в расчете, учитывая изменения в геометрии тела, используется новая вихревая схема для нового положения лопасти, вычисляются нагрузки, и далее итерации повторяются.
Реализованный программный код для численного решения задачи о нестационарном обтекании трехмерных тел идеальной несжимаемой жидкостью оттестирован на сходимость по пространственной сетке и временному шагу. Проведена его верификация на модельных задачах, результаты расчетов находятся в согласии с результатами других авторов.
Численный метод не содержит произвольных эмпирических параметров. Разработанный метод решения связанной аэроупругой задачи позволяет рассчитать маховое движение лопасти при горизонтальном полете и исследовать границу флаттера.
1.Белоцерковский С.М., Ништ М.И. Отрывное и безотрывное обтекание тонких крыльев идеальной жидкостью. М.: Наука. 1978.
2. Окопный Ю.А., Радин В.П. Механика материалов и конструкций. М.: Машиностроение. 2001.
Анастасия Дмитриевна Чичерина
Физический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова
Одной из важнейших задач современной аэромеханики является предсказание и управление ламинарно-турбулентным переходом в пограничных слоях, в основном - с целью увеличения длины области ламинарного течения в нем. Целью данной работы являлось изучение эволюции пограничного слоя в течении газа за фронтом плоской ударной волны в рабочей камере ударной трубы. Исследовался спутный поток за плоской ударной волной на временном интервале от 0 до 10 мс для чисел Маха 2 - 4,2. Для визуализации участков ламинарного и турбулентного пограничного слоя используется теневая схема с лазерной подсветкой, регистрировалась вторая производная плотности газа. Съемка велась высокоскоростной цифровой камерой (скорость съемки 100000-420000 к/c). Луч лазера с помощью системы линз формировался в параллельный пучок света, который проходил через объект исследования и сводился объективом камеры на ее матрицу. Получены теневые анимации течения с областью ламинарно-турбулентного перехода в оптически тонком пограничном слое.
Визуализированы полосчатые структуры в сверхзвуковом пограничном слое на стекле рабочей камеры. Исследованы количественные характеристики пограничного слоя и полосчатых структур; определены размеры ламинарной, турбулентной, переходной областей; ширина, скорость развития полосчатых структур. Проведена обработка изображений. Исследованы спектры пульсаций интенсивности в турбулентном течении.
Анатолий Ярославович Копылов
Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону.
Микрофлюидика, как отдельная научная дисциплина, известна достаточно давно. В своё время на неё возлагали большие надежды в области биотехнологий и проектирования микроустройств медицинской диагностики. Несмотря на определенные успехи [1], микрофлюидика до сих пор не реализовала весь свой потенциал. Особенность рассмотрения биологических жидкостей вызывает необходимость учёта их неньютоновских свойств, в частности вязкоупругих [2].
В докладе будут представлены результаты численного моделирования электрофореза ионоселективной микрочастицы в вязкоупругом электролите, описываемый моделью FENE (Finite Extensible Nonlinear Elastic). Было обнаружено, что даже небольшое количество электронейтральных полимеров может значительно влиять на электроконвективные процессы около ионоселективных микрочастиц. Аналогично тому, как это происходит около плоских ионоселективных поверхностей [3], наличие полимеров интенсифицирует малые вихри и стабилизирует крупные вихри. Таким образом, электроконвективные вихри наблюдаются при меньших напряженностях электрического поля, а неустойчивость концентрационной струи, которая сопровождается отрывом крупного тороидального вихря Духина-Мищук, возникает при бОльших значениях напряженности, чем при электрофорезе в ньютоновском растворе электролита [4].
Работа выполнена при поддержке грантом РНФ № 22-79-10085.
Владислав Анатольевич Попов
НИУ МЭИ, кафедра Низких Температур
Одной из проблем описания гелия-II является отсутствие аналитических подходов к расчету взаимодействия двух движений (нормального и сверхтекучего) при высоких тепловых потоках, в том числе при наличии границы раздела фаз пар - жидкость. Вместе с тем использование гелия для криостатирования сверхпроводящих систем приводит к необходимости разработки теплообменного оборудования устойчивого по отношению к импульсному тепловыделению, приводящему к появлению пара. В то же время многоканальная система должна обеспечивать нераспространение нормальной зоны и сокращение объемов парового пространства.
В работе [1] показано как ведет себя сверхтекучий гелий в U-образном канале. При подаче тепловой нагрузки больше определенной величины в канале возникают постоянные устойчивые колебания с амплитудой и частотой, которые зависят от условий эксперимента: глубины погружения нагревателя, температуры жидкости и тепловой нагрузки.
В настоящей работе для создания стесненных условий в экспериментальной ячейке (U-образном канале) использована засыпка монодисперсных шариков из металлического сплава диаметром 240±5 мкм, которые располагаются в нижней части стеклянной трубки. Для изучения влияния такой пористой среды на поведение сверхтекучего гелия, проведено 18 экспериментальных серий со стационарной удельной тепловой нагрузкой от 12 кВт/м2 до 128 кВт/м2. При подаче нагрузки больше определенной величины на поверхности нагревателя образуется пар, и жидкость начинается двигаться вниз. После этого возможно как достижение стационарного положения границы раздела фаз, так и возникновение низкочастотных колебаний. Характер движения зависит от температуры жидкости в объеме и глубины погружения. В результате обработки видеокадров экспериментов определяется расстояние от нагревателя до межфазной границы He-II – пар (рис. 1). Обнаружены колебания с амплитудой 4-8 мм и частотой 2,3 Гц при среднем давлении 3300 Па. При давлении около 700 Па амплитуда колебаний составляет 1-2 мм, что существенно меньше, чем аналогичные колебания в свободном канале [1] при тех же условиях (амплитуда 80-90 мм). Таким образом, оказывается, что пористая засыпка подавляет развитие колебаний жидкости и границы раздела фаз пар – жидкость, возникающих в сверхтекучей жидкости.
После перехода через l-точку колебания в обычной жидкости (гелий-I) прекращаются, а на внешней поверхности трубки фиксируется возникновение пузырькового режима кипения.
Работа выполнена при поддержке Российского Научного Фонда (проект №23-29-00342).
Литература
1. Евко Е.А., Пузина Ю.Ю., Ячевский И.А. Исследование движения гелия-II в U-образном канале. // Тезисы докладов XXIV Школы-семинара молодых ученых и специалистов имени академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», 23-27 мая 2023г. Казань: ООО ПК «Астор и Я», 2023 г. стр. 176-177.
Евгений Александрович Евко
НИИ Механики МГУ
Одной из актуальных задач недропользования является задача повышения нефтеотдачи пластов. Одним из методов является закачка воды и/или газа в пласты. Вода, действуя как поршень, способствует движению нефти к добывающим скважинам. Газ может растворяться в нефти, снижая ее вязкость и увеличивая ее объем. Одним из хорошо растворяющихся в нефти газов является углекислый газ (СО2) [1,2], который также является парниковым газом. Выбросы парниковых газов в атмосферу представляют актуальную проблему в области экологии и глобального потепления. Поэтому закачка углекислого газа может являться одной из мер по декарбонизации, а также способствовать увеличению нефтеотдачи. Необходимо определять, какие режимы водогазового воздействия на нефтяные пласты являются оптимальными.
На оптимальные режимы водогазового воздействия могут влиять многие факторы, такие как состав пластовой нефти и неоднородное распределение пористости и проницаемости пласта. Добыча тяжелой нефти является более трудоемким процессом, а низкопроницаемые включения могут мешать движению жидкости или газа. Цель данного исследования заключается в том, чтобы понять, как неоднородное распределение пористости и проницаемости влияет на эффективность водогазового воздействия. В данной работе рассматривается трехмерная модель пласта, насыщенного нефтью, с неоднородным распределением пористости и проницаемости (рис.1). Пласт состоит из проницаемых и непроницаемых слоев. Непроницаемые слои содержат проницаемые включения, через которые может осуществляться переток между проницаемыми слоями. Газ, как более легкая фаза, стремится подняться к кровле пласта, а вода, как более тяжелая фаза, стремится к подошве пласта. Таким образом остаются области, не охваченные вытеснением. В рамках гидродинамического моделирования показано, что непроницаемые слои препятствуют гравитационному расслоению фаз, так как течение происходит преимущественно в тонких проницаемых пропластках. При большем числе непроницаемых слоев происходит более полное вытеснение нефти. Однако, так как средняя проницаемость каждого пропластка может быть различна, то при движении по высокопроницаемому пропластку вода и газ могут быстро прорваться к добывающей скважине. Показано, что водогазовое воздействие наиболее эффективно на пластах, состоящих из большого числа тонких проницаемых прослоек, среднеквадратичное отклонение проницаемости которых мало.
Анна Игоревна Андреева
ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН
В работе проведено трехмерное вычислительное моделирование процессов, происходящих в камере сгорания гибридного твердотопливного двигателя при воспламенении твердого горючего. В качестве окислителя рассматриваются предварительно подогретый газообразный кислород и воздух, которые подаются в камеру сгорания со сверхзвуковой скоростью. Твердое топливо представляет собой HTPB (полибутадиен с концевыми гидроксильными группами) или PMMA (полиметилметакрилат) для двух различных экспериментальных камер. Предполагается, что при взаимодействии окислителя с топливом, оно начинает прогреваться. В результате чего начинают выделяться составляющие компоненты твердого топлива, которые взаимодействуют с окислителем и также воспламеняются. Параметры тепло- и массообмена около термохимически разрушающегося горючего определяются с помощью пристеночных функций по данным вычислительного моделирования параметров среды около твердой поверхности. Для моделирования был разработан специализированный авторский программный код. Некоторые детали используемых в работе моделей и алгоритмов могут быть найдены в работах [1-3].
Для корректировки модели проведено сравнение результатов вычислительного моделирования по скорости выгорания твердого топлива с данными физических экспериментов из работ [4, 5]. Проведена серия тестовых вычислительных экспериментов по определению распределений физических параметров внутри камеры сгорания. После установления протекающих в камере сгорания процессов пары топлива располагаются только между поверхности твердого топлива и зоной реакций. За ней по центру области присутствуют лишь окислитель и продукты горения. Такое развитие процессов характерно для диффузионного режима горения. До стабилизации процессов в камере сгорания получены сильная турбулентность и асимметрия происходящих в камере процессов.
Работа выполнена за счет субсидии, выделенной ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН на выполнение государственного задания № 1021061509701-5-1.2.1 «Разработка алгоритмической компоновки и программ для расчета многомасштабных процессов и горения» (FNEF-2022-0021).
Авторы выражают благодарность Центру коллективного пользования Межведомственного суперкомпьютерного центра Российской академии наук за предоставленные вычислительные ресурсы.
1. Kushnirenko A.G., Stamov L.I., Tyurenkova V.V., Smirnova M.N., Mikhalchenko E.V. Three-dimensional numerical modeling of a rocket engine with solid fuel // Acta Astronautica. 2021. Vol. 181. P. 544–551.
2. Tyurenkova V.V., Stamov L.I. Flame propagation in weightlessness above the burning surface of material // Acta Astronautica. 2019. Vol. 159. P. 342–348.
3. Tyurenkova V.V., Smirnova M.N. Material combustion in oxidant flows: Self-similar solutions // Acta Astronautica. 2016. Vol. 120. P. 129–137.
4. Ben-Yakar A., Natan B., Gany A. Investigation of a solid fuel scramjet combustor // J. Propuls. Power. 1998. Vol. 14 (4). P. 447–455.
5. Sun Xingliang, Tian Hui, Li Yuelong, Yu Nanjia, Cai Guobiao. Regression rate behaviors of HTPB-based propellant combinations for hybrid rocket motor // Acta Astronautica. 2016. Vol. 119. P. 137-146.
Любен Иванович Стамов
Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН
В отличие от хорошо изученных двухфазных течений воды и газа, газожидкостным течениям в жидких металлах ранее уделялось мало внимания. Для жидких металлов исследование процессов диспергирования газовой фазы производилось для процессов очистки металлов и сплавов, а также непрерывной выплавки стали. В связи с развитием реакторных установок со свинцовым и свинцово – висмутовым теплоносителями роль исследований совместного течения жидкого металла и газа существенно увеличилась. Большая разность плотностей между газом и жидким металлом создает большую плавучесть, действующую на газовую фазу и, соответственно, может повлиять на форму, размер и эволюцию пузырьков, движущихся в жидком металле, структуру и режимы газожидкостного течения. Для того, чтобы правильно уметь предсказывать поведение такой двухфазной среды, необходимо понять применимость существующих в настоящее время моделей двухфазного течения для описания поведения газовой фазы в жидком металле. Такое понимание, прежде всего, идет от постановки и проведения соответствующих экспериментальных исследований, результаты которых можно напрямую сравнивать с известными данными по течениям газа и жидкости с «нормальным» соотношениям плотности фаз.
В докладе обсуждаются постановки экспериментов и полученные результаты экспериментальных исследований структуры и режимов течения двухфазной среды, состоящей из жидкого металла и газовой фазы. Приводятся оригинальные методики измерений размера, частоты отрыва, отрывного диаметра пузырей инертного газа в расплавленном металле, газосодержания, скорости движения газовой фазы, визуализации двухфазного течения, позволившей зафиксировать подробную эволюцию пузырей в жидком металле.
В докладе также приводятся полученные экспериментальные данные по количесственным параметрам, характеризующим поведение газа, в том числе по структуре и режимам газожидкостного течения в жидком металле. Данные некоторых измерений обобщены на основе критериев чисел Рейнольдса, Этвеша и Мортона.
Данные измерений существенно расширяют валидационную базу вычислительных кодов и используются для уточнения расчетных моделей газожидкостного течения в жидком металле.
1. Mosunova, N.A., Alipchenkov, V.M., Pribaturin, N.A., Strizhov, V.F., Usov, E.V., Lobanov, P.D., Afremov, D.A., Semchenkov, A.A., Larin, I.A., Lead coolant modeling in system thermal-hydraulic code HYDRA-IBRAE/LM and some validation results // Nuclear Engineering and Design. 2020. Т. 359. С. 110463.
Николай Алексеевич Прибатурин
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Целью работы было экспериментальное исследование структуры нестационарного течения после дифракции плоской ударной волны с числом Маха М=2,9–4,4 на малом препятствии в канале ударной трубы прямоугольного сечения 48×24 мм2. Визуализация процессов осуществлялась с помощью прямого теневого метода и фоторегистрации свечения наносекундного комбинированного объемного разряда; оптическая диагностика поводилась через кварцевые стекла рабочей секции [1].
Фронт исходной ударной волны представляет плоскость, перпендикулярную стенкам канала ударной трубы. Препятствие размером 48×6×2 мм3 было расположено на нижней стенке рабочей секции внутри разрядного объема. Ширина препятствия соответствовала ширине канала рабочей секции, что позволяло считать исследуемое течение двумерным. Регистрация теневых изображений осуществлялась высокоскоростной камерой с частотой 150 000 кадров в секунду. Комбинированный объемный разряд длительностью ~500 нс инициировался в воздухе при импульсном напряжении 25 кВ, начальном давлении р0 = 10–30 Торр в различные моменты времени после прохождения ударной волной препятствия [1]. Фотокамерой регистрировалось интегральное по времени свечение разряда, электронно-оптической камерой – с наносекундным разрешением.
В результате высокоскоростного теневого зондирования были обнаружены особенности ударно-волновой конфигурации: на теневом изображении (рис. 1, а) за фронтом ударной волны виден косой скачок уплотнения, который взаимодействует с ней, искривляя фронт. Свечение разряда с резкой границей слева визуализирует область протекания тока разряда перед фронтом (рис. 1, б). Фотоизображения свечения показывают четкое соответствие формы фронта дифрагированной ударной волны теневым кадрам. Результаты исследования показали, как при удалении от препятствия фронт ударной волны эволюционирует к плоскости, соответствуя [2]. Распределение свечения разряда обеспечивает практически мгновенную визуализацию структуры потока, поскольку экспозиция (время свечения разряда) составляет менее 1 мкс. За время экспозиции смещение элементов течения не превышает доли миллиметра, позволяя с большой точностью определить положение и форму фронта ударной волны после дифракции.
1. Иванова А.А., Мурсенкова И.В. Экспериментальное исследование движения ударной волны в плазме импульсного объемного разряда в воздухе. Вестник МГУ, Сер. 3. Физика. Астрономия. 2023. № 2. 2320601.
2. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Гидродинамика. М., Наука, 1988. 737 с.
Анна Александровна Иванова
НИИ механики МГУ им. М. В. Ломоносова
Рассмотрена одномерная задача трехфазной многокомпонентной фильтрации, связанная с вытеснением нефти углекислым газом и/или водой. Водогазовое воздействие на нефтяные пласты способствуют более эффективному вытеснению нефти. Попеременная закачка газа и воды в нефтенасыщенный пласт приводит к увеличению и уменьшению насыщенности газа. В результате такого процесса может наблюдаться гистерезис относительной фазовой проницаемости газа. В связи с этим явлением была построена численная модель фильтрационного течения с учетом гистерезиса относительной фазовой проницаемости газа и фазовых превращений между фазами нефти и газа. Механическая модель сопряжена с оценкой экономической эффективности водогазового воздействия на нефтенасыщенный пласт.
Проведена оценка рентабельности четырех стратегий водогазового воздействия на основе введенного экономического критерия. Для этого проведены серии расчетов без учета и с учетом влияния гистерезиса для следующих стратегий: газ (G), вода (W), газ-вода (GW) и вода-газ-вода-газ-вода (2(WG)W). На этапе обработки результатов учитывались объемы закачиваемых газа и воды, значения максимальной прибыли и водогазовое отношение.
Было показано, что в расчетах с учетом влияния гистерезиса необходимое количество закачиваемого газа возрастало с возрастанием критической насыщенности газа, в то время как значение максимальной прибыли менялось слабо. При уменьшении безразмерной скорости рентабельность всех стратегий снижается, а стратегии водогазового воздействия становятся менее эффективными в сравнении с заводнением пласта.
Ирина Михайловна Сыпченко
НИИ механики МГУ имени М.В.Ломоносова
В представленной работе изучаются два механизма развития возмущений в струйном течении: модальный, связанный с неустойчивостью Кельвина-Гельмгольца, и немодальный (алгебраический), аналогичный «байпасному» механизму, который известен в пристенных течений [1]. Эксперименты проводились с ламинарным затопленным струйным течением воздуха диаметром , числом Рейнольдса и длинным ламинарным участком [2].
Модальная неустойчивость течения изучена теоретически и экспериментально [3]. Возмущения, развивающиеся согласно модальному механизму, усиливались в экспериментах при помощи колебаний тонкого металлического кольца. Показано хорошее согласование экспериментальных и теоретических параметров.
Немодальный механизм роста возмущений инициировался при помощи установленных в течение специальных стационарно возмущающих конструкций – «дефлекторов». Было показано, что под их воздействием в струе реализуется «lift-up» механизм и переход к турбулентности происходит отличным от модального механизма путём, а параметры нарастания генерируемых возмущений соответствуют теоретически оптимальным, рассчитанным для данного течения [4].
Также было изучено взаимодействие двух механизмов роста возмущений для различных и частот модального возмущения. В экспериментах исследовалось нарастание гармонических возмущений в струе, возмущенной установленным дефлектором. Показано, что коэффициент роста возмущений в такой струе меньше, чем в невозмущенной, на расстоянии до 3 диаметров струи, что согласуется с предсказаниями линейной теории [5].
1. Matsubara M., Alfredsson P. H.: Disturbance growth in boundary layers subjected to free-stream turbulence. J. Fluid Mech., 430, 149-168 (2001).
2. Julia Zayko, Sergei Teplovodskii, Anastasia Chicherina, Vasily Vedeneev, Alexander Reshmin. Formation of free round jets with long laminar regions at large Reynolds numbers // Phys. Fluids 30(043603), 2018.
3. Gareev L.R., Zayko J.S., Chicherina A.D., Trifonov V.V., Reshmin A.I., Vedeneev V.V. Experimental validation of inviscid linear stability theory applied to an axisymmetric jet // J. Fluid Mech. 2022. V.934. A3.
4. Ivanov, O., Ashurov, D., Gareev, L., & Vedeneev, V. (2023). Non-modal perturbation growth in a laminar jet: An experimental study. Journal of Fluid Mechanics, 963, A8. doi:10.1017/jfm.2023.286
5. Wang C, Lesshafft, L., Cavalieri, A. V., Jordan, P. The effect of streaks on the instability of jets // Journal of Fluid Mechanics. – 2021. – Т. 910.
Линар Рафаилович Гареев
НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва
Процесс нагнетания углекислого газа в водонасыщенные пласты, содержащие растворенную соль, в рамках технологии улавливания и хранения углерода (CCS) может быть осложнен возникающими структурными изменениями пористой среды. Осаждение соли, растворенной в пластовой воде, вызывает частичное закупоривание поровых пространств в призабойной зоне скважины (ПЗС), что в свою очередь сказывается на приёмистости – эффективности – нагнетательной скважины. В качестве меры изменения проницаемости пород ПЗС используется скин-фактор, характеризующий перепад давления, вызванный уменьшением потока флюида в области осаждения. Предварительный анализ этого параметра способствует дальнейшей оценке рентабельности и эффективности рассматриваемого способа захоронения углекислого газа.
Данное исследование направлено на получение количественной оценки скин-фактора при заданном закачанном объеме сухого газа. В ходе работы получено в явном виде соотношение для точной оценки скин-фактора, позволяющее быстро проанализировать приемистость скважины, не прибегая к численному моделированию фильтрационного течения. Проведено сравнение полученного соотношения с результатами гидродинамического моделирования трехфазного фильтрационного течения в широком диапазоне пластовых условий. Показано, что кривая насыщенности состоит из двух ударных волн и на внутреннем разрыве, соответствующем распространению скин-зоны, испаряется не только неподвижная, но и подвижная вода. Проведен численный расчет на модели, учитывающей наличие силы тяжести, и выполнено сравнение расчетного и оценочного значения скин-фактора.
Сергей Сергеевич Гречко
НИИ механики МГУ
Панорамные (полевые) методы измерений позволяют измерять мгновенные распределения физических величин, выявлять в потоке когерентные структуры, исследовать нестационарные потоки и быстропротекающие процессы [1]. Наиболее известным среди панорамных методов является анемометрия по изображениям частиц PIV (Particle Image Velocimetry) [2].
Метод PIV находит широкое применение в практике исследований течения газов с высокими сверхзвуковыми скоростями. Первые работы по использованию метода PIV в сжимаемых течениях датируются 1988 г. (Moraitis C.S., Riethmuller M.L., Kompenhans J. et al.), при высоких сверхзвуковых скоростях (больше М=4) публикации начали появляться с 2002 года (Haertig J., Havermann M. et al.).
В рамках работы произведена отладка двумерной двухкомпонентной системы «Сигма Про» на базе сверхзвуковой аэродинамической установки АР-2 [3]. Представлены результаты сравнительного исследования применимости различных типов трассеров для засева потока: частицы DEHS, жидкий углекислый газ и дистиллированная вода, подаваемая через форсунки в форкамере установки.
Наилучшее качество засева было получено при использовании жидкости DEHS. Засев углекислым газом приводил к туманообразованию в сверхзвуковой области с неравномерным распределением частиц по сечению и, по-видимому, слишком малому (меньше 1 мкм) размеру формируемых частиц. Капли дистиллированной воды, формируемые форсунками, оказались напротив слишком крупными (десятки микрометров), чтобы можно было утверждать установление динамического равновесия с несущим потоком.
Работа выполняется в рамках госбюджетной темы АААА-А16-116021110200-5 НИИ механики МГУ.
1.Знаменская И.А. Методы панорамной визуализации и цифрового анализа теплофизических полей. Обзор // Научная визуализация. 2021. Т. 13. № 3. С. 125–158.
2.Бильский А.В., Гобызов О.А., Маркович Д.М. История и тенденции развития метода анемометрии по изображениям частиц для аэродинамического эксперимента (обзор) // Теплофизика и аэромеханика. 2020. Т. 27. № 1. С. 1-24.
3.Егоров К.С., Загайнов И.А., Попович С.С. Экспериментальная отработка панорамного метода исследования анемометрии по изображениям частиц на сверхзвуковой аэродинамической установке // Будущее машиностроения России: сб. докл. XV Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов (с международным участием), Т. 2. М: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2023. С. 12-16.
Иван Алексеевич Загайнов
НИИ механики МГУ
Панорамные методы измерений, в отличие от традиционных (термоанемометр, лазерная доплеровская анемометрия и др.), обладают рядом преимуществ. Например, они позволяют измерять мгновенные распределения физических величин, выявлять в потоке когерентные структуры, исследовать нестационарные потоки и быстропротекающие процессы [1]. Наиболее известными среди панорамных методов являются PIV (Particle Image Velocimetry) и SSP (Shadow Photography).
Метод PIV – это оптический метод измерения мгновенных полей скорости газа в выбранном сечении потока. Импульсный лазер создает тонкий световой нож и освещает мелкие частицы - трассеры, взвешенные в исследуемом потоке. Положения частиц в момент двух последовательных вспышек лазера регистрируются на два кадра цифровой камеры. Скорость потока определяется расчетом перемещения, которое совершают частицы за время между вспышками лазера. Данный метод находит широкое применение в практике исследований течения газов с высокими сверхзвуковыми скоростями. Первые работы по использованию метода PIV в сжимаемых течениях датируются 1988 г. (Moraitis C.S., Riethmuller M.L., Kompenhans J. et al.), при высоких сверхзвуковых скоростях (больше М=4) публикации начали появляться с 2002 года (Haertig J., Havermann M. et al.).
Метод SSP основан на регистрации теневой фотографии объекта, имеющего коэффициент преломления, отличный от окружающей его среды. Цифровой анализ теневого изображения позволяет определить положение и границу объекта, что важно в задачах исследования течения двухфазного потока.
В рамках работы представлено применение 2D2C-PIV (двухмерной двухкомпонентной) и SSP-систем в исследовании задач термогазодинамики сверхзвуковых потоков. Исследования проводятся на сверхзвуковой аэродинамической установке АР-2 [2] в области газодинамики двухфазных (газо-жидкостных) потоков.
Работа выполняется в рамках госбюджетной темы АААА-А16-116021110200-5 НИИ механики МГУ.
1.Знаменская И.А. Методы панорамной визуализации и цифрового анализа теплофизических полей. Обзор // Научная визуализация. 2021. Т. 13. № 3. С. 125–158.
2.Попович С.С., Здитовец А.Г., Виноградов Ю.А. Экспериментальное исследование аэрогидродинамики течения воздушно-капельного потока в плоском сверхзвуковом сопле // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Тезисы докладов XXIV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика А.И. Леонтьева, посвященной 100-летию академика В.Е. Алемасова. АО Информационно-издательский центр Казань, 2023. С. 174–175.
Сергей Станиславович Попович
ИПМ им. М.В. Келдыша РАН
Одним из методов численного моделирования задач гидродинамики является использование квазигидродинамических (КГиД) уравнений, которые являются обобщением уравнений Навье-Стокса. Квазигидродинамический алгоритм также, как и квазигазодинамический (КГД), был имплементирован в открытый программный комплекс OpenFOAM ([1], [2], [3]).
КГиД система для описания течений вязкой несжимаемой теплопроводной жидкости в приближении Буссинеска имеет вид
Было проведено тестирование режимов при различных числах Грасгофа от 104 до 2*108 в задаче тепловой конвекции в квадратной области с помощью солвера mulesQHDFoam открытого пакета OpenFOAM. Расчетная область и результаты расчетов приведены на Рис. 1. Получено, что стационарное течение реализуется вплоть до чисел Грасгофа 108. При дальнейшем увеличении числа Грасгофа до 2*108 течение в области становится нестационарным.
Рис. 1. Квадратная расчетная область: cлева горячая стенка с температурой Tг, справа – холодная с температурой Tх (слева). Стационарный режим: линии тока для значений модуля скорости для Gr=108 (посередине). Нестационарный режим течения для Gr=2*108. Распределения в точках с координатами (0.08075 0.08075 0.0) и (0.08075 0.24225 0.0). Сетка 160х160 (справа).
Тестирование КГиД алгоритма и сравнение полученных результатов с имеющимися расчетами показывает адекватность применения метода к задачам тепловой конвекции с высокими числами Грасгофа. В рамках КГиД алгоритма был проведен расчет задачи метода Чохральского в полной трехмерной постановке с реальными размерами тигля и расплавом вещества [4].
[1]. Елизарова Т.Г. Квазигазодинамические уравнения и методы расчета вязких течений. Москва, Научный мир, 2007.
[2]. M.V. Kraposhin, D.A. Ryazanov, E.V. Smirnova, T.G. Elizarova, M.A. Kiryushina (Istomina) // Development of OpenFOAM solver for compressible viscous flows simulation using quasi-gas dynamic equations. DOI: 10.1109/ISPRAS.2017.00026.
[3]. Kraposhin M.V., Ryazanov D.A., Elizarova T.G (2021) // Numerical algorithm based on regularized equations for incompressible flow modeling and its implementation in OpenFOAM, Computer physics Communications 271(2022) 108216.
[4]. М.А. Кирюшина, Т.Г. Елизарова, А.С. Епихин Моделирование течения расплава в методе Чохральского в рамках открытого пакета OpenFOAM с применением квазигидродинамического алгоритма // Математическое моделирование, 2023 (принята к печати).
Мария Александровна Кирюшина
