АО «ОКБМ Африкантов»
Основной причиной источников повышенного шума арматур являются процессы, возникающие при обтекании элементов проточной части. Для удовлетворения требований по уровню шума, при проектировании новой проточной части арматуры, необходимо корректно моделировать аэро/гидродинамику потока рабочей среды. В данной работе рассмотрена задача обтекания потоком глухой кольцевой полости (коллектора) как типового элемента паровой арматуры спроектированной в АО «ОКБМ Африкантов».
Экспериментальные исследования на упрощенной модели проточной части арматуры показали, что в определенных условиях испытаний, в области коллектора возникает процесс, с возбуждением акустических колебаний на частоте f ~ 1,3 кГц. Из анализа результатов испытаний также определено, что процесс носит автоколебательный характер.
Результаты расчетного исследования показали возможность моделирования наблюдаемых автоколебательных процессов в кольцевом коллекторе с помощью методов численного моделирования. Численные расчеты аэродинамики потока выполнялись в ПП Логос. Расчетные пульсации давления в проточной части модели имеют хорошую сходимость с результатами, полученными экспериментальным методом. По результатам выполнения работы показано, что предложенный подход прогнозирования возбуждения акустических частот потоком рабочей среды может быть использован в прикладных задачах, как при проектировании проточной части нового оборудования, так и доработки существующего, в части снижения вибрации и шума
Михаил Геннадьевич Маслов
Институт прикладной механики РАН
Разработка полимерных композитных материалов с заданным уровнем технологических, упруго-прочностных и теплофизических характеристик представляет актуальную задачу, решение которой позволит создать инновационную продукцию по комплексу свойств не уступающую импортным аналогам [1]. В данной работе исследованы эластомерные композиты на основе дивинил-стирольного синтетического каучука ДССК-628 наполненного техническим углеродом N324 различной концентрации. Синтез композитов проводился на лабораторном смесителе Haake Polylab. Структура поверхности композитов изучалась на атомно-силовом микроскопе АСМ EasyScan (Nanosurf, Швейцария), работавшем в контактном режиме на воздухе при комнатной температуре с дополнительным использованием моды модуляции силы. На рис. 1 представлены АСМ снимки поверхности композита ТУ-25 с концентрацией частиц наполнителя 70.9 масс частей на 100 масс частей каучука. Обработка полученных снимков проводилась с помощью алгоритмов программы SPIP. Светлые области - агломераты наполнителя на снимках топографии и на снимках материального контраста размерами порядка 100 нм - 1 мкм визуализированы на фоне структуры поверхности полимерной матрицы ДССК-628. Из обработки сканов АСМ получены кривые распределения частиц наполнителя по размерам в зависимости от степени наполнения композитов частицами техуглерода. Для всех полученных образцов композитов определялись упруго-прочностные и гистерезисные свойства, а также образцы испытывались на измерительном комплексе NanoTest 600 методом наноиндентирования. В ходе экспериментальных исследований выявлены зависимости механических свойств данного класса материалов от степени наполнения высокодисперсными частицами технического углерода и параметрами структуры композитов [2].
1. Корнев Ю.В., Валиев Х.Х., Власов А.Н., Карнет Ю.Н., Семенов Н.А. Эластомерные композиты, упрочненные высокодисперсными минеральными наполнителями на основе диоксида кремния и углерода // Механика композиционных материалов и конструкций, сложных и гетерогенных сред. Сб. трудов 12-й Всероссийской научной конференции с международным участием им. И.Ф. Образцова и Ю.Г. Яновского. Москва, 2022. С. 151-158.
2. Симонов-Емельянов И.Д., Харламова К.И., Дергунова Е.Р. / Маслоемкость дисперсных порошков и определение максимального содержания наполнителей в полимерных композиционных материалах // Клеи. Герметики. Технологии. 2022, №3, С.18-24.
Денис - Муромцев
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Рассмотрена модель двухкомпонентной фильтрации с фазовыми переходами, которая широко используется для решения задач прогнозирования разработки нефтегазовых залежей [1]-[3]. Предполагается, что скорости фильтрации невелики, а массоперенос происходит достаточно интенсивно, так что фазовое равновесие успевает установиться в каждом элементарном объеме. В зависимости от температурно-барических условий двухкомпонентная смесь может находиться как в однофазном, так и в двухфазном состоянии. Во втором случае будем условно считать более плотную фазу жидкой и обозначать соответствующие ей величины индексом L, а менее плотную фазу - газовой фазой и обозначать ее индексом G.
Нелинейные уравнения двухкомпонентной фильтрации демонстрируют свойства уравнений гиперболического, параболического и эллиптического типов. Решения системы уравнений, описывающих фильтрацию, характеризуются наличием сильных и слабых разрывов концентрации, распространяющихся с конечной скоростью. Непредсказуемые изменения состава и фазового насыщения являются одной из проблем при разработке «карбонатизированных» нефтегазоконденсатных месторождений. Автомодельные решения представляют большой интерес как для тестирования численных алгоритмов [2], так и для исследования сложных фильтрационных течений. Такие решения используются для изучения процессов вытеснения нефти водой или сжатым газом. Однако сжимаемость фаз часто играет существенную роль. В данной работе не делается никаких особых предположений о свойствах жидкостей, т.е. жидкости могут быть как сжимаемыми, так и несжимаемыми, а в системе происходят фазовые переходы.
1. Колдоба А.В., Повещенко Ю.А., Самарская Е.А., Тишкин В.Ф. Методы математического моделирования окружающей среды. - М : "Наука", 2000, 254 с.
2. Литвинов В.Л., Литвинова К.В. «Построение автомодельных решений двухкомпонентных уравнений фильтрации при моделировании добычи нефти и газа», Геометрические методы в теории управления и математической физике. III Международная научная конференция (Рязань, 26–30 апреля 2021 г.). стр. 61–62.
3. Брусиловский А.И. Фазовые превращения при разработке месторождений нефти и газа - "Грааль", 2002 г.
Кристина Владиславовна Литвинова
МГУ им. М. В. Ломоносова
Для добычи углеводородных полезных ископаемых сегодня используются различные методы, самым распространенным из которых является заводнение - вытеснение углеводорода путем нагнетания в скважину вытесняющих агентов, повышения тем самым градиента давления. При этом на границе раздела фаз вытеснения развивается неустойчивость: вытесняющая жидкость стремится прорваться сквозь слой вытесняемой, формируя в ней каналы, называемые «вязкими пальцами», что существенно сказывается на качестве нефтедобычи.Одним из наиболее эффективных методов изучения фильтрации является численный эксперимент, поскольку уравнения, описывающие фильтрацию, в большинстве случаев не разрешимы аналитическими и приближенными методами. Данный подход намного дешевле и доступнее по сравнению с натурным экспериментом. Основной недостаток известных методов моделирования нелинейных процессов вытеснения углеводородов - моделирование на макроуровне без учета мелкомасштабной неустойчивости, возникающей на фронте вытеснения углеводорода из пласта, из-за чего снижается точность расчетов и увеличивается время их проведения при построении реальной модели прогнозирования протекания процессов в нефтесодержащих пластах, при этом расчёты с достаточно большим разрешением невозможны даже с использованием современной вычислительной техники.
В данной работе описан метод, позволяющий учесть подсеточную неустойчивость, развивающуюся на мелком масштабе при моделировании вытеснения на крупном масштабе. Данный метод позволяет учесть неустойчивость вытеснения даже при одномерном моделировании. Суть метода заключается в разбиении исследуемой геологической структуры на крупномасштабные блоки (КМБ), а затем в разбиении КМБ на мелкомасштабные блоки (ММБ) и вычислении значения физических свойств для ММБ. После чего путем ремасштабирования осуществляют вычисление значения физических свойств для КМБ. Технический результат заключается в изменении модели на макроуровне за счет дополнительных потоков в уравнениях в зависимости от физических свойств, полученных при исследовании процесса на микроуровне.
Для описания используется двухфазная модель флюида в пористой среде, где фазы считаются несмешивающимися и пористость постоянна, уравнение баланса массы для каждой из фаз, закон Дарси, а также уравнение связи между давлениями в фазах через капиллярное давление и дополнительные алгебраические соотношения. Уравнения глобальной системы приведены в размерном виде.
Аида Гришевна Бароян
Московский физико-технический институт
В результате аналитических решений и компьютерного моделирования определены формы тел в двухфазном потоке с точки зрения снижения интенсивности тепломасообмена и силового воздействия двухфазного потока на обтекаемое тело с учетом физических свойств материалов поверхности обтекаемого тела. В настоящей работе в течение ряда лет создана и развита программа, позволяющая рассчитывать динамику разреженных газов с учетом многократных взаимодействий молекул между собой и с атомами твердого тела. Созданная программа позволяет не только предсказать коэффициенты аэродинамических сил и теплообмена летательного аппарата в потоке множества тел произвольной природы и размеров, но определить какими свойствами должны обладать материалы обтекаемого тела или тонкий поверхностный слой для изменения коэффициентов аэродинамических сил и интенсивности тепломассообмена в широком диапазоне управляющих параметров – от обледенения до абляции. Удлинение носовой части обтекаемого тела увеличивает время на выравнивание скоростей частиц (капель) и несущего их потока, тем самым снижая скорость удара частиц (или капель) о поверхность, поток массы двухфазного потока, ослабляя эффекты дробления, эрозии и проникновения в поры покрытия.
Иван Алексеевич Амелюшкин
Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского, Московский физико-технический институт
Разработаны экспериментальные установки для управления трением и массообменом элементов летательной техники в газокапельных потоках, оптимизации аэрогидродинамических сил водоступных механизмов, аквапланирования и ряда своеобразных физических явлений, сопровождающих взаимодействие жидкости с гидрофобными и льдофобными покрытиями, состоящими из разных типов материалов, поверхности которых обладают микро- и нано- рельефом. Импульсная аэрогидромеханическая установка позволяет исследовать процессы, сопровождающие аквапаланирование и удары грунтозацепов радиоуправляемой модели о нестационарную границу двух сред и реализовать режимы от гребного режима до режима, при котором между жидкостью и быстро вращающимися лопатками формируется воздушный экран. За счет использования конфузора с высокой степенью поджатия с соплом Витошинского гидроустановка создает ламинарный поток без кавитации, позволяет проводить исследования как в открытой, так и закрытой рабочей части, осуществлять плавную регулировку скорости, обеспечивает удобcтво размещения измерительного оборудования, простоту конструктивных элементов, мобильность и надежность. Циркулярный стенд создан для исследования и управления ударом частиц и капель о гидрофобные покрытия в приложении к проблеме обледенения. Стенд не требует синхронизации частоты съемки камеры с оборотами вращения маховика и наряду с исследованиями взаимодействия одиночных частиц и капель аэрозольного потока с твердым телом и для проведения оптимизации формы аквапланирующих лопаток. Кроме того, в целях управления распадом пленки на ручейки, а ручейков на капли создана экспериментальная установка, которая позволяет исследовать течения жидкости по поверхности под разными углами, толщинами и скоростями жидкой пленки с учетом ее реологических свойств, которые усложняются как после прохождения волны кристаллизации, так и после удара о нее содержащихся в аэрозольном облаке кристаллов льда.
Иван Алексеевич Амелюшкин
Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН
Изучение обдува легкоплавкого твердого топлива потоком горячего газа представляет большой интерес, поскольку скорость регрессии таких топлив выше, чем достигается для газифицирующихся твердых топлив. При температуре потока выше температуры плавления материала на поверхности топлива образуется жидкий слой, с которого газовым потоком уносится часть расплавленного материала в виде капель. Это приводит к увеличению полноты сгорания топлива в потоке окислителя.
Для управления процессом плавлением топлива важно иметь возможность изучить данный процесс с разных сторон и сравнить экспериментальные данные с численным моделированием. Экспериментальная часть проводилась на исследовательской установке лаборатории термогазодинамики и горения ИПМех РАН [1]. В качестве модельного топлива был выбран парафин марки П-2.
Численное моделирование проводилось в программном пакете OpenFoam в двумерной постановке, при этом расчетная область представляет собой плоскость симметрии экспериментальной камеры. Для отслеживания межфазных границ использовался метод VOF, широко применяемый в работах подобного рода [2]. Данный метод реализован в стандартном расчетном модуле icoReactingMultiphaseInterFoam, который позволяет моделировать несжимаемые многофазные течения, с возможностью учета фазового перехода.
Параметры расчета соответствовали одному из экспериментальных пусков. Поток воздуха скоростью 50 м/c и температурой 603 К обдувает твердый парафин температурой 303 К. Плавление парафина начинается при 324 К. Использовался образец прямоугольной формы со скошенным передним торцом. Результаты расчета показывают начальное равномерное плавление передней и верхней кромок образца. Возникающий жидкий слой парафина возмущается воздухом, что приводит к развитию неустойчивости Кельвина-Гельмгольца, образованию волн и вихревых структур у поверхности. Около задней кромки образца можно наблюдать срыв потока расплавленного парафина и образующийся крупный вихрь. Далее расплав растекается вдоль нижней стенки. Все перечисленные явления качественно согласуются с экспериментом (см. рис.1).
Дальнейшим направлением работы является количественное сравнение результатов (размеров образующихся капель расплава, времени плавления образца), переход к трехмерному моделированию, а также развитие математической модели, с целью учета испарения капель жидкого парафина и последующего воспламенения образующейся смеси.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ (проект № 24-19-00703).
1.Усанов В.А, Рашковский С.А, Якуш С.Е, Гембаржевский Г.В. Экспериментальное исследование горения твердого легкоплавкого топлива // Тез. докл. XVIII Всерос. конф. молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» 2024, с.183-184.
2.Rashkovskii S.A., S.E.Yakush S.E. Numerical simulation of low-melting temperature solid fuel regression in hybrid rocket engines // Acta Astronautica, 2020, V. 176, P. 710-716.
Никита Сергеевич Сиваков
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
В данной работе рассматривается экспериментальное исследование колебаний двухслойной жидкости в подвижном баке, совершающим возвратно- поступательное движение. Дано описание экспериментальной установки и определены в эксперименте основные динамические характеристики нелинейных колебаний двух жидкости, а также приведено сравнение полученных экспериментальных результатов с теоретическими.
В качестве испытуемых жидкостей были выбраны вода, подсолнечное масло плотностью. Экспериментальная установка рис. 1 состоит из основания, подвижной пластины, прозрачного бака, электромеханического возбудителя колебаний и контрольно-измерительного комплекса. Основание представляет собой неподвижную пластину из текстолита, на которой были закреплены электромеханический возбудитель и металлические направляющие, обеспечивающие плавное движение без боковых вибраций подвижной пластины.
Весь процесс колебаний регистрировался на видеокамеру Айфон 15 Pro Max и затем анализировался на персональном компьютере ASUS.
Вин Ко Ко
