МГУ имени М.В. Ломоносова, физический факультет
Рис. 1. Тепловое излучение при проходе плоской ударной волны с числом Маха М=3,3 по профилированному каналу с импульсной ионизацией перед ее фронтом.
Развитие высокоскоростной термографической техники привело к возможности регистрации нестационарных тепловых процессов, в частности - характеристик теплообмена нестационарных сверхзвуковых течений [1]. В данной работе проведен сравнительный анализ пространственно-временных характеристик областей, связанных с газодинамическим и с плазменным нагревом участков газодинамического канала. Рассматривается процесс импульсной ионизации области плоской ударной волны, распространяющейся в канале - инициирования перед ее фронтом плазмы объемного разряда. Представлено экспериментальное панорамное исследование тепловых и газодинамических полей при взаимодействии плазмы импульсного объемного разряда с высокоскоростным течением в прямом и в профилированном канале ударной трубы. Теневым методом исследована динамика разрывов и неоднородностей, возникающих в результате данного взаимодействия [2]. На основе методики высокоскоростной инфракрасной термографии исследованы пространственно-временные характеристики тепловых полей, сопутствующих плазменным и газодинамическим процессам. Исследованы газодинамические и тепловые процессы, связанные как с инициированием импульсного объемного разряда с предыонизацией от плазменных листов, так и с взаимодействием ударной волны (с числами Маха М = 2 - 4,5) и потока за ней со стенками канала. Термография позволяла регистрировать тепловые поля через ИК-прозрачные боковые стенки разрядной секции в диапазоне 1,5 – 5,1 мкм с экспозицией 200-500 мкс [3].
Получены последовательные изображения тепловых полей в потоке с плоской ударной волной после инициирования импульсного объемного разряда в канале. По интегральным снимкам были построены зависимости интенсивности излучения в видимом и инфракрасном диапазоне от расстояния от ударной волны до конца разрядного промежутка. Проведено сравнение данных термографии, полученных при регистрации импульсного энергоподвода перед плоской ударной волной (импульсный объемный разряд) и за прошедшей ударной волной (ударно-волновой нагрев стенок в профилированном канале).
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 23-19-0096.
1. Знаменская И.А. Методы панорамной визуализации и цифрового анализа теплофизических полей. Обзор // Научная визуализация. 2021. Т. 13. № 3. С. 125–158.
2. Doroshchenko I., Znamenskaya I., Koroteev D., Kuli-zade T. When shock is shocked: Riemann problem dynamics at pulse ionization of a shock wave // Physics of Fluids. 2017. Vol. 29. № 10. P. 101701.
3. Знаменская И.А., Карнозова Е.А. Динамика тепловых полей на обтекаемой поверхности, нагретой ударной волной и импульсным разрядом // Журнал технической физики. 2024. Т. 94. № 6. С. 849–856.
Елизавета Андреевна Карнозова
Физический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва
Целью работы было экспериментальное исследование структуры нестационарного течения в канале после импульсного комбинированного разряда в присутствии фронта ударной волны в разрядном объеме в рабочей секции ударной трубы с двумя кварцевыми стенками.
При начальном давлении воздуха 5–50 Торр числа Маха ударных волн были М=2,2–4,4. Фронт ударной волны в экспериментах был плоским, перпендикулярным стенкам канала рабочей секции, или искривленным в результате дифракции на препятствии [1]. Препятствие размером 48×6×2 мм3 располагалось на нижней стенке рабочей секции внутри разрядного объема [1]. Комбинированный объемный разряд длительностью ~500 нс формировался при подаче импульсного напряжения 25 кВ в различные моменты времени после прохождения ударной волной препятствия. Свечение разряда регистрировалось фотокамерой; границы свечения четко показывают область протекания тока разряда перед фронтом ударной волны [2]. После разряда происходят распады разрывов на границах «воздух-плазма» [3]. Визуализация газодинамического течения осуществлялась рабочей секции прямым теневым методом с высокоскоростной регистрацией изображений с частотой до 750 000 кадров в секунду и экспозицией 1 мкс [1].
В результате высокоскоростного теневого зондирования показано, в обоих случаях после разряда течение в канале близко к двумерному. Ударно-волновая конфигурация формируется в результате образования и движения возмущений (ударных волн, контактных поверхностей и волн разрежения) от объемного и двух поверхностных разрядов. На теневых изображениях (рис. 1 а, в) в центральной части течения видны фронты двух ударных волн и контактная поверхность между ними. Сверху и снизу в поперечном фронту направлении движутся ударные волны от поверхностных разрядов. На рис. 1, в за фронтом ударной волны виден косой скачок уплотнения, и конфигурация несимметрична относительно горизонтальной плоскости. В последующие моменты времени ударно-волновая конфигурация модифицируется за счет движения и взаимодействия всех возмущений.
Результаты исследования показали, что в двух сериях экспериментов распады разрывов происходят подобным образом.
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. Mursenkova I., Ivanova A., Ivanov I.E., Sysoev N., Karimov A. High-speed flow visualization by a nanosecond volume discharge during shock wave diffraction on an obstacle. Scientific Visualization, 2023. V. 15, № 3. С. 40-49.
3. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Гидродинамика. М., Наука, 1988. 737 с.
Анна Александровна Иванова
Научно-исследовательский институт механики МГУ имени М.В. Ломоносова
Рассматривается сверхзвуковой турбулентный пограничный слой на пластине при нулевом продольном градиенте давления. Разработана рациональная асимптотическая теория, главными элементами которой являются условия замыкания, связывающие турбулентное касательное напряжение и турбулентный поток тепла с градиентами усредненной скорости и энтальпии, и решение уравнений Рейнольдса для сжимаемого газа в трех характерных областях течения (вязкий подслой, логарифмический подслой, внешняя область пограничного слоя) с последующим асимптотическим сращиванием. Теория не предполагает использования каких-либо частных гипотез о характере турбулентного обмена и фактически основывается только на первых принципах.
Установлена связь между скоростью и температурой в логарифмической области (интеграл Крокко) в виде двучленного разложения по малому параметру задачи, который имеет порядок числа Маха, вычисленного по динамической скорости и температуре газа на стенке. В нулевом приближении эта связь совпадает с известным уравнением Вальца.
Законы стенки для скорости и температуры также построены как разложения по малому параметру. Главный член разложения для скорости совпадает с формулой Ван Дриста, однако закон стенки содержит еще слагаемое порядка единицы, наличие которого и объясняет расхождение формулы Ван Дриста с экспериментальными и расчетными данными. Наряду с постоянной Кармана и турбулентным числом Прандтля в логарифмической области, которые известны для течения несжимаемой жидкости, теория содержит три новые универсальные постоянные, которые также характеризуют гидродинамические и тепловые процессы в инерционной области. Они определены из сопоставления с данными прямого численного моделирования для профилей скорости и температуры.
Алексей Игоревич Агеев
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
АО «ОКБМ Африкантов»
В связи с постоянно ужесточающимися требованиями к массо-габаритным характеристикам различного оборудования и электронасосов в частности рассматриваются различные пути по уменьшению их габаритов.
Один из основных путей состоит в увеличении частоты вращения рабочего колеса, что приводит к уменьшению габаритов, как электродвигателя, так и насосной части. Однако, одновременно со снижением массы и размеров, значительно увеличиваются силы на частоте вращения ротора электронасоса и вибрация на частоте вращения становится определяющей в спектральных характеристиках виброскорости насосного оборудования.
Анализ различных источников вибрации на частоте вращения показал, что помимо остаточного дисбаланса, наиболее вероятными и определяющими источниками сил на частоте вращения ротора электронасоса будут:
- несоосность подшипниковых опор ротора;
- неоднородность потока на входе в рабочее колесо.
Цель данной работы состояла в том, чтобы численно проанализировать интенсивность гидродинамических сил на частоте вращения, связанных с неравномерностью потока на входе в рабочее колесо, а также оценить влияние несоосности подшипников скольжения на амплитуды вибрации насоса.
В качестве исследуемого образца использовался электронасос разработки АО «ОКБМ Африкантов». Электронасос представляет собой моноблочный агрегат с одним рабочим колесом, радиальным направляющим аппаратом, гидрокамерой и асинхронным электродвигателем. Ротор рабочего колеса и электродвигателя вращается в подшипниках скольжения, охлаждаемых и смазываемых перекачиваемой рабочей средой (водой). Частота вращения ротора электронасоса составляет 3000 об/мин. На рисунке показан общий вид данного электронасоса.
Выполненные исследования позволят в дальнейшем обеспечивать минимальные уровни вибрации электронасосов на повышенных частотах вращения ротора.
1. Барков А.В., Баркова Н.А., Азовцев А.Ю. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации // Учеб. пособие. СПб.: «СЕВЗАПУЧЦЕНТР», 2021, 160 с.
2. Гантман М.Ю., Куликов Д.А., Фомин М.Н… Применение отечественного ПО для прогнозирования вибрации насосного оборудования… // Сборник тезисов межотраслевой научно-технической конференции «Направления развития ЯЭУ перспективных…». Н. Новгород, 2022, 110 с.
3. Савчук Д,В., Бесчеров Д.Е., Куликов Д.А.,… Обеспечение вибрационных характеристик центробежных насосов реакторных установок // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. Т. 22, №1, 2023. С.112-120.
Дмитрий Андреевич Куликов
Московский физико-технический институт
При низком уровне внешних возмущений ламинарно-турбулентный переход (ЛТП) в пограничном слое на аэродинамически гладкой поверхности развивается по так называемому модальному сценарию: внешние возмущения возбуждают моды пограничного слоя с малыми начальными амплитудами (стадия восприимчивости); неустойчивые моды экспоненциально растут вниз по потоку в соответствии с линейной теории устойчивости (линейная стадия развития неустойчивости); когда амплитуда возмущения достигает порогового уровня, начинается его нелинейный распад, который связывают с началом ламинарно-турбулентного перехода. В настоящей работе рассматривается возбуждение и развитие неустойчивых волн первой моды Мэка [1] на пластине при числе Маха набегающего потока M = 3, температуре стенки близкой к адиабатической и числе Рейнольдса Re = 20000000, характерном для натурного сверхзвукового полета. Рассматривается обтекание плоской пластины под нулевым углом атаки. Основные цели работы: выполнить целостное численное моделирование всех стадий перехода, оценить возможность практической реализации амплитудного метода для предсказания начала перехода. С помощью линейной теории устойчивости были выбраны частота ω = 172.82 и передний угол β = 58° внешних акустических волн, которые возбуждают неустойчивые волны первой моды с примерно одинаковым максимальным интегральным коэффициентом усиления N≈9. Отметим, что рассматриваются режимы, в которых интегральные коэффициенты усиления соответствуют началу перехода при низком уровне фоновых возмущений, характерном для условий полета. Рассматривались как медленные, так и быстрые акустические волны с малой амплитудой давления ε=0.0000004, при которых процесс восприимчивости является линейным с высокой степенью точности [2]. Протяженность области восприимчивости составляет около двух характерных длин волн (Рис. 1) и сосредоточена в малой окрестности передней кромки. В этой области вещественная часть фазовой скорости первой моды быстро сближается с фазовой скоростью медленной акустической волны, что приводит к резонансному режиму возбуждения.
Работа выполнена в Московском физико-техническом институте при финансовой поддержке РНФ (код проекта 23-79-10072).
1. Mack L.M. Boundary-layer stability theory. Part B. Doc. 900-277, JPL, Pasadena, California, May 1969.
2. Fedorov A.V., Palchekovskaya N. Acoustic receptivity of high-speed boundary layers on a flat plate at angles of attack // Theoretical and Computational Fluid Dynamics, 2022, 36(5), P. 705–722.
Наталья Владимировна Пальчековская
Санкт-Петербургский Государственный Университет
Моделирование ударных волн крайне важно для описания сверхзвуковых течений и входа космических аппаратов в атмосферы планет. Кроме того, использование эталонной задачи об ударной волне позволяет тестировать различные методы описания неравновесных течений газов с минимальными вычислительными затратами. В данной работе рассматривается однокомпонентный метан. Исследование ударных волн в метане интересно тем, что задача построения детальных моделей, учитывающих с различной степенью точности релаксационные процессы в данном газе, а также тепло- и массоперенос, не была решена. На начальном этапе построения таких моделей целесообразно рассмотреть однотемпературное приближение. Систему уравнений можно видеть на Рис.1. Потоковые члены, коэффициенты переноса и энергия системы рассматриваются на основе строгих методов кинетической теории [1].
В работе было проведено численное моделирование фронта и зоны релаксации ударных волн в метане. Построенные модели для метана были отвалидированы на основе доступных экспериментальных данных и результатов других авторов. Рассматривались различные тестовые случаи (см. Рис.2) для плоской ударной волны в метане, заключающиеся в учете или пренебрежении объемной вязкостью, а также в моделируемом числе колебательных степеней свободы молекулы. Была продемонстрирована сильная зависимость значений макропараметров как от объемной вязкости, так и от колебательного спектра.
Также с целью оптимизации ресурсоемких расчетов, связанных с колебательными степенями свободы CH4, в работе были реализованы различные архитектуры моделей машинного обучения (МО). Первые попытки применить МО (нелинейные регрессии, нейронные сети) к решению задач неравновесной аэромеханики сделаны в работах [2, 3] для расчета скоростей колебательной релаксации. В данной же работе продемонстрировано, что нейросетевой подход дает наилучший выигрыш по времени для расчета коэффициентов переноса (в более, чем 270 раз) и при этом сохраняет высокую точность (относительная процентная ошибка между профилями с приближенными МО и строгими теоретическими расчетами составляет менее 1%).
Рис.1 (слева): система уравнений переноса. Рис.2 (справа): сравнение установившихся профилей температуры в зависимости от учета объемной вязкости и колебательных состояний CH4 при M=3.8,T0 =300 K, p0=100 Па.
-
Нагнибеда Е. А. и Кустова Е. В. Кинетическая теория процессов переноса и релаксации в потоках неравновесных реагирующих газов. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2003.
-
М.А. Бушмакова и Е.В. Кустова. Моделирование скорости колебательной релаксации с помощью методов машинного обучения. Вестник Санкт-Петербургского университета. Математика. Механика. Астрономия, 9(1):113–125, 2022.
-
Gorikhovskii V.I., Kustova E.V. Neural-Network-Based Approach to the Description of Vibrational Kinetics of Carbon Dioxide. Vestnik St.Petersb. Univ.Math. 55:434–442, 2022.
Зарина Маратовна Максудова
Санк-Петербургский государственный университет, ФИЦ ИУ РАН
Необходимость моделирования неравновесных течений возникает в широком круге задач, например, при исследовании входа спускаемого аппарата в атмосферу планеты. Для изучения неравновесных течений применяют различные подходы, но континуальные методы являются оптимальными в вычислительном плане. Поуровневый подход при этом является наиболее подробным среди континуальных и позволяет детально исследовать связанную колебательно-химическую кинетику в высокотемпературных течениях.
В данной работе поуровневый подход используется для моделирования колебательно-химической релаксации за отражёнными ударными волнами в смесях компонентов воздуха и аргона с различными исходными составами. Начальные условия задаются в соответствие с экспериментами, подробное описание постановки задачи и все исходные данные представлены в работах [1, 2].
В работе исследуется влияние обменных реакций Зельдовича и колебательного возбуждения молекул NO на макроскопические параметры течения. Для этого моделирование проводится с использованием различных моделей обменных реакций (см. рис.). Результаты моделирования сравниваются с экспериментом и данными, полученными прямым статистическим моделированием. Было обнаружено, что влияние обменных реакций и колебательного возбуждения молекул NO зависит от наличия NO в начальном составе смеси. Для смесей с исходным содержанием оксида азота влияние обменных реакций оценено как слабое. Отсутствие колебательного возбуждения молекул NO, наоборот, существенно влияет на параметры потока. Таким образом, в условиях высоких температур в смесях, изначально содержащих оксид азота, точная оценка колебательной энергии молекул NO более важна, чем учёт обменных реакций.
Для смеси N2/O2 (воздух), которая изначально не содержит молекул NO, ситуация противоположна. Учёт колебательного возбуждения NO практически не влияет на точность моделирования, при этом обменные реакции существенно влияют на числовые плотности компонентов смеси и, следовательно, на её состав.
1. Kravchenko D., Kunova O., Kustova E., Melnik M. Reflected shock waves in air components and their mixtures: Validation of theoretical models // Acta Astronautica (2024)
2. Kravchenko D., Kunova O., Kustova E., Melnik M. Effect of exchange reactions and no vibrational excitation on shock-heated air component flows // Chemical Physics Letters (2024)
Денис Сергеевич Кравченко
Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова
Теплообмен, возникающий между высокоскоростным газовым потоком и обтекаемыми стенками в нестационарных пограничных слоях вносит значительные изменения в характер обтекания и состояние среды. За последние годы большое распространение в теплофизических задачах изучения характеристик теплообмена приобрел эмпирический метод регистрации температурных полей – инфракрасная термография [1]. В настоящей работе продемонстрирована возможность бесконтактной визуализации тепловых полей на обтекаемых поверхностях в разрывных течениях с использованием инфракрасной термографии. Исследуется эволюция нестационарного нагрева и охлаждения внутренних поверхностей канала ударной трубы (24х48 мм) сверхзвуковым пограничным слоем в зоне препятствия до 50 мс после прохода ударной волны (УВ).
Панорамная тепловизионная визуализация проводилась при помощи высокоскоростной инфракрасной камеры с рабочим диапазоном 1.5 – 5.1 мкм при дифракции плоской УВ и установлении сверхзвукового обтекания на прямоугольном препятствии (6х2х48 мм), вмонтированном на нижней стенке канала рабочей камеры поперек течения. Изменяющаяся скорость течения в канале ударной трубы измерялась трассированием потока на основе теневого метода высокоскоростной камерой с частотой съемки 100 кГц и экспозицией 1 мкс. Время изменения скорости потока в канале по оценке трассерной визуализации 30 – 40 мс.
Изменение температуры газа на фронте УВ и в сверхзвуковом потоке за ней приводит к соответствующему изменению во времени тепловых потоков на обтекаемых поверхностях [2]. В наветренной области у кромки препятствия последовательные изменения конфигурации течения и состояния пограничных слоев реализуют набор тепловых полей на стенках канала, отвечающих взаимодействию нестационарного течения с препятствием и эволюции приповерхностного спутного потока на них. Таким образом, тепловизором за время интеграции камеры регистрируется изменение тепловых потоков на поверхностях канала – в приповерхностном пограничном слое (Рис. 1).
Интенсивные области инфракрасного излучения на первом кадре (после дифракции УВ, M = 2.6), отражают нагрев поверхностей канала за счет энергообмена с формирующейся зоной двойного ударного сжатия перед препятствием в спутном потоке (Рис. 1 левый). Затухание потока с приходом в область рабочей камеры холодного газа (контактной поверхности, 400 – 600 мкс от прохода УВ) существенно снижает температуру потока с соответствующим охлаждением поверхностей стенок канала. Визуализируются области остаточного нагрева у наветренной стенки препятствия, где ввиду наличия зоны отрыва минимален унос тепла. После τ ≈ 10 мс регистрируется снижение интенсивности теплового излучения от ранее нагретых участков до уровня фона. В дальнейшем наветренная сторона препятствия продолжает охлаждаться вплоть до времени τ ≈ 25 мс (Рис. 1 правый), с последующим медленным восстановлением на временах τ ≈ 50 мс.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 23-19-0096.
[1] Carlomagno G.M., Cardone G. Infrared thermography for convective heat transfer measurements // Exp. Fluids. 2010. V. 49. № 6. P. 1187-1218.
[2] Знаменская И.А., Муратов М.И., Карнозова Е.А., Луцкий А.Е. Визуализация тепловых потоков в высокоскоростном течении за ударной волной // Научная Визуализация. 2023. Т. 15. № 3. С. 92-100.
Мурат Ильмдарович Муратов
