НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва
Рис. Формы поверхности капли МЖ на линейном проводнике с током для кривых намагничивания, полученных разными методами: измерения искажения поля (синяя линия) и вибрационным (красная линия). Здесь зафиксированы следующие параметры задачи: σ = 10 дин/см, θ = 10°, I = 30 А, r0 = 0,13 см, V = 1 мл.
Магнитные жидкости (МЖ) – это коллоидные растворы мелких (диаметром около 10 нм) ферромагнитных однодоменных частиц, покрытых слоем поверхностно-активного вещества (ПАВ), в некоторой жидкости-носителе. Частицы находятся в броуновском движении. Адсорбированный на поверхности слой ПАВ препятствует взаимной агломерации частиц благодаря стерическим силам отталкивания. Стабилизация частиц также может осуществляться за счет электростатического отталкивания ионов без использования ПАВ. В качестве жидкости-носителя используются различного типа углеводороды, вода и другие жидкости. Современные МЖ стабильны по своим свойствам, устойчивы к расслоению и соединяют в себе текучесть жидкости и способность к намагничиванию. Намагниченность насыщения МЖ может достигать 100 Гс, а магнитная восприимчивость – нескольких десятков единиц, что на порядки превышает значения этих параметров для обычных парамагнитных жидкостей.
Основное свойство МЖ – намагничиваться в приложенном магнитном поле. Зависимость равновесной намагниченности от величины магнитного поля, так называемая кривая намагничивания, является одной из важнейших характеристик МЖ. В зависимости от метода измерения значения намагниченности МЖ могут значительно отличаться.
В связи с этим, в данной работе исследовано влияние кривой намагничивания МЖ на ее форму поверхности. Для этого выбрана задача о равновесии осесимметричной капли тяжелой, несжимаемой, однородной, изотермической МЖ конечного объема на линейном проводнике с током [1]. Во-первых, в случае гидроневесомости существует аналитическое решение, описывающее форму поверхности капли. Во-вторых, неоднородное магнитное поле линейного проводника с током является касательным к поверхности МЖ, поэтому МЖ его не искажает.
В расчетах берутся параметры МЖ на силиконовом масле с магнетитовыми частицами, покрытыми олеиновой кислотой, для которой кривые намагничивания были получены разными методами: баллистическим, силовым, вибрационным, дифференциальной прогонки и измерения искажения поля. При разных значениях параметров задачи (коэффициента межфазного натяжения σ, угла смачивания θ, тока в проводнике I, радиуса проводника r0 и объема капли V) показано, как кривая намагничивания влияет на форму поверхности МЖ.
1. Vinogradova A.S., Naletova V.A., Turkov V.A., Reks A.G. Hysteresis of the shape of a finite magnetic fluid volume in axisymmetric magnetic fields // Magnetohydrodynamics. 2013. Vol. 49. № 1-2. P. 119-126.
Александра Сергеевна Виноградова
Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь ; Пермский государственный национальный исследовательский университет, Пермь
Современные системы изоляции полигонов твердых коммунальных отходов представляют собой сложные многослойные конструкции, включающие компоненты, эффективность которых существенно снижается при возникновении механических повреждений различного генезиса. Многочисленные исследования последних десятилетий демонстрируют, что параметры этих дефектов, в частности их геометрические характеристики и пространственное распределение, оказывают определяющее влияние на характер миграции фильтрационных вод. Экспериментальные данные, полученные в контролируемых лабораторных и полевых условиях, свидетельствуют о существенно нелинейной зависимости между размерами повреждений и интенсивностью фильтрационного потока, что требует разработки специализированных математических моделей [1].
Для оценки скорости распространения фильтрационных вод в рамках настоящего исследования осуществлено численное моделирование распространения фильтрата из недренированного понижения полигона в нижележащий водоносный горизонт при наличии дефекта изолирующего слоя. Дефекты представлены разрывами в слое суглинка, вытянутыми в горизонтальном направлении. Длина разрывов составляет около десяти метров, а их ширина варьируется. Область разрыва полностью замещена техногенным слоем. Результаты моделирования показали, что на начальном этапе фильтрат распространяется за счёт диффузии. Затем, вследствие развития неустойчивости Рэлея — Тейлора, возникает конвективный поток в виде вихревых структур, которые обеспечивают поступление более чистой воды к границе слоёв основания и существенно увеличивают скорость проникновения фильтрата в глубину. Формируются «пальцы концентрации», чей пространственный размер со временем возрастает и при достижении нижней границы системы становится сопоставимым с толщиной нижнего слоя. В слое образования фильтрата быстро развивается интенсивная концентрационная конвекция, а также наблюдается проникновение конвективного потока в нижележащие слои основания полигона ТКО. В результате развитие неустойчивости Рэлея — Тейлора значительно ускоряется. Скорость распространения фильтрата за счёт конвекции резко возрастает и приводит к линейному усреднению концентрации.
Руслан Игоревич Катаев
Лаборатория электро- и гидродинамики микро- и наномасштабов, Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации
Исследование механизмов концентрирования может иметь решающее значение для разработки новых медицинских диагностических систем и устройств типа «лаборатория-на-чипе» благодаря возможности преконцентрирования биомолекул, таких как белки и ДНК, что позволяет выявлять заболевания на ранних стадиях и минимизировать количество ложноотрицательных тестов без увеличения требуемого количества образца. Примером такого механизма является недавно набравший популярность [1, 2] механизм суперконцентрации. Эффект возникает в растворе электролита около ионоселективных поверхностей и характеризуется многократным увеличением исходно малой концентрации аналита.
Для исследования явления концентрации в тернарных электролитах наша команда разработала ячейку, в которой используется ионоселективная сферическая частица в сферической камере с потоком, задаваемым как разностью давлений, так и разностью потенциалов [3]. Наше устройство основано на сферической геометрии, где тангенциальные потоки, обычно отсутствующие вблизи плоских мембран, могут создать область преконцентрирования и вызвать явление концентрации. Для моделирования и количественной оценки тернарного электролита с биомолекулами в качестве третьего сорта в эксперименте были использованы флуоресцентные красители. Были проведены численные исследования и эксперименты, близко имитирующие математическую модель, и сравнены их результаты.
Проведено сравнение результатов численного моделирования и экспериментального исследования поведения аналита, при этом наблюдается видимое качественное сходство. Количественное сравнение концентрации показывает, что численное моделирование близко к эксперименту.
Работа выполнена при поддержке РНФ, грант № 22-79-10085.
1. Wang S.-C., Lai Y.-W., Ben Y. & Chang H.-C. Microfluidic Mixing by dc and ac Nonlinear Electrokinetic Vortex Flows // Ind Eng Chem Res. 2004. 43, 2902–2911.
2. Wang, S.-C. et al. Dynamic superconcentration at critical-point double-layer gates of conducting nanoporous granules due to asymmetric tangential fluxes. Biomicrofluidics 2, 14102 (2008).
3.Ganchenko G.S., Alekseev M.S., Moroz I.A., Mareev S.A., Shelistov V.S., Demekhin E.A. Electrokinetic and electroconvective effects in ternary electrolyte near ion-selective microsphere // Membranes 13, 503 (2023). https://doi.org/10.3390/membranes13050503
Максим Сергеевич Алексеев
НИИ механики МГУ
Исследованы двухфазные и трехфазные течения в пористых средах с целью прогнозирования эффективности и управления процессами при водогазовом воздействии на нефтяные пласты. Эффективность водогазового воздействия может снижаться из-за анизотропного распределения проницаемости пласта, гравитационного расслоения фаз и фазовых переходов углеводородных компонент между нефтью и газом. Предложены критерии подобия и определены четыре предельных режима вытеснения одной несжимаемой жидкости другой также несжимаемой жидкостью в анизотропных пластах с учетом гравитационных и капиллярных эффектов [1,2]. В одномерной постановке задачи определены оптимальные стратегии закачки воды и газа при различных темпах нагнетания и параметрах пласта [3]. Предложен способ масштабирования оптимальных объемов закачки, полученных в одномерном моделировании фильтрации, с целью их применения к двумерным процессам вытеснения в анизотропных пластах.
1. Chernova A., Afanasyev A. Recovery and Sweep Efficiency in a Cross – Sectional Problem of Immiscible Displacement with Gravity Override and Capillary Imbibition // Transport in Porous Media. — 2024. — V. 151 (12). — P. 2431—2453.
2. Чернова А. А., Афанасьев А. А. Режимы вытеснения жидкости из анизотропного пласта в поле силы тяжести // Изв. РАН МЖГ. — 2023. — Т. 6. — С. 95—109.
3. Afanasyev A., Andreeva A., Chernova A. Influence of oil field production life on optimal CO2 flooding strategies: Insight from the microscopic displacement efficiency // Journal of Petroleum Science and Engineering. — 2021. — V. 205. — 108803.
Анна Александровна Чернова
НИИ механики МГУ
При расширении сжатого газа его термодинамическая температура снижается за счет перехода внутренней энергии газа в кинетическую энергию потока. Возникает вопрос: возможно ли создать в потоке такие условия, при которых температура обтекаемой стенки была бы близка к минимальной температуре в системе – термодинамической температуре потока. Решение данной задачи возможно через использование свойств газокапельных потоков с малой массовой концентрацией (до 1%) жидкой фазы. В таком случае жидкая фаза практически не влияет на свойства несущего потока, при этом капли могут охлаждаться до термодинамической температуры потока [1]. Организовав выпадение охлажденных капель на стенку, возможно добиться снижения температуры поверхности.
В данной работе проводится экспериментального исследование течения воздушно-капельного потока в плоском сверхзвуковом сопле аэродинамической установки. Капли подавались в поток с помощью форсунок, установленных в форкамере. Рабочая часть аэродинамической установки имеет прямоугольное поперечное сечение с размерами 70х98 мм. Число Маха на срезе сопла изменялось за счет механизма поджатия критического сечения сопла, начальная концентрация дисперсной (жидкой) фазы в потоке и начальное распределение размеров капель варьировались изменением перепада давления на форсунке.
Для определения размера капель использовался панорамный теневой лазерный метод SSP (shadow photography) [2, 3], включающий в себя: систему освещения потока на основе двойного импульсного лазера, светорассеивающий экран для создания фоновой подсветки, цифровую ПЗС-камеру, объектив-микроскоп и синхронизирующий процессор.
Работа выполняется в рамках госбюджетной темы АААА-А19-119012990115-5 НИИ механики МГУ.
1.Попович С.С., Виноградов Ю.А., Здитовец А.Г. Экспериментальное исследование термогазодинамики течения воздушно-капельного потока в плоском сверхзвуковом сопле // XIII Всероссийский Съезд по теоретической и прикладной механике: Сборник тезисов докладов. СпБПУ, 2023. С. 1051-1052.
2.Gobyzov O., Lozhkin Y., Ryabov M., Markovich D. Experimental study of submillimeter droplets dynamics and breakup in continuous supersonic flow terminated by shock wave // EPJ Web of Conferences. 2016. V. 114. N. 02031.
3.Попович С.С., Здитовец А.Г., Киселев Н.А., Виноградов Ю.А. Экспериментальное исследование дисперсности распыла капель воды форсункой // Современные проблемы теплофизики и энергетики: Материалы IV международной конференции, М.: МЭИ (НИУ), 2024. С. 111-112.
Сергей Станиславович Попович
АО ГНЦ "Центр Келдыша"
При проектировании заборных устройств баков летательных аппаратов различного назначения возникает проблема сепарации газовых включений из потока топлива, поступающего в магистрали двигательной установки [1]. Для реализации данной задачи широко применяются системы на основе пористых сетчатых материалов (ПСМ). Данные материалы обладают способностью задерживать газовые пузыри за счет капиллярных эффектов, которые реализуются в силу наличия в ПСМ пор малого, порядка десятков микрон, размера [2]. В большинстве известных приложений фильтроэлементы из ПСМ жестко размещаются в каналах и трактах баковых систем. Однако, в последнее время отечественными исследователями предложены варианты конструкции заборных устройств, обладающие способностью деформироваться под действием гидродинамических сил и собственной жесткости [3]. Подобный тип систем отбора топлива, называемый адаптивными капиллярными модулями (АКМ), может быть перспективен в качестве более эффективной с точки зрения незабираемых остатков топлива альтернативы традиционным устройствам в случае наличия переменных по амплитуде и направлению перегрузок.
На этапе исследования и предварительного проектирования АКМ применительно к различным приложениям целесообразно использовать методы математического моделирования. Одним из наиболее распространенных и доступных в различных коммерческих и открытых CFD кодах подходов является метод VOF. В рамках данного подхода при описании течений в капиллярных устройствах возникает проблема существенной разности пространственных масштабов задачи, лимитируемых, с одной стороны, макроскопическими размерами бака, имеющими порядок величины 1-10 м, а с другой, микроскопическими размерами пор ПСМ, имеющими порядок величины 10 мкм. Также при моделировании течений в подобных устройствах нужно учитывать гидравлическое сопротивление ПСМ [4], которое во многом может определять процессы формирования разряжения давления внутри АКМ и ускорять прорыв газовой фазы через проницаемые элементы конструкции. В представленном докладе была валидирована разработанная совместно с РФЯЦ ВНИИЭФ методика учета гидросопротивления и капиллярных эффектов в виде специальных граничных условий (Рис.). Данный подход реализован в ПП «Логос-Аэрогидро» [5], и используется в дальнейших исследовательских работах по моделированию процессов в заборных устройствах на основе ПСМ
1. Багров В.В., Курпатенков А.В., Поляев В.М., Синцов А.Л., Сухоставец В.Ф. Капиллярные системы отбора жидкости из баков космических летательных аппаратов. Москва, Энергомаш, 1997. 328 с.
2. Shukla, P., Dreyer, M. Phase Separation through Screen Channel Liquid Acquisition Devices in Microgravity. Microgravity Sci. Technol. 2024, vol. 36, pp. 1-24.
3. Ivanov M.Yu., Resh G.F. Theoretical Justification of Experimental Investigation of Gravity-Capillary Method for Gas-Liquid Mixtures Intake. Journal of Physics: Conference Series, 2019, vol. 1391, no. 012079. DOI: 10.1088/1742-6596/1391/1/012079.
4.Fischer A., Gerstmann J. Flow Resistance of Metallic Screens in Liquid, Gaseous and Cryogenic Flow. 5th European Conference for Aeronautics and Space Sciences (EUCASS), München, 1–5 July 2013, pp. 1–12
5.В. Лашкин, А.С. Козелков, Д.П. Мелешкина, А.В. Ялозо, Н.В. Тарасова. Моделирование течений вязкой несжимаемой жидкости разделенным и совмещенным алгоритмом типа SIMPLE // Математическое моделирование. 2016. Т. 28. № 6. С. 64-76
Анатолий Олегович Городнов
НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова
Разделение газовой смеси на компоненты является важной технологической задачей во многих отраслях производства. Эффективные технологии газоразделения востребованы при очистке и обработке попутного нефтяного газа, получении азота, кислорода и благородных газов из воздуха, очистке воздуха от углекислого газа, разделении сероводородных смесей, разделении изотопов.
В настоящее время для решения этих задач применяются самые различные методы, многие из которых зачастую являются крайне ресурсозатратными, и поэтому постоянно ведется поиск новых, более дешевых и эффективных технологий.
В последние десятилетия с развитием микротехнологий, а также мембранных технологий появилась практическая возможность разделения газовых смесей за счет новых эффектов, реализующихся при течениях с конечными числами Кнудсена. В докладе рассматривается ряд новых постановок о течении газовых смесей в микроустройствах с подвижными элементами. Представленные постановки изучаются численно с использованием метода прямого статистического моделирования Монте-Карло (ПСМ), и условно разбиваются на две группы: (1) устройства с элементами, совершающими гармоническое движение – осциллирующее или волновое [1,2], а также (2) устройства с элементами, совершающими вращательное движение – аналоги различных конфигураций молекулярных насосов [3,4].
Василий Викторович Косьянчук
НИИ механики МГУ
Рис. Профили температуры торможения в пограничных слоях на непроницаемой стенке со стороны сверхзвукового (y/d T > 0) и дозвукового (y/d T < 0) потоков: 1-3 – Pr = 0.2, 0.7, 2
В настоящее время известно множество примеров температурной стратификации в газовых потоках. Основное направление использования данного явления – получение разности температур в устройствах, предназначенных для безмашинного энергоразделения. Газодинамический метод стратификации температуры газовых потоков, основанный на зависимости коэффициента восстановления от числа Прандтля, был предложен А.И. Леонтьевым в 1996 году. Были проведены аналитические и численные исследования, предложены различные схемы использования устройства температурной стратификации газа, которые продемонстрировали перспективность данного направления.
Данная работа является продолжением обзорной статьи [1], в которой была описана методика численного исследования задач внешнего обтекания непроницаемых и проницаемых поверхностей сжимаемыми газовыми потоками и приведены основные уравнения RANS-модели турбулентности [2]. Целью данной работы является краткий обзор численных исследований тепломассообмена и газодинамики в пограничных слоях на проницаемой и непроницаемой поверхностях в сверх- и дозвуковых потоках и температурной стратификации в газовых потоках.
Численное исследование энергоразделения в пограничном слое на непроницаемой и проницаемой пластине при вдуве (отсосе) газа в диапазоне чисел Прандтля Pr = 0.05–5 показало, что с уменьшением числа Pr стратификация возрастает. Вдув газа в сверхзвуковой поток уменьшает стратификацию по сравнению с непроницаемой пластиной, а отсос – увеличивает ее.
Исследовано влияние чисел Прандтля и Маха набегающего потока на величину температурной стратификации. Наиболее сильно стратификация проявляется для газов с малыми значениями числа Прандтля. Установлено, что при интенсивном отсосе газа в пограничном слое на участке непроницаемой пластины, следующем за проницаемой стенкой, температура стенки резко падает. Подтверждено значительное снижение температуры стенки при вдуве гелия в ксенон (с переменным Pr) по сравнению с однородным вдувом газа, особенно в ламинарном пограничном слое.
1. Лущик В.Г., Макарова М.С., Якубенко А.Е. Применение трехпараметрической модели сдвиговой турбулентности для решения задач внешнего обтекания проницаемых поверхностей потоком сжимаемого газа // Программная инженерия. 2017. Т. 8. № 12. С. 563-574.
2. Лущик В.Г., Павельев А.А., Якубенко А.Е. Трехпараметрическая модель сдвиговой турбулентности // Изв. АН СССР. МЖГ, 1978. №3. С. 13-25.
Анна Михайловна Чайка
Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского (Жуковский), Московский физико-технический институт (НИУ) (Долгопрудный)
Снижение сопротивления трения является одним из способов экономии топлива на авиалайнерах. Интегральный вклад сопротивления трения определяется положением начала ламинарно-турбулентного перехода (ЛТП): чем дальше начало ЛТП от передней кромки тела, тем меньше вклад в общее сопротивление. Оценки показывают, что ламинаризация обтекания крыла может дать до 25% снижения полного сопротивления [1]. Одним из эффективных способов ламинаризации пограничных слоев (ПС) является отрицательный массообмен.
В данной работе представляются результаты исследования работоспособности системы отрицательного массообмена, показанной на рис. 1. Предполагается, что система устанавливается на прямое адиабатически прогретое крыло, с острой передней кромкой и параболическим профилем, толщиной 5%. Система отрицательного массообмена представляет собой тонкий канал, который сообщается с внешним течением через верхнюю проницаемую стенку и открытый конец вблизи хвостовой части крыла (рис. 1б). Массообмен через пористую стенку реализуют пассивным образом: за счёт перепада давления на поверхности крыла и в его хвостовой части газ из ПС проникает в канал системы и движется там по направлению к выходному правому концу канала (Рис. 1а).
а
б
Рис. 1. Система отрицательного массообмена (ОМ) на верхней части профиля: распределение давление над параболическим профилем (а), схема системы и её габариты (б).
Для проведения инженерных оценок была разработана квазиодномерная модель течения в канале предложенного покрытия [2], модель была верифицирована путём решения двумерных полных уравнений Навье-Стокса с использованием пакета программ [3] и использовалась для проведения параметрических исследований. С помощью линейной теории устойчивости было показано, что когда отношение высоты канала 
к высоте проницаемой стенки 
равняется 10, то можно ожидать уменьшение роста амплитуды возмущений примерно на порядок по сравнению с обтеканием профиля без предложенной системы отрицательного массообмена.
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект №23-79-10072).
-
Устинов М.В. Ламинарно-турбулентный переход в пограничном слое. Ч.2. / М.В. Устинов // Учёные записки ЦАГИ, Т. 45. — 2014. — №6. — c.3-27.
-
Bernachuk A.V., Chuvakhov P.V., Fedorov A.V. Flow in a pipe with gas inflow // 22-st International Conference on the Methods of Aerophysical Research (ICMAR 2024). SB RAS, Novosibirsk, 2024. — p.29-30.
-
Новиков, А.В. Численное моделирование устойчивости и ламинарно-турбулентного перехода в гиперзвуковом пограничном слое: дис. ... д-р физ.-мат. наук: 01.02.05 : защищена ... : утв. .... / Новиков Андрей Валерьевич. — Жуковский, 2017. – 229 с.
Анастасия Владимировна Берначук
НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова
Одним из способов борьбы с глобальным потеплением является утилизация и подземное хранение углекислого газа (технология CCUS). Закачка газа в нефтенасыщенные пласты и водоносные горизонты часто сопровождается постепенным возрастанием расхода со временем при фиксированном забойном давлении. Этот связано с закачкой менее вязкого газа в геологические пласты, заполненные более вязкой жидкостью. Помимо описанного эффекта возможны, например, неравномерное истечение закачиваемой жидкости из скважины, гравитационное расслоение фаз и другие эффекты, влияющие на форму газового шлейфа. Для описания этих процессов и оценки эффективности хранения углекислого газа в пластах используются критерии подобия.
В настоящей работе исследовано нестационарное течение газа от вертикальной скважины в водонасыщенный пласт в рамках осесимметричной постановки. Показано, что скин-фактор – безразмерное изменение гидравлического давления на скважине – можно представить как произведение двух множителей: первый характеризует логарифмическую зависимость от времени, второй – от формы газового плюма. С помощью численного моделирования построены диаграммы параметра формы D (второй множитель) и скин-фактора σ (см. Рис.) в зависимости от критериев подобия. Показано, что приемистость газовой скважины растет со временем для всего диапазона рассмотренных параметров, в том числе, когда скин-фактор и параметр формы положительны, т. е. закачка воды с тем же расходом требовала бы меньшего перепада давления на скважине.
Максимальные значения приемистости газовой скважины достигаются при больших значениях критерия Gr, т.е. при высоких темпах закачки. Показано, что в этом предельном случае работает простая аналитическая оценка. В общем случае при заданных параметрах подобия для конкретного геологического пласта для быстрой оценки приемистости скважины, параметра формы и скин-фактора можно применить численно полученные диаграммы.
1. Сыпченко И.М., Афанасьев А.А. Приемистость скважины при вытеснении жидкости из пласта в осесимметричной постановке // Журнал выч.мех. и мат.физ. 2025. В печати.
Ирина Михайловна Сыпченко
АО ГНЦ "ЦЕНТР КЕЛДЫША", Московский физико-технический институт (НИУ)
Наддув топливного бака необходим для повышения или поддержания давления на заданном уровне во время отбора топлива. Эффективность наддува зависит от температуры газа, чем выше температура, тем меньше потребная масса газа наддува. Однако эффективность «горячего» наддува снижается из-за наличия теплообмена между газовой подушкой и жидкостью. Расчет теплового потока из газовой фазы в жидкость является сложной многопараметрической задачей, особенно для криогенных топливных баков [1].
В данной работе рассматривается асимптотический режим теплообмена [2] на межфазной границе, названный «режим предельного теплообмена», в котором тепловой поток из газовой фазы в жидкость считается предельно возможным. Предложена физико-математическая модель для описания основных интегральных характеристик процесса наддува в этом режиме. Получено уравнение теплового баланса на межфазной поверхности, записанное в безразмерной форме. Показано, что, с точки зрения эффективности системы наддува, режим предельного теплообмена является наиболее неблагоприятным.
Отдельное внимание уделяется решению задачи преднаддува криогенного топливного бака в режиме предельного теплообмена. Преднаддув выполняется на этапе предстартовой подготовки путем вдува бустерного газа без отбора топлива. Пренебрегая теплоемкостью стенки, было получено решение безразмерной задачи, которое зависит только от критериев подобия, характеризующих теплофизические свойства вещества, находящегося в баке, и безразмерной температуры газа наддува.
Используя полученное решение к задаче о преднаддуве водородного бака, была получена зависимость давления в баке от времени.
Сравнение с экспериментом [3] показало хорошее совпадения на начальных этапах, расхождение между расчетом по предложенной модели и экспериментом не превышает 10%. Однако примерно с 60 секунды предложенная модель существенно завышает создаваемый наддувом прирост давления. Одной из основных причин расхождения может быть неучет теплообмена со стенкой бака и конструкции диффузора в рамках предложенных соотношений.
1.Федоров В.И. Исследование тепломассообмена в баках кислородно-углеводородных и кислородно-водородных ракет-носителей во время работы двигательной установки. // Известия РАН. Энергетика. 2012. № 2. С. 43-53.
2. Петрова С.В., Городнов А.О., Черкасов С.Г.Обратные задачи тепломасопереноса при наддуве криогенных баков. // Материалы IV международной конференции современные проблемы теплофизики и энергетики. 2024, С. 214-215
3. Stewart M.E. Pressurization of a flightweight, liquid hydrogen tank: evaporation & condensation of a liquid vapor interface // AIAA Propulsion and Energy Forum. 2017, Atlanta.
Светлана Владимировна Петрова
НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва
Рис. Сравнение результатов измерения намагниченности МЖ разными методами: вибрационным (зеленые точки), силовым (красные точки) и измерения искажения поля (серые точки), линия – аппроксимация функцией Ланжевена данных, полученных методом измерения искажения поля.
Магнитные жидкости (МЖ) – это коллоидные растворы мелких (диаметром около 10 нм) ферромагнитных однодоменных частиц, покрытых слоем поверхностно-активного вещества (ПАВ), в некоторой жидкости-носителе. Частицы находятся в броуновском движении. Адсорбированный на поверхности слой ПАВ препятствует взаимной агломерации частиц благодаря стерическим силам отталкивания. Стабилизация частиц также может осуществляться за счет электростатического отталкивания ионов без использования ПАВ. В качестве жидкости-носителя используются различного типа углеводороды, вода и другие жидкости. Современные МЖ стабильны по своим свойствам, устойчивы к расслоению и соединяют в себе текучесть жидкости и способность к намагничиванию. Намагниченность насыщения МЖ может достигать 100 Гс, а магнитная восприимчивость – нескольких десятков единиц, что на порядки превышает значения этих параметров для обычных парамагнитных жидкостей.
Основное свойство МЖ – намагничиваться в приложенном магнитном поле. Зависимость равновесной намагниченности от величины магнитного поля, так называемая кривая намагничивания, является одной из важнейших характеристик МЖ. Обычно для измерения намагниченности используют классические методы: баллистический, динамометрический (силовой) или индукционный, в том числе вибрационный. Однако, все эти методы хорошо зарекомендовали себя для измерения намагниченности твердых и порошкообразных образцов, но их использование с жидкими образцами более ограничено и может приводить к серьезным методическим ошибкам.
В связи с этим, в данной работе было проведено сравнение результатов измерения намагниченности МЖ разными методами: баллистическим, силовым, вибрационным, дифференциальной прогонки и измерения искажения поля. Предложены гипотезы, объясняющие наблюдаемые различия. Проведен расчет форм поверхности капли МЖ на линейном проводнике с током [1] с учетом полученных кривых намагничивания.
Автор благодарен С.В. Семенову (ЦКП Красноярского научного центра СО РАН), А.В. Лебедеву (ИМСС УрО РАН, Пермь), А.Г. Рексу (БНТУ, Минск) и О.А. Шаровой, Д.А. Пелевиной (НИИ механики МГУ) за помощь в измерениях.
1. Vinogradova A.S., Naletova V.A., Turkov V.A., Reks A.G. Hysteresis of the shape of a finite magnetic fluid volume in axisymmetric magnetic fields // Magnetohydrodynamics. 2013. Vol. 49. № 1-2. P. 119-126.
Александра Сергеевна Виноградова
НИИ механики МГУ
В области сверхзвуковых внутренних течений в каналах актуальным представляется учёт при определении теплового потока и коэффициента теплоотдачи локальных изменений определяющей температуры – адиабатной температуры стенки. Как показано в ряде работ, погрешность в определении коэффициента теплоотдачи, рассчитанного без учета локальных изменений равновесной температуры стенки, может составлять до 50% [1-3]. При исследовании высокоскоростного аэродинамического нагрева дальнейшее повышение точности определения закономерностей теплоотдачи при обтекании сверхзвуковым потоком поверхностей сложной формы требует тщательного исследования локальных значений адиабатной температуры стенки.
Доклад посвящен исследованию динамических (распределение статического давления на стенке, поле скорости) и тепловых (адиабатная температура стенки, коэффициенты восстановления температуры и теплоотдачи) параметров в потоке сжимаемого газа при обтекании плоской стенки и наличии/отсутствии выступа на поверхности. Исследования проводились на аэродинамической установке АР-2 периодического действия. Тепловой поток в стенку определялся аналитическим методом: решением обратной задачи теплопроводности по измеренному темпу охлаждения стенки и теплофизическим свойствам материала модели. Для определения локальной скорости течения потока использовался PIV-метод.
Работа выполняется при поддержке гранта РНФ №23-19-00096.
1. Леонтьев А.И., Попович С.С., Лущик В.Г., Макарова М.С. Коэффициент восстановления температуры в сжимаемом турбулентном пограничном слое // ТВТ. 2022. Т. 60, №3. С. 455-480.
2. Popovich S.S., Zditovets A.G., Kiselev N.A., Vinogradov U.A. Experimental study of aerodynamic heating in the region of an incident shock wave boundary layer interaction // Acta Astronautica. 2025. V. 229. P. 804–813.
3. Popovich S.S. Aerodynamic cooling of the wall in the trace of a supersonic flow behind a backward-facing ledge // Fluid Dynamics. 2022. V. 57. N. 1. P. 57–64.
Сергей Станиславович Попович
НИИ механики МГУ
Целью настоящей работы является численное моделирование турбулентного пограничного слоя на теплоизолированной проницаемой пластине в сверхзвуковом потоке с переменным по длине числом Маха, генерирующим положительный градиент давления, который характеризуется параметром градиента давления β=(δ*·dp/dx)/τw, где δ* - толщина вытеснения, p - статическое давление, x – координата в направлении потока, τw - напряжение сдвига на стенке. Этот параметр, предложенный Клаузером, является наиболее часто обсуждаемым в литературе параметром градиента давления [1].
Проведено численное исследование турбулентного пограничного слоя на теплоизолированной и нетеплоизолированной проницаемой стенке в сверхзвуковом потоке с положительным градиентом давления с использованием трехпараметрической дифференциальной RANS-модели турбулентности [2] для ряда значений интенсивности вдува (отсоса). Для теплоизолированной стенки получено обобщение относительной величины коэффициента трения Cf/Cf0 по параметру градиента давления β.
Установлено, что положительный градиент давления существенно влияет на профили скорости в основной части пограничного слоя и слабее в пристеночной части. Профили интенсивности турбулентности свидетельствуют о существенной турбулизации пограничного слоя со вдувом и ламинаризации при отсосе в потоке с положительным градиентом давления. Показано, что положительный градиент давления существенно влияет на температуру теплоизолированной проницаемой стенки по сравнению с температурой теплоизолированной непроницаемой стенки. При этом коэффициент восстановления температуры r слабо зависит от параметра проницаемости bm=±3 (рис. 1).
Анна Михайловна Чайка
НИИ механики МГУ
В литературе 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 плохо 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 же время в передней части температура близка к температуре торможения [2]. Данный результат был подтвержден в ряде последующих работ, а также интенсифицирован за счет взаимного влияния пары круговых цилиндров [3].
В данной работе представлены результаты исследования методом инфракрасной термографии и визуализации методом PIV поперечного обтекания цилиндра дозвуковым потоком воздуха. Экспериментальное исследование проводится на базе аэродинамической установки АР-2 на стационарном режиме при числах Маха набегающего потока до 0.7, давлении торможения до 150 кПа, температуры торможения до 20⁰С.
Работа выполняется при поддержке гранта РНФ №24-79-10035.
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.Zditovets A.G., Kiselev N.A., Popovich S.S., Vinogradov Y.A. Experimental investigation of the Eckert-Weise effect (aerodynamic cooling) of pair side-by-side circular cylinders in a compressible cross-flow // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2024. Vol. 233.
Сергей Станиславович Попович
