Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа

Представлены результаты экспериментальных исследований эффективности применения прямоточного волнового движителя и движителя типа подводный парус на моделях полупогружного судна-катамарана с малой площадью сечения по ватерлинии. Для движителя типа подводный парус наблюдаются качественно те же эффекты, что и для изученного ранее качающегося крыла — наибольшая эффективность наблюдается при положении движителя вблизи свободной поверхности, с погружением движителя его эффективность быстро падает. При погружении корпусов судна эффективность движителя меняется незначительно, рабочие же частоты значительно уменьшаются по сравнению с плавающими корпусами. Причем рабочие частоты меняются пропорционально масштабу модели судна. Были проведены всесторонние исследования эффективности прямоточного волнового движителя, в качестве рабочего элемента которого использовалась наклонная пластина, закрепленная на корпусах полупогружного судна. Указаны оптимальные параметры движителя, при которых он эффективно работает на волнах максимальной крутизны (штормовых волнах). Эксперименты показали, что эффективность волновых движителей типа качающееся крыло или подводный парус в их рабочем диапазоне частот несколько выше, чем у прямоточного. Однако, в случае штормовых условий плавания, прямоточный движитель имеет преимущество, так как именно здесь показывает наивысшую эффективность, а остальные рассмотренные варианты эффективны в диапазоне длин волн, зависящим от длины судна и, вообще говоря, не совпадающим с длиной штормовых волн.

Представлены результаты экспериментальных исследований стационарного закрученного течения в области разветвления каналов, имитирующей проксимальный анастомоз конец-в-бок бедренной артерии человека. Эксперименты выполнялись при числе Рейнольдса, равном 1460, что соответствует интервалу физиологических значений при оценке по максимальному расходу крови в артерии за период сердечных сокращений. Поддерживалось равное соотношение расходов по обоим ответвлениям. Степень закрутки потока на входе в область разветвления составляла 0.125. Выполнялась визуализация течения и измерения мгновенных векторных полей скорости потока каждого ответвления с использованием техники SIV. Выявлены основные закономерности влияния закрутки на вихревую структуру течения в основной артерии ниже области разветвления и в шунте. Рассматривается возможность использования закрутки потока для создания более благоприятных гемодинамических условий в области анастомоза. Особое внимание уделяется появлению признаков локальной турбулизации потока при наличии и отсутствии закрутки.

Радиусы отверстия капиллярного канала и истекающей из него струи в общем случае различны. Трение жидкости о стенки канала приводит к параболическому распределению скорости, в то время как малые касательные напряжения на границе свободной струи обусловливают выравнивание скоростного профиля. Диссипативные эффекты влияют как на длину участка установления профиля скорости, так и ее осредненное по радиусу значение, а также установившийся радиус струи. Ранее соответствующая задача теоретически решалась в осесимметричном приближении. Однако при малых значениях числа Рейнольдса условие симметрии не выполняется из-за возникновения участка изгибного течения. Помимо этого, в струях, истекающих с малой скоростью, возникают явления глобальной и граничной неустойчивости капиллярного течения. Совокупность нелинейных взаимосогласованных эффектов приводит к несимметричной относительно оси деформации профиля скорости на участке установления и неоднозначности зависимости радиуса струи от числа Рейнольдса. В работе впервые представлены результаты экспериментального изучения зависимости установившегося радиуса высоковязких струй от скорости при возникновении участка изгибного течения.

Исследуются удары капель воды и полимерных растворов по тонкой пластине с одиночным круглым отверстием. Диаметры капель перед ударом d_i совпадают с диаметрами отверстий d_t. Их значения равны 3 мм. Капли падали с высоты 5, 10 и 20 мм и достигали скорости перед ударом 0.31, 0.44 и 0.63 м/с. Капли пролетали через отверстие, слегка касаясь его краев. Методами высокоскоростной фотографии зафиксированы различные стадии столкновения капли с препятствием. Обнаружено, что при изученных параметрах удара наблюдается значительное замедление струи отверстием, вплоть до полной остановки полета капли. Обсуждаются механизмы наблюдаемых явлений и влияние различных факторов.

Численно и экспериментально изучается мгновенная и осредненная структура недорасширенной сверхзвуковой струи. Экспериментальные фотографии с различной выдержкой и измерения давления Пито сравниваются с результатами численного моделирования, выполненного с помощью неявного метода крупных вихрей. Отмечается, что неустойчивость струйного течения, рост возмущений и переход к турбулентности приводят к тому, что мгновенная структура течения может существенно отличаться от его осредненной структуры. Картина течения, наблюдающаяся в расчетах, хорошо согласуется с представленной на экспериментальных фотографиях с короткой выдержкой. Как расчетные, так и экспериментальные данные свидетельствуют, что важную роль в динамике струйного течения играют крупномасштабные вихревые структуры, существующие на фоне мелкомасштабной турбулентности. Расчетные и экспериментальные распределения давления Пито близки друг к другу вплоть до определенного расстояния от среза сопла. Ниже по потоку давление Пито и в расчете, и в эксперименте начинает быстро расти, но расчет предсказывает начало роста на большем расстоянии от сопла, чем это наблюдается в эксперименте.

Исследовано влияние учета закрутки потока при расчете обтекания цилиндрической модели диаметром 50 мм дозвуковой струей воздушной плазмы, истекающей из разрядного канала в испытательную камеру ВЧ-плазмотрона ВГУ-4 ИПМех РАН. Проведено сравнение расчетов осесимметричного обтекания модели на основе полных уравнений Навье—Стокса с учетом (новые результаты) и без учета (старые результаты) тангенциальной компоненты скорости w для условий экспериментов при давлении 80 мбар в широком диапазоне мощности по анодному питанию, для различных значений расстояния от среза канала плазмотрона до модели. Показано, что при расчете для малой мощности плазмотрона ВГУ-4 с учетом закрутки потока картина обтекания лобовой части модели меняется: вместо относительно тонкого пограничного слоя перед моделью образуется вихревая область. Для умеренной и большой мощности плазмотрона влияние учета закрутки на изолинии безразмерной функции тока и на изотермы мало в области ядра струи перед моделью, но является значительным во внешней области течения в испытательной камере.

С использованием постадийной гетерогенной кинетики взаимодействия диссоциированного воздуха с поверхностями β-кристобалита и меди выполнено численное моделирование обтекания водоохлаждаемой цилиндрической модели в недорасширенных сверхзвуковых струях высокоэнтальпийного воздуха в рамках уравнений Навье—Стокса многокомпонентным неравновесно-диссоциированным воздухом с учетом химических реакций в потоке для условий экспериментов по теплообмену на индукционном ВЧ-плазмотроне ВГУ-4 (ИПМех РАН). Проведено сравнение численных решений по химическому составу газа и по тепловым потокам к поверхности датчиков для различных моделей катализа. Показан вклад процессов диффузии и теплопроводности в тепловой поток к поверхности для различных режимов взаимодействия газа с материалом поверхности. Определена зависимость характеристик течения (химического состава газа на поверхности, степени заполнения поверхности, теплового потока к поверхности) от плотности мест адсорбции, изменение которой позволяет описать весь диапазон граничных условий — от некаталитических до идеально каталитических.