WWW.KNIGI.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |

«Физические аспекты многофазных течений в аэродинамике, летательной технике и авиационной экологии Дан краткий обзор физико-математических моделей высокоскоростных ...»

-- [ Страница 1 ] --

108 ТРУДЫ МФТИ. — 2011. — Том 3, № 4

УДК 532.5+629.7

А. Л. Стасенко

Московский физико-технический институт (государственный университет),

Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н. Е. Жуковского

Физические аспекты многофазных течений

в аэродинамике, летательной технике

и авиационной экологии

Дан краткий обзор физико-математических моделей высокоскоростных неоднофазных потоков, их численных и экспериментальных исследований, выполненных сотрудниками МФТИ (ФАЛТ) и ЦАГИ в течение более сорока лет с учётом специфики летательной техники (широких диапазонов изменения давлений, температур несущего газа, электризации и теплового излучения частиц, их отражения от обтекаемых тел, вращения и дробления капель). Рассмотрен широкий круг конкретных приложений — от криогенных аэродинамических труб и обледенения самолёта до пожаротушения с воздуха; от ракетного старта до входа в запылённые атмосферы планет; от визуализации вихревых следов в окрестности аэропорта до пылевых потоков в голове кометы.

Ключевые слова: многофазный неравновесный поток; дисперсия звука; отскок, вращение, электризация и оптика частиц; аэрофизический эксперимент; обледенение самолёта; вихревая безопасность; пожаротушение с летательного аппарата; струи в вакууме; вход в атмосферу.

1. Введение К настоящему времени механика многофазных сред — хорошо развитая область неравновесной газотермодинамики, достижения которой изложены в отечественных монографиях [1–9], в основном в приложении к проблемам энергетики, машиностроения, течениям в соплах. Одновременно с этими работами в МФТИ и ЦАГИ развивались исследования полидисперсных потоков с учётом специфики аэродинамического эксперимента, авиационной экологии и физики полёта в различных условиях — от аэропорта до высоких слоёв атмосферы и космического пространства. Юбилей МФТИ предоставляет возможность сделать обзор развитых нами математических моделей, их экспериментальной верификации и полученных на данной основе результатов в течение нескольких десятков лет.

В этот юбилейный год уместно вспомнить, что Физтех начался с Аэромеха. Это не случайно: летательный аппарат является венцом технической цивилизации, в котором объединены все разделы физики — от механики точки до квантовой теории вещества и астрофизики — и учтены все последние достижения различных технологий. Только высокоразвитые страны могут создавать летательную технику, и то часто в кооперации: например, «Конкорд» является англо-французским изделием, в то время как Россия создала Ту– самостоятельно.

Несмотря на то, что полёт из мечты превратился в бытовое явление, в гражданской авиации остались от прошлого и родились в последние годы серьёзные проблемы, часть которых рассматривалась на конференциях МФТИ: экология атмосферы (возможное истощение озонного слоя, образование облаков под влиянием выбросов двигателей); экология интенсивно работающих аэропортов (генерирование самолётами и распространение спутными вихрями и ветром в их окрестности нежелательных веществ, образование подпочвенных «линз» с компонентами топлива); вихревая опасность, связанная с возможностью чисто механического возмущения атмосферы над аэропортом большими авиалайнерами;

опасность обледенения при полёте в облаках с переохлаждёнными метастабильными каплями, тесно связанная с электризацией аппарата; оптимизация пожаротушения с воздуха.

ТРУДЫ МФТИ. — 2011. — Том 3, № 4 А. Л. Стасенко Ниже дан краткий обзор физических аспектов и некоторых результатов исследований этих проблем. Для их полного решения необходимы усилия многих научных коллективов.

Наши выпускники должны принять активное участие в этом процессе.

В связи с юбилейным статусом настоящего сборника нами упомянуты в основном собственные работы, а также работы других авторов, способствовавшие развитию наших исследований. Полученные результаты частично вошли в наши монографии [6, 8] и учебные пособия МФТИ [10], а также докладывались на многочисленных научных форумах и рабочих встречах как в России, так и за рубежом, с представителями ONERA, Boeing, British Aerospace, Yuvskul University (Finland), International Center for Theoretical Physics a a (Trieste, Italy).

2. Отдельная частица в несущем газе Построение математической модели газодисперсного или парокапельного течения естественно начать с описания обмена импульсом, энергией и массой между отдельной частицей и безграничным несущим потоком. Между тем для создания строгой модели любого из этих «элементарных» актов потребовалась бы вся газотермодинамика и физическая кинетика.

Поэтому при исследовании, например, динамики капли уже сотню лет назад использовались полуэмпирические интерполяции. Так, в классических работах Милликена по измерению электрических зарядов капель, падающих в воздухе [11], использовался поправочный множитель, учитывающий факт разреженности газа для мелких частиц (в зависимости силы сопротивления от числа Кнудсена Kn = /2, построенного по длине свободного пробега молекул и диаметру капли 2). При этом экспериментатор опирался на более раннюю работу [12].

При теоретическом исследовании газодисперсных потоков в аэродинамике и летательной технике необходимо знать силу взаимодействия частицы с газом при произвольных значениях не только числа Кнудсена, но и числа Маха M2 = |V1 V2 | /1 (1 — скорость звука в газе, V1 V2 — скорость обтекания частицы). К настоящему времени существуют многочисленные полуэмпирические интерполяции экспериментальных данных для шара, полученные в отдельных интервалах значений чисел Kn, M2, Re2 = 21 |V1 V2 | /1 (1 — вязкость несущего газа). Сейчас наиболее часто применяется кусочно-непрерывная зависимость [13] для силы сопротивления. Но, поскольку для наших целей к тому же необходимо знать скорость тепло- и массообмена частиц, в работах [14–16] разработан и использован более простой интерполяционный алгоритм, один и тот же для потоков массы, энергии, импульса и момента импульса. Кроме того, полученные выражения учитывают дополнительно объёмную неизотермичность частицы [17] и последние экспериментальные данные [18] о взаимном влиянии поступательного и вращательного движений частицы. Специальное внимание уделено также собственному тепловому излучению частицы с учётом обрезания спектра со стороны длин волн, сравнимых с её размером [19].



В работе [20] рассмотрена механика и тепломассообмен вращающейся капли в следующих аспектах: во-первых, мелкодисперсные частицы могут попадать в условия свободномолекулярного обтекания уже в сопле вследствие быстрого расширения несущего газа либо вводиться в заведомо разреженную (относительно частиц) среду; во-вторых, появление при вращении боковой силы (типа Магнуса) должно приводить к поперечному смещению частиц и перепутыванию их траекторий; в-третьих, существует область параметров частиц и обтекающего газа, в которой время выравнивания температуры в объёме частицы сравнимо с временами других релаксационных процессов, что приводит к необходимости решать уравнение теплопроводности внутри вращающейся деформированной капли; в-четвёртых, как собственное излучение мелкой (сравнимой с характерной длиной волны) частицы, так и приходящее извне излучение, рассеянное ею, зависит от формы частицы [21], что, вообще говоря, может привести к отличию оптических характеристик парокапельного потока с вращающимися частицами от таковых в отсутствие вращения. Из возможных взаимных положений векторов скорости обтекания и угловой скорости вращения частицы выбран 110 ТРУДЫ МФТИ. — 2011. — Том 3, № случай их ортогональности, (V1 V2 ), имеющий непосредственное отношение к механике двухфазных струй.

В [20] получена система уравнений динамики и тепломассобмена вращающейся эллипсоидальной частицы, численно исследовано изменение вдоль оси сопла её линейной и угловой скоростей, эксцентриситета, а также эволюция температурного поля внутри капли.

Кроме того, даны индикатрисы рассеяния плоской монохроматической неполяризованной электромагнитной волны на эллипсоидальной частице при двух направлениях падения:

параллельно экваториальной плоскости и оси симметрии.

Влияние большой разности температур на скорость массообмена капли, неподвижной относительно газа, аналитически и численно исследовано в [22–24] с учётом эффектов Соре и Дюфура, а также зависимости коэффициентов переноса от температуры и концентраций компонентов бинарной (пассивный газ плюс пар вещества капли) газовой смеси.

Несмотря на большой объем накопленной в мире информации о взаимодействии частиц с несущим газом, нами были проведены самостоятельные эксперименты [25] для подтверждения сформулированной системы уравнений динамики капель. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов исследования кинематических характеристик микрочастиц в невозмущённом сверхзвуковом потоке газа и за скачком уплотнения (при помощи лазерно-доплеровского измерителя скорости) позволило подтвердить принятую модельную систему уравнений динамики частиц, оценить размер последних в момент прохождения скачка и выяснить характер дробления за скачком.

Было показано, что частицы воды радиусом 5–10 мкм при охлаждении ниже точки замерзания в сверхзвуковом потоке воздуха оставались в жидком метастабильном состоянии, что оказалось важным при исследовании обледенения тел в потоке. За скачком уплотнения частицы проходили значительное расстояние ( 1 см), прежде чем возникала достаточная для их распада деформация. Это расстояние хорошо совпадает с оценками, основанными на экспериментальных данных других авторов для «тёплых» крупных ( 1 мм) капель, если при определении чисел Вебера и Лапласа использовать значения вязкости для переохлаждённой жидкости, полученные экстраполяцией данных для воды в область температур ниже точки замерзания. Деформация частиц завершалась их распадом на большое количество (102 –103 ) мелких, которые двигались далее как недеформируемые сферы.

Значительное внимание уделено такому «элементарному» процессу, как испарение капель. На основе экспериментов с каплями жидкого азота, свободно падающими в атмосферном воздухе [26, 27], построена математическая модель изменения массы частицы, обдуваемой несущей средой, при значительном отличии их температур (в экспериментах 1 /2 4).

3. Соударение частицы с твёрдым телом: от адгезии до эрозии При обтекании тел высокоскоростным двухфазным потоком важную роль играет физика столкновения микрочастицы с поверхностью. В частности, структура сжатого слоя существенно зависит от компонент скорости отскока частиц. Этот процесс относится скорее к физике твёрдого тела, чем к аэродинамике, однако при численном исследовании движения тела в двухфазной среде приходится принимать ту или иную модель «элементарного акта» столкновения частицы с телом. При этом в большинстве случаев расчёты проводятся в довольно произвольных предположениях относительно коэффициентов восстановления нормальной = / и тангенциальной = / компонент импульса частицы.

Здесь индекс (incident) означает до соударения с телом, (rebound ) — после отражения от тела. В некоторых работах полагается = = 0 (прилипание или исчезновение частиц на поверхности) либо = = 1 (зеркальное отражение); либо делается заявление типа «примем и равным 0,5», либо в лучшем случае используются полуэмпирические интерполяции результатов экспериментов, пригодные, разумеется, только для исследованной пары сталкивающихся тел. Поэтому нами была поставлена задача получить «универсальные» зависимости и от физико-механических свойств налетающей частицы и мишени, опирающиеся на известные опытные данные. Естественно предположить, что исход столкновения зависит как от скорости V частицы, так и от плотности, модуля Юнга и сдвига, пределов текучести, поверхностных плотностей энергии обоих участников взаимодействия.



Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 



Похожие работы:

«АГО ФЕРЕНЦ Центральноазиатская интеграция: проблема распределения водных ресурсов Диссертация на соискание учёной степени кандидата географических наук Научный руководитель доктор географических наук, Хайду Золтан Республика Венгрия Печ, 2007 СОДЕРЖАНИЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 3 ВВЕДЕНИЕ 4 1. ИСТОРИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ В СРЕДНЕЙ АЗИИ 1.1 Создание сырьевой базы Российской империи в Средней Азии и вопрос об оросительной системе 21 1.2 Последствия территориально-административного...»

«ПРИМЕНЕНИЕ ДЕРИНАТА В ПЕДИАТРИИ Пособие для практикующих врачей Под редакцией доктора медицинских наук, профессора А.И. Кусельмана 2008 УДК 615.017 ББК 52.81:57.3 П75 П75 Применение Дерината в педиатрии: Пособие для практикующих врачей / Под ред. А.И. Кусельмана. – М.–Тверь: Триада, 2008. – 88 с. ISBN 978-5-94789-288-8 В методическом пособии отражены современные представления об отечественном препарате Деринат, история его получения, влияние на основные иммунологические механизмы, и главное,...»

«THE EFFECT OF MODERN REPERFUSION THERAPY OF MYOCARDIAL INFARCTION ON STRUCTURAL AND FUNCTIONAL CHANGES IN HEART RUSSIAN ACADEMY OF MEDICAL SCIENCES SIBERIAN BRANCH INSTITUTE OF CARDIOLOGY SIBERIAN STATE MEDICAL UNIVERSITY V.V. Ryabov, А.А. Sokolov, T.R. Ryabova, V.A. Markov THE EFFECT OF MODERN REPERFUSION THERAPY OF MYOCARDIAL INFARCTION ON STRUCTURAL AND FUNCTIONAL CHANGES IN HEART Тоmsk 2010 УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ МЕДИЦИНСКИХ НАУК НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ КАРДИОЛОГИИ...»

«А. А. Богданов ТЕКТОЛОГИЯ Всеобщая организационная наука ВВЕДЕНИЕ О ТЕКТОЛОГИИ И ЕЕ АВТОРЕ самый главный труд жизни нашего замечательного Тектология — соотечественника — Александра Александровича Богданова (настоящая фамилия — Малиновский)(1873–1928). А. А. Богданов известен как об щественный деятель, участник первой русской революции, один из ли деров Российской социал-демокра ти ческой рабочей партии, соратник В. И. Ленина (до 1908 г.), философ, экономист, писатель-фантаст, врач-психиатр и...»

«НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СУДЕБНО-Й МЕДИЦИНЫ МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ СССР Судебная медицина. под редакцией доктора медицинских наук проф. В.И.Прозоровского Оглавление Введение. Отдел I. Процессуальные и организационные основы судебно-медицинской экспертизы. Глава 1. Процессуальные основы. Глава 2. Организация судебно-медицинской экспертизы в СССР. Отдел II. Повреждения и смерть от действия механических факторов (судебная травматология). Глаза 3. Определение и классификация...»

«Концепция Е.А. Леонтьева доцент кафедры единого объекта международного частного права факультета права Национального недвижимости исследовательского университета Высшая в германском школа экономики, кандидат юридических наук гражданском праве Актуальность исследуемой в статье проблемы обусловлена продолжающимся в научной среде обсуждением проекта изменений в часть первую Гражданского кодекса Российской Федерации. Новая для российского права модель единого объекта недвижимости, предлагаемая в...»

«СТРАТЕГИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ИННОВАЦИОННО ОРИЕНТИРОВАННЫМ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫМ КОМПЛЕКСОМ С УЧЕТОМ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ САРКИН АНДРЕЙ ВЛАДИСЛАВОВИЧ БАГАУТДИНОВА НАИЛЯ ГУМЕРОВНА АВЕРЬЯНОВ БОРИС АНАТОЛЬЕВИЧ СТРАТЕГИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ИННОВАЦИОННО ОРИЕНТИРОВАННЫМ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫМ КОМПЛЕКСОМ С УЧЕТОМ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ Экономика 2 УДК 621: 005.21(470+571) ББК 65.305.4-211 С20 Рецензенты: Кузнецов И.А. – доктор экономических наук, профессор ФГБОУ ВПО Тамбовский государственный...»

«Материаловедение УДК 621.762 СВС ПОРИСТОЙ МЕТАЛЛОКЕРАМИКИ СИСТЕМЫ TI-B-C С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ХИМИЧЕСКОЙ ПЕЧИ* Д.И. Андриянов, А.Р. Самборук, В.С. Ищенко, Д.М. Давыдов Самарский государственный технический университет 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244 E-mail: andriyanov14dim@yandex.ru Представлены результаты исследований пористой металлокерамики системы Ti-B-C, полученной методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с использованием химической печи. Исследовано влияние...»

«Профессор Николай Васильевич Белан Биобиблиографический сборник Харьков ХАИ 2012 УДК 016 : 378.4(092) : 621.384.6 : 629.78.064 : 621.455 : 621.7.047.8 Б 43 Издано при финансовой поддержке Президентского фонда Леонида Кучмы Украина Рекомендовано к печати учебно-методической комиссией Национального аэрокосмического университета им. Н. Е. Жуковского Харьковский авиационный институт (протокол № 6 от 14.12.2011) Составители: И. В. Олейник, В. С. Гресь Под редакцией Н. М. Ткаченко Б 43 Профессор...»

«Светлана Борисовна Устелимова Массаж при заболеваниях опорно-двигательного аппарата ВВЕДЕНИЕ Опорно-двигательный аппарат играет важную роль в жизнедеятельности организма. Он включает в себя костную и мышечную системы организма, а также суставы, связки и фасции. Такой сложный состав определяет большое разнообразие заболеваний опорно-двигательного аппарата. В книге подробно рассказано об ортопедических заболеваниях, особенно в детском возрасте, потому что часто только на этом этапе они поддаются...»






 
© 2013 www.knigi.konflib.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.