ТОМ 95, №3


ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МНОГОСТУПЕНЧАТЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ
С позиций термодинамики при конечном времени рассмотрены предельные возможности механических систем разделения. Получены оценки снизу затрат энергии для систем разделения, имеющих заданную производительность. Показано, что эти затраты не стремятся к нулю при стремлении к единице концентрации одного из компонентов разделяемой смеси. Полученные оценки использованы для анализа многоступенчатых систем разделения c рециклами и, в частности, систем разделения изотопов. Для таких систем найдены соотношения между потоками, поверхностями контакта и номером ступени, вытекающие из условий минимальной диссипации, в предположении постоянства коэффициента обогащения. Получено условие оптимальности порядка разделения многокомпонентных смесей в механических системах.  
Автор:  А. М. Цирлин
Ключевые слова:  многокомпонентные смеси, многоступенчатые механические системы разделения, область реализуемости, поверхность контакта, производство энтропии, разделение изотопов
Стр:  569

РЕАЛЬНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ПОРШНЕВЫХ МАШИН
Выполнен термодинамический анализ функционирования поршневых машин с использованием идеального и реального газов в качестве рабочего тела по прямому и обратному циклам Карно. Установлена взаимосвязь между коэффициентом летучести рабочего тела (реального газа) и КПД поршневой тепловой машины. Получены расчетные формулы для определения зависимости КПД таких машин от характеристик их рабочего тела. Проведена верификация предложенного метода термодинамических потенциалов и полученных на его основе соотношений, связывающих реальный КПД тепловой машины с коэффициентом летучести ее рабочего тела  
Автор:  В. Г. Киселев  , А. А. Калютик , И. Д. Налетов
Ключевые слова:  поршневая машина, тепловой двигатель, термодинамические потенциалы, цикл Карно, идеальный газ, КПД
Стр:  583

ОСОБЕННОСТИ СИНТЕЗА МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В НЕСТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ ГОРЕНИЯ
Построена и исследована численными методами математическая модель нестационарного безгазового горения бинарной смеси в условиях термокапиллярного течения расплава одного из компонентов. Выявлены различные нестационарные режимы распространения волны синтеза в зависимости от массовых концентраций компонентов и исходной пористости смеси. Исследован процесс формирования макроструктуры продуктов синтеза в автоколебательном режиме горения. Показана принципиальная возможность горения смесей с избытком легкоплавкого компонента с более высокой скоростью, чем при горении смеси стехиометрического состава  
Автор:  О. В. Лапшин , В. Г. Прокофьев
Ключевые слова:  плавление реагента, термокапиллярная конвекция, кондуктивный и конвективный режимы горения, численное моделирование
Стр:  594

О ГОРЕНИИ ГИДРАТА В ЗАМКНУТОМ ОБЪЕМЕ
Представлена математическая модель горения газогидрата в замкнутом объеме, предполагающая полное испарение воды на границе "гидрат–газ". В соответствии с этим предположением из теоретической модели исключаются процессы диффузии газа через слой жидкости и образование пенной структуры, что приводит к значительному ее упрощению. На основе численных расчетов проанализировано влияние коэффициентов переноса на поля температуры и концентраций компонентов газовой смеси, а также их воздействие на интенсивность разложения газогидрата. Установлено, что с увеличением значений коэффициентов переноса возрастают как интенсивность горения метана, так и интенсивность разложения газогидрата. При этом с течением времени быстрота разложения газогидрата уменьшается. Показано, что в случае горения в замкнутом объеме может возникнуть режим его прекращения. При этом разложение гидрата будет происходить за счет тепла, запасенного в газовой смеси.  
Автор:  И. К. Гималтдинов , И. М. Баянов , М. В. Столповский , А. С. Чиглинцева
Ключевые слова:  газовый гидрат, горение, фазовый переход, коэффициенты переноса
Стр:  605

FILM COOLING FOR A CYLINDRICAL HOLE WITH A DOWNSTREAM CRESCENT-SHAPED BLOCK AT PERPENDICULAR CROSSFLOW
Recent studies reveal that an internal coolant crossflow plays an important role in the flow field and film cooling performance in the near-hole region. In the present paper a single array of cylindrical holes with crescent-shaped blocks downstream is considered. The cooling performance under the quiescent coolant plenum conditions with a perpendicular coolant crossflow are studied numerically at the blowing ratios 0.5–2.5. The height-to-diameter ratio of the crescent-shaped block varies from 0.25 to 1.0 with an interval of 0.25. Based on the numerical results, it may be deduced that a perpendicular crossflow induces an asymmetric pair of in-hole vortices and a biased coolant coverage on the surface downstream of the hole exit. However, the bias direction depends on the value of the blowing ratio. Compared with the quiescent plenum case, the perpendicular crossflow reduces the cooling performance, and the benefits result from the crescent-shaped block downstream.  
Автор:  Zhang C. , Zhang P. F. , Ju P. F.
Ключевые слова:  film cooling, crescent-shaped block, cooling effectiveness, internal crossflow, numerical simulation
Стр:  614

СТАБИЛИЗИРОВАННАЯ НЕСТАЦИОНАРНАЯ ТЕПЛООТДАЧА В КАНАЛЕ С ЦИКЛИЧЕСКИ ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ ВО ВРЕМЕНИ ГРАНИЧНЫМ РЕЖИМОМ НА ЕГО ПОВЕРХНОСТИ
Рассмотрено ламинарное течение жидкости с постоянными свойствами в канале, на поверхности которого температура или плотность теплового потока изменяются во времени по периодическому закону. В общем виде получено аналитическое решение задачи конвективного теплообмена, с помощью которого установлено, что теплоотдача перестает зависеть от осевой координаты вдали от входа в обогреваемый участок. Найдены соотношения для расчета стабилизированной теплоотдачи. Показано, что при высокой частоте процесса нестационарный стабилизированный коэффициент теплоотдачи заметно изменяется в течение периода, однако со снижением частоты происходит его стабилизация во времени. Приведены данные по полностью стабилизированной теплоотдаче для различных форм канала, режимов течения и граничных условий.  
Автор:  М. И. Супельняк
Ключевые слова:  ламинарное течение в канале, нестационарная циклическая теплоотдача, стабилизированный теплообмен, комплексная несамосопряженная задача Штурма–Лиувилля
Стр:  623

ТЕПЛОВОЙ АНАЛИЗ РАБОЧЕГО КОЛЕСА ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА ИЗ КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА
Представлен тепловой расчет колеса центробежного компрессора малоразмерного газотурбинного двигателя из композитного материала. Рассмотрены существующие подходы к проектированию колес центробежных компрессоров. Описана методика численного моделирования теплового состояния полисегментного рабочего колеса центробежного компрессора из композитного материала под действием тепловой нагрузки. Получено распределение температур по каждому отдельно взятому элементу конструкции и сборке в целом. Определена величина необходимого расхода охлаждающего воздуха для обеспечения штатной работы компрессора, при котором значения локальных температур на изделии не превышают допустимые температуры эксплуатации. Сделаны выводы о возможности применения полимерных композиционных материалов в высоконагруженных узлах современных авиационных двигательных установок.  
Автор:  Л. В. Быков , А. Д. Ежов , Л. А. Мартынюк , Д. В. Афанасьев , М. А. Мезенцев
Ключевые слова:  рабочее колесо центробежного компрессора, тепловое нагружение, полимерные композитные материалы, численное моделирование
Стр:  640

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЕЙ В ЭЛЕКТРОДАХ С УЧЕТОМ ПЛАВЛЕНИЯ И ФРИТТИНГА ПЛЕНОК
Сформулирована математическая модель, а также разработаны конечно-разностный метод и программы для ЭВМ, позволяющие эффективно осуществлять компьютерное моделирование процесса теплового пробоя контактных пленок. Система уравнений включает задачу Стефана, уравнения электропереноса и коммутируемой цепи. Предполагается осевая симметрия условий краевой задачи. Для решения применен конечно-разностный метод в сферической системе координат. В течение развития процесса радиус проводящего мостика из расплавленного материала изменяется на несколько порядков. Эффективным решением данной проблемы является использование "движущейся" сетки посредством соответствующей замены переменных. Результаты работы могут применяться в практике исследования и проектирования электрических аппаратов и других электротехнических устройств.  
Автор:  Р. В. Арутюнян
Ключевые слова:  компьютерное моделирование, электрическое поле, расчет, температурное поле, металлический электрод, задача Стефана, пленки
Стр:  651

РАДИАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В СКВАЖИНЕ
Выполнено теоретическое исследование радиального распределения температуры в восходящем и нисходящем потоках жидкости в стволе действующей скважины. Определены радиальные перепады температуры в потоках воды и нефти на оси и стенке скважины.  
Автор:  А. Ш. Рамазанов , Р. А. Валиуллин , М. А. Галлямов
Стр:  657

MAGNETOTHERMOELASTIC INTERACTION IN A ROD OF FINITE LENGTH SUBJECTED TO MOVING HEAT SOURCES VIA ERINGEN'S NONLOCAL MODEL
The generalized nonlocal thermoelastic model in the context of Eringen's nonlocal elasticity is applied to investigate the magnetothermoelastic interactions in a rod of finite length placed in a magnetic field with a moving source. With the use of the Laplace transform and numerical Laplace inversion techniques, the governing equations are solved, and the solutions in the time domain are obtained numerically. The distributions of the nonlocal thermal stress, temperature, and the displacement in the rod are obtained and presented graphically. The effects of the rotational speed and the speed of the moving heat source, nonlocal parameter, and the applied magnetic field intensity on the considered variables are discussed in detail.  
Автор:  A. M. Zenkour , A. E. Abouelregal
Ключевые слова:  nonlocal thermoelasticity, finite rod, moving heat source, rotation, magnetic field
Стр:  665

OPTIMUM THICKNESS OF CIRCULAR ANISOTROPIC HEAT SPREADERS
Heat spreaders of different designs made of different materials were investigated. Numerous relations for estimating the optimum thickness and the corresponding thermal resistance of these spreaders with an acceptable accuracy have been obtained. The superiority of certain heat spreaders was demonstrated.  
Автор:  Falakzadeh F. , Mehryar R.
Ключевые слова:  anisotropic materials, heat conduction, critical thickness, electronic devices, cooling, heat spreaders
Стр:  676

ТЕПЛОМАССООБМЕН ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В ВЫТЯЖНОЙ БАШНЕ ИСПАРИТЕЛЬНОЙ ГРАДИРНИ
Предложено отвод уходящих газов котла-утилизатора газотурбинной установки в атмосферу осуществлять через вытяжную башню градирни с естественной вентиляцией воздуха. Разработаны методика и программа расчета на ПЭВМ процессов тепло- и массообмена при движении газовоздушной смеси в вытяжной башне градирни. Выполнен расчет процессов тепло- и массообмена, протекающих в установленной на ПГУ-200 Сызранской ТЭЦ башенной градирне для двух вариантов ее работы: без отвода и с отводом уходящих газов от двух котлов-утилизаторов в атмосферу. Расчеты выполнены для летнего периода года. Анализ результатов расчетов показал, что предложенное техническое решение позволяет дополнительно уменьшить температуру циркуляционной воды на выходе из градирни на 1.31oС (с 28.08 до 26.77oС) и повысить КПД парогазовой установки до 50.82%, т. е. на 0.08%.  
Автор:  С. К. Зиганшина , А. А. Кудинов
Стр:  686

ВЛИЯНИЕ ТОЛЩИНЫ СФЕРИЧЕСКОГО СЛОЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОЙ ЖИДКОСТИ НА ТЕПЛООБМЕН В НЕЙ
Представлены результаты численного моделирования нестационарного теплообмена в сферическом слое электропроводной жидкости и ее магнитной гидродинамики. Исследовано влияние толщины этого слоя на структуру течения жидкости, поля температуры и магнитной индукции и распределение чисел Нуссельта в слое с учетом диссипации джоулева тепла в нем.  
Автор:  С. В. Соловьев
Ключевые слова:  математическое моделирование, нестационарный теплообмен, магнитная гидродинамика, диссипация джоулева тепла, сферический слой
Стр:  692

ОСАЖДЕНИЕ ЗАЩИТНЫХ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ АЛМАЗОПОДОБНЫХ УГЛЕРОДНЫХ ПОКРЫТИЙ НА АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ
Исследовано влияние подготовки поверхности подложек из алюминиевых сплавов на адгезию к ним алмазоподобных углеродных покрытий с высоким содержанием sp3 -связанного углерода. Углеродные покрытия осаждались лазерно-плазменным методом с использованием импульсного YAG:Nd 3+ лазера с длиной волны l = 1064 нм, длительностью импульса на полувысоте ~20 нс и максимальной энергией импульса ~0.4 Дж. В качестве источника углерода использовался высокоориентированный пиролитический графит. Покрытия осаждались на подложки из алюминиевого сплава АМг. Показана возможность осаждения лазерно-плазменным методом высокоадгезионных алмазоподобных углеродных покрытий с высоким содержанием sp3 -связанного углерода на алюминиевые сплавы. Предложен оригинальный способ подготовки поверхности алюминиевого сплава перед нанесением защитного углеродистого покрытия, заключающийся в обработке поверхности подложки частицами плазмы алюминиевой мишени, ускоренными до энергии 1.5 кэВ  
Автор:  В. К. Гончаров , Г. А. Гусаков , М. В. Пузырев
Ключевые слова:  лазерная плазма, адгезия, углеродные нанопленки, алюминиевые сплавы.
Стр:  706

ГИБРИДНЫЙ МЕТОД РЕШЕТОЧНЫХ УРАВНЕНИЙ БОЛЬЦМАНА В ЗАДАЧАХ СОПРЯЖЕННОГО ТЕПЛОПЕРЕНОСА
Построена гибридная (LB-FD) математическая модель для исследования термогравитационной конвекции в замкнутых прямоугольных полостях, ограниченных с одной стороны теплопроводной стенкой конечной толщины. В рамках сформулированного подхода гидродинамика моделируется методом решеточных уравнений Больцмана с использованием Бхатнагар–Гросс–Крук аппроксимации и двумерной девятискоростной схемы, а уравнения энергии и теплопроводности разрешаются методом конечных разностей. Численное моделирование проведено при варьировании числа Рэлея, толщины и относительной теплопроводности стенки. Установлено, что разработанная гибридная модель адекватно воспроизводит локальные и средние характеристики сопряженного теплообмена. Скорость вычисления LB-FD модели более чем в 10 раз выше по сравнению с подходом, основанным на решении уравнений Навье–Стокса в преобразованных переменных "завихренность–функция тока".  
Автор:  А. Э. Ни
Ключевые слова:  метод решеточных уравнений Больцмана, метод конечных разностей, естественная конвекция, сопряженный теплообмен
Стр:  713

О ЗАПИРАНИИ ПОТОКА ГАЗА ЗЕРНИСТЫМ СЛОЕМ
Исследован эффект запирания газового потока изотермическим и тепловыделяющим зернистыми слоями в условиях вязко-инерционного режима течения. Получено асимптотическое выражение для скорости газа.  
Автор:  Ю. С. Теплицкий , Е. А. Пицуха , А. Р. Рослик , М. В. Виноградова
Ключевые слова:  зернистый слой, запирание газового потока, тепловыделяющий слой, вязко-инерционный режим течения
Стр:  721

МОДЕЛИРОВАНИЕ УПРУГО-НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ В КОЛЛОИДНОМ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТОМ ТЕЛЕ ПРИ ЕГО ОБЕЗВОЖИВАНИИ СБРОСОМ ДАВЛЕНИЯ
Рассмотрено совместное влияние градиента давления и усушки на распределение механических напряжений в образце древесины, подвергаемом обезвоживанию сбросом давления. Определено изменение распределения влажности по сечению образца с течением времени. Наблюдающееся перераспределение влаги от центра к поверхности образца приводит к тому, что значения градиента давления являются относительно низкими. Благодаря более однородному влагосодержанию уменьшаются также механические напряжения, связанные с усушкой. Расчеты показали, что влияние усушки является наиболее существенным при снижении влажности ниже предела гигроскопичности, а также при обезвоживании образцов больших размеров. Расчетным путем определены условия разрушения при быстром сбросе давления для различных начальных влагосодержаний и размеров образцов. Полученные зависимости могут быть использованы для определения режимов обработки различных материалов без ухудшения их потребительских свойств  
Автор:  Н. М. Горбачёв , М. А. Брич , И. А. Козначеев
Ключевые слова:  обезвоживание, термомеханическая обработка, сброс давления, коллоидное капиллярно-пористое тело, механические напряжения, усушка, моделирование
Стр:  729

ОСОБЕННОСТИ ВЫТЕСНЕНИЯ ЖИДКОСТИ ПРИ ФИЛЬТРАЦИИ В СРЕДЕ С МАЛОЙ ПОРИСТОСТЬЮ
Работа посвящена исследованию вытесняющей способности пористых сред при извлечении из них углеводородов. С использованием законов сохранения массы и импульса уточнено выражение для коэффициента, характеризующего вытесняющую способность среды в упругом режиме эксплуатации залежей.
Показано, что найденное выражение отличается от классических представлений, а также от величины коэффициента сжимаемости пористой среды в фильтрационном приближении. Установлено, что в общем случае сжимаемость пористой среды включает слагаемые, зависящие не только от макроскопических характеристик, но и от микроструктуры пористой среды. Определены критерии, при выполнении которых упругие свойства среды не зависят от ее микроструктуры: при равенстве плотностей жидкости и материала скелета и в случае, когда пористость не зависит от давления, тогда структура пор не влияет на величину сжимаемости пористой среды. Выделены различные физические условия протекания процесса, когда необходимо ввести специальные понятия сжимаемости.       Показано, что величина коэффициента, характеризующего вытесняющую способность среды, при уменьшении пористости до нуля достигает значений, значительно превышающих сжимаемость жидкости. В то же время при устремлении пористости к единице этот коэффициент стремится к величине сжимаемости жидкости. Такое поведение коэффициента свидетельствует о существовании физического эффекта, заключающегося в преобладающем вкладе деформации материала скелета в процесс вытеснения в областях коллектора нефти и газа с пониженной пористостью.  
Автор:  А. И. Филиппов , П. Н. Михайлов
Ключевые слова:  упругая среда, сжимаемость двухфазной системы, законы сохранения, давление, пористость, плотность
Стр:  734

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ ПРИ ДАВЛЕНИИ ДО 20 МПа
Представлены результаты измерения коэффициента теплопроводности водонефтяных эмульсий прямого и обратного типов при давлении до 20 МПа в диапазоне температур 293–353 K при изменении объемного содержания дисперсной фазы в эмульсии до 50 об.%. Полученная ранее корреляционная зависимость пригодна для определения коэффициента теплопроводности водонефтяных эмульсий прямого и обратного типов в широком диапазоне изменения содержания дисперсной фазы и термобарических параметров.  
Автор:  В. Г. Кучеров
Ключевые слова:  нефти, водонефтяные эмульсии, коэффициент теплопроводности, температура, давление, дисперсная фаза, дисперсионная среда
Стр:  742

УПРАВЛЕНИЕ ТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ПОТОКОВ ГАЗА В ВЫХОДНОМ КАНАЛЕ ТУРБОКОМПРЕССОРА
Получены данные о газодинамических и теплообменных характеристиках нестационарного течения газов в выходном канале центробежного компрессора турбокомпрессора для наддува поршневых двигателей. Показано, что выравнивающая решетка, установленная в выходном канале центробежного компрессора турбокомпрессора, снижает амплитуду пульсаций скорости течения газа в этом канале в 2–3 раза, уменьшает его турбулентность на 30% и интенсифицирует теплоперенос в канале на 13–25% по сравнению с базовым каналом без решетки. Установлено, что нанесение канавок в указанном канале приводит к увеличению турбулентности газа в нем на 9–12%, при этом локальный коэффициент теплопереноса в этом канале увеличивается на 35% по сравнению с базовым каналом. На основе численного моделирования процессов, происходящих в турбокомпрессоре поршневого двигателя, продемонстрирован положительный эффект от установки выравнивающей решетки в выходном канале центробежного компрессора турбокомпрессора и от нанесения канавок на его стенку, заключающийся в увеличении мощности двигателя на 2% и его КПД на 0.25%.  
Автор:  Л. В. Плотников
Ключевые слова:  турбокомпрессор, центробежный компрессор, поршневой двигатель, газодинамика, теплообмен, показатели эффективности
Стр:  748

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СВЕРХЗВУКОВОГО ОБТЕКАНИЯ КЛИНА С ПРИСОЕДИНЕННЫМ СКАЧКОМ УПЛОТНЕНИЯ С УЧЕТОМ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ЭФФЕКТОВ
Выполнено математическое моделирование развития сверхзвукового течения газа при взаимодействии плоской ударной волны с клином на основе решения уравнений Эйлера, описывающих нестационарное течение не вязкого сжимаемого газа в двумерной области, с учетом высокотемпературных эффектов ионизации и диссоциации газа, возникающих в потоке газа в результате протекания в нем равновесных химических реакций. Проведено сравнение решений задачи в рамках моделей совершенного и реального газов. Исследовано влияние высокотемпературных эффектов в газе, обтекающем клин, на характеристики потока газа и угол наклона скачка уплотнения на клине.  
Автор:  К. Н. Волков , В. Н. Емельянов , А. Г. Карпенко , С. С. Толстогузов
Стр:  756

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИЖЕНИЯ КАПЕЛЬ ЖИДКОСТЕЙ В ГАЗОВЫХ СРЕДАХ
Приведены результаты экспериментальных исследований интегральных характеристик движения капель жидкостей в газовых средах в зависимости от скорости движения среды, ее температуры и концентрации паров в ней. Основное внимание уделено регистрации распределений капель жидкостей по размерам на разных участках движения газовой среды. Изучено влияние скорости движения газа, его температуры и концентрации паров в нем на распределение капель в парогазовом потоке. Определены условия, при которых каждый из указанных параметров оказывает определяющее влияние на распределение капель в газовой среде и условия, при которых влияние этих параметров мало. Вычислены отношения скорости уменьшения размеров капель к скорости их движения с использованием результатов проведенных экспериментов. Выполнен прогноз распределений капель жидкости в движущейся газовой среде перед фронтом горения в условиях, соответствующих локализации и тушению лесного пожара.  
Автор:  И. С. Войтков , Н. П. Копылов , С. С. Кропотова , Г. В. Кузнецов , П. П. Ткаченко
Ключевые слова:  капли жидкости, газовая среда, лесной пожар, распределение капель по размерам, температура, парогазовый поток
Стр:  767

ПОДПИСКА НА ЖУРНАЛ