Литература
OpenACC. Directives for Accelerators [Электронный ресурс]. URL: http:// www.openacc.org
Годунов С.К. Численное решение многомерных задач газовой динамики. М.: Наука, 1976. 400 с.
Немнюгин С.А Параллельное программирование для многопроцессорных вычислительных систем / Немнюгин С.А., Стесик О.Л. СПб.: БХВ-Петербург, 2002. 400 с.
Вычислительный кластер СКИФ Cyberia [Электронный ресурс]. URl: http:// cyberia.tsu.ru
Silo. A mesh and field I/O library and scientific database [Электронный ресурс]. URL: https://wci.llnl.gov/codes/silo/index.html
VisIt. Software that delivers parallel [Электронный ресурс]. URL: https:// wci. llnl. gov/codes/visit
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНОГО ЗАКРУЧЕННОГО ТЕЧЕНИЯ В ВИХРЕВОЙ КАМЕРЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ ЧАСТИЦ ПО РАЗМЕРАМ
MODELING OF TURBULENT SWIRLING FLOW IN THE VORTEX CHAMBER AND STUDY
М.Ю. Гойко
M.Yu. Goiko
Национальный Исследовательский Томский государственный университет
National Research Tomsk Polytechnic University
popp.marina@yandex.ru
В работе рассматривается численное моделирование закрученного турбулентного потока газа в вихревой камере, которая используется для разделения тонкодисперсных порошков на мелкую и крупную фракцию по заданному размеру частиц. Для повышения эффективности процесса фракционного разделения частиц предлагается дополнительно закручивать стенки вихревой камеры, что способствует выравниванию поля окружной скорости и тем самым стабилизирует баланс центробежных и аэродинамических сил, действующей на сепарируемые частицы. В работе проводилось исследование процесса разделения монофракции с помощью детерминированного метода, в результате получены траектории движения частиц и кривая разделения Тромпа.
Для численного исследования аэродинамики классификатора в качестве прототипа выбрана вихревая камера [2], которая представляет собой цилиндрическую область с не вращающимися стенками. В камере такого типа, закрученный поток газа вместе с частицами через входное сечение поступает в вихревую камеру и под действием перепада давления вместе с мелкой фракцией частиц выходит через выходное сечение камеры. Крупная же фракция частиц, за счет действия на нее центробежной силы, которая преобладает над аэродинамической силой сопротивления частиц, отбрасывается на периферийную стенку классификатора и, оседая по ней, попадает в крупный продукт фракционного разделения. Известно, что вихревые камеры такого типа обладают достаточно большой производительностью по расходу несущей среды и твердой фазы. Однако эффективность фракционного разделения частиц по размерам существенно ниже, чем в воздушно-центробежных классификаторах [3–4]. С нашей точки зрения, одной из причин относительно низкой эффективности процесса фракционного разделения мелкодисперсных порошков является существенная неоднородность поля окружной скорости.
В настоящей работе использовался подход моделирования аэродинамики несущей среды в естественных переменных «скорость-давление». Решение системы уравнений переноса импульса и уравнения неразрывности в переменных «скорость-давление» проводилось методом физического расщепления по времени полей давления и скорости. Метод решения в переменных «скорость-давление» реализуется на разнесенной сетке, что позволяет добиться выполнение уравнения неразрывности во внутренних точках. Для каждого скалярного уравнения переноса в системе уравнений скорость-давление используется обобщенный неявный метод переменных направлений в дельта-форме, который имеет второй порядок точности по времени [6].
Численные исследования поля окружной скорости показали, что вблизи стенок вихревой камеры образуются существенные градиенты окружной скорости при отсутствии вращения стенок, что может стать причиной попадания крупных частиц в мелкий продукт процесса фракционного разделения. В случае же вращения стенок камеры поле окружной скорости существенно выравнивается не только вблизи стенок аппарата, но также во всей области (примерно при r>1.4), где собственно и происходит сепарация крупных частиц.
Проведено численное моделирование течения газа с частицами. На основе траекторного метода определены траектории движения частиц в вихревой камере и процесс разделения тонкодисперсных порошков. В результате анализа полученных результатов определен граничный размер и построена кривая фракционного разделения частиц по размерам.
Достоверность проведенного исследования обосновано тестовыми исследованиями, а также путем сравнения получаемых решений с имеющимися экспериментальными данными.
Литература
Ушаков С.Г. Инерционная сепарация пыли / С.Г. Ушаков, Н.И. Зверев. М.: Энергия. 1974. 166 с.
Патент РФ № 2407601, ПК В07В7/083. Способ воздушно-центробежной классификации порошков и устройство для его осуществления / Зятиков П.Н., Росляк А.Т., Васенин И.М., Шваб А.В., Демиденко А.А., Садретдинов Ш.Р. // опубл. Б.И. №36, 27.12.2010.
Шваб А.В., Хайруллина В.Ю. Исследование закрученного турбулентного течения между вращающимися профилированными дисками // Теоретические основы химической технологии. 2011. Т. 45, №5. С. 557–565.
Роуч П. Вычислительная гидромеханика / П. Роуч. М.: Мир,1977. 618 с.
Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена / С. Патанкар, Б.С. Петухов. М.: Энергоатомиздат,1984. 124 с.
Андерсон Д. Вычислительная гидромеханика и теплообмен / Д. Андерсон, Дж. Таннехилл, Р. Плетчер. М.: Мир,1990. Т. 2. Россия. 337 с.
МОДЕЛИРОВАНИЕ АЭРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА ПРИ СОВМЕСТНОМ ДЕЙСТВИИ ВЫНУЖДЕННОЙ И СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ В РАБОЧЕЙ КАМЕРЕ РЕАКТОРА
MODELING OF AERODYNAMICS AND HEAT TRANSFER IN
THE JOINT ACTION OF FORCED AND NATURAL CONVECTION IN THE CHAMBER OF THE REACTOR
Е.Д. Завьялов, Р.В. Брендаков
E.D. Zavyalov, R.V. Brendakov
Национальный Исследовательский Томский государственный университет
National Research Tomsk Polytechnic University
zigidi1994@gmail.com
Интенсификация производства и технологическая модернизация российской экономики невозможна без передовых прикладных научных исследований и экспериментальных разработок, направленных на создание новых видов продукции и технологий, востребованных современными отраслями экономики. Широкое использование изделий из металлического вольфрама в различных отраслях народного хозяйства обусловлено уникальными свойствами этого металла.
В химической технологии для получения чистых металлов применяется реакция восстановления водородом путем нагрева смеси газов в рабочей камере химического реактора. Гидродинамика этого процесса определяется эффектами взаимодействия свободной и вынужденной конвекции.
В настоящей работе исследуются процессы взаимодействия разного вида конвекций, которые образуются в реакторе, геометрия которого представляет собой коаксиальный цилиндрический канал с нагреваемой внутренней стенкой. В работе рассматривается течение газа в химическом реакторе, в котором существенное значение имеет место процесс естественной и вынужденной конвекции [1]. Динамика движения газа может быть описана уравнениями Навье – Стокса и уравнением переноса тепла, записанных в цилиндрической системе координат в осесимметричной постановке задачи [2].
Численное решение полученной системы уравнений проводилась двумя способами. Решение задачи первым способом основывается на методе физического расщепления полей скорости и давления. Системы сводится к решению уравнения переноса импульса для составляющих вектора скорости и уравнения Пуассона для прибавки к давлению. Решение задачи проводится на разнесенной разностной сетке с использованием контрольного объема. Конвективные и диффузионные слагаемые описываются с использованием экспоненциальной разностной схемы [3]. Для получения достоверного решения данная задача также решалась с использованием переменных функция тока – вихрь [4]. В результате сравнения двух методов решения получено хорошее соответствие полей скорости, температуры и функции тока.
В работе проведено исследование по влиянию геометрии, режимных параметров, а также критериев Прандтля, Рейнольдса и Грасгофа на распределение полей температуры, вектора скорости и давления. Анализ показал, что вблизи нагреваемой стенки образуется тонкий тепловой пограничный слой, на который существенно влияют геометрические и режимные параметры исследуемой задачи.
Литература
1. Брендаков Р.В., Завьялов Е.Д. Статическая оценка параметров процесса фторирования металлического вольфрама / VI Школа-конференция молодых атомщиков Сибири: сб. тез. и докл., 14–16 октября 2015 г. Томск: Изд. СТИ НИЯУ МИФИ, 2015. 147 с.
2. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа: учеб. для вузов / Л.Г. Лойцянский. М.: Наука, 1987. 840 с.
3. Патанкар С.В. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости / С.В. Патанкар; пер. с англ. под ред. В.Д. Виленского. М.: Энергоатомиздат, 1984. 149 с.
4. Роуч П. Вычислительная гидромеханика / П. Роуч. М.: Мир, 1977. 618 с.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИПЕРЗВУКОВОГО ОБТЕКАНИЯ МОДЕЛЬНЫХ ПВРД
EXPERIMENTAL STUDY OF HYPERSONIC FLOW AROUND
OF MODEL RAMJETS
1И.А. Ионова , 1,2Е.А. Маслов, 2Н.Н. Золотoрев , 1С.Ю. Чижов
1I.A. Ionova, 1,2E.A. Maslov , 2N.N. Zolotorev , 1S.Y.Chizhov
1Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск, Россия
1National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia
2Национальный Исследовательский Томский государственный университет,
Научно-исследовательский институт прикладной математики и механики, Томск, Россия
2Tomsk State University, Research Institute of Applied Mathematics and Mechanics, Tomsk, Russia
maslov_eugene@mail.ru
Прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД) является наиболее простым из воздушно-реактивных двигателей [1]. Поскольку рабочий цикл ПВРД происходит без механического сжатия рабочего тела, то отсутствуют соответствующие подвижные механические части. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель – единственный двигатель, способный обеспечить полёт с гиперзвуковыми скоростями в атмосфере Земли.
Одним из основных факторов, влияющих на внутрибаллистические характеристики, является закон скорости горения твердого топлива в высокоскоростном потоке окислителя – воздушного потока. Закон скорости горения определяется параметрами обтекающего воздушного потока. В связи с этим важным этапом при разработке прямоточного двигателя является определение полей температуры, давления и скорости обдувающего потока в проточном тракте. Математическое моделирование динамики и теплообмена в тракте ПВРД позволяет получить информацию о структуре потока, о распределении газодинамических параметров по длине канала. При этом для оценки адекватности разрабатываемых математических моделей необходимо проведение сравнительного анализа численных результатов и экспериментальных данных, полученных на моделях ПВРД.
В настоящей работе представлены результаты экспериментальных исследований моделей ПВРД на аэродинамической установке.
Аэродинамическая труба разработана для получения сверхзвукового и гиперзвукового потока. Основной функцией аэродинамической установки является создание кратковременного сверхзвукового потока газа для проведения аэродинамических и аэрофизических исследований. Гиперзвуковой поток создается с помощью профилированных сопел с диаметром выходного сечения 100 мм. Рабочий газ – воздух. Суммарная масса сжатого воздуха в ресивере составляет 56 кг при давлении 15 МПа. Расход сжатого воздуха – до 5 кг/с. Длительность работы установки зависит от условий испытаний и обычно составляет ~ 3.0 с.
В опытах на плоской и осесимметричной моделях ПВРД с осевой сквозной полостью при обдувании регистрировались температура, статическое и динамическое давление, а также визуализировалась структура течения.
Эксперименты для плоской и осесимметричной моделей двигателя по измерению температуры, давления и визуализации потока воздуха были проведены в диапазонах чисел Маха M = (1…7) и температур торможения набегающего потока в диапазоне Т0 = (20…500) °С. Система предварительного подогрева рабочего газа до 500 °С реализована с использованием подогревателя кауперного типа.
Для определения числа Маха в проточном тракте применялся пневмометрический метод, который заключается в измерении полного и статического давления потока и давления в форкамере [2].
Параметры натекающего потока воздуха – скорость, статическое давление, статическая температура, плотность и число Маха – определяются значениями параметров воздуха в форкамере (параметры торможения) и степенью расширения сопла. Давление в форкамере в процессе испытаний измерялось датчиком давления ДМ 5007А – ДИ У2. В проточном тракте ПВРД устанавливали комбинированный приемник давления, позволяющий измерять одновременно динамическое и статическое давление. Все датчики давления подключены к цифровой регистрирующей системе. При запуске аэродинамической трубы через заданные интервалы времени Δt измерялись амплитуды поступающих от датчиков сигналов.
Анализ визуализированной структуры потока показал, что для исследуемых режимов обтекания в проточном тракте моделей ПВРД развивается течение с набором косых скачков уплотнения.
Полученные на моделях ПВРД экспериментальные данные о структуре и основных параметрах воздушного потока в проточном тракте являются объективной информацией для математического моделирования внутрикамерных процессов.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №15-19-10014).
Литература
1. Орлов Б.В., Мазинг Г.Ю., Рейдель А.Л. и др. Основы проектирования ракетно-прямоточных двигателей для беспилотных летательных аппаратов. М.: Машино-строение, 1967. 424 с.
2. Иров Ю.Д., Кейль Э.В., Маслов Б.Н. и др. Газодинамические функции. М.: Машиностроение, 1965. 399 с.
ЧИСЛЕННОЕ ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ХРУПКИХ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ РАЗНОМ ТИПЕ ОРГАНИЗАЦИИ ПОРОВОГО ПРОСТРАНСТВА
И ВИДАХ НАГРУЖЕНИЯ
NUMERICAL STUDY OF FEATURES OF DEFORMATION AND FRACTURE OF BRITTLE POROUS MATERIALS WITH DIFFERENT PORE SPACE TYPE OF ORGANIZATION AND TYPES OF LOADING
К.С. Матыко 1, И.Ю. Смолин 1,2.
K.S. Matyko1, I.Yu. Smolin 1,2
1Национальный Исследовательский Томский государственный университет,
2Институт физики прочности и материаловедения СО РАН.
1National Research Tomsk State University, 2Institute of strength physics and materials science
matyko.ks@gmail.com
Хрупкие пористые материалы широко встречаются в природе и технике. Одним из представителей данного класса является спеченная керамика на основе нанокристаллических оксидов металлов (в частности, алюминия и циркония). В силу большого разнообразия технологических режимов получения керамики в ее структуре присутствуют поры различных размеров. Именно сочетание механических свойств и параметров поровой структуры материала в значительной степени определяют область его функционального применения (теплозащита, катализаторы, импланты, фильтры). Поэтому одной из актуальных задач является изучение влияния размера и формы пор на механические свойства пористых керамик как экспериментальными, так и численными методами. Важное значение имеет также вид нагружения пористого материала.
В работе численно изучено влияния размера и форм пор на механическое поведение материалов на основе оксида циркония и оксида алюминия при одноосном сжатии и простом сдвиге. Рассмотрено два типа морфологии модельных пористых структур: перекрывающиеся сферические поры и перекрывающиеся сферические тела [1, 2]. Полученные результаты численного моделирования показали довольно хорошее совпадение расчетов с экспериментальными данными для сжатия и сдвига изученных пористых керамических материалов. При уменьшении размеров материальных сфер, составляющих твердый каркас, значения для модуля Юнга и модуля сдвига оказываются ближе к экспериментальным данным. Усредненная диаграмма нагружения является чувствительной не только к значению пористости, но и к морфологии пористой структуры. |
