Марчуков Е.Ю., Мухин А.Н., Лепешинский И.А., Решетников В.А., Кучеров Н.А. «Экспериментальное исследование смесительного устройства форсажной камеры газотурбинного двигателя» Известия РАН. Механика жидкости и газа, № 4, с. 3-10 (2022)

Изучаются процессы формирования топливно-воздушной смеси в форсажной камере газотурбинного двигателя. Эксперименты проводятся на элементе смесителя с двухфазным рабочим телом, содержащим ряд отверстий, выполняющих роль струйных форсунок. Исследовано влияние соотношения расхода жидкости к расходу газа, которое пропорционально коэффициенту избытка воздуха, на работу смесителя. Установлено, что наличие возрастающего поля давления вдоль канала смесителя приводит к неравномерным расходам жидкости и газа по форсункам и параметрам распыла.

Вертгейм И.И., Закс М.А., Сагитов Р.В., Шарифулин А.Н. «Неустойчивости, бифуркации и нелинейная динамика в двумерных обобщениях течения Колмогорова» Известия РАН. Механика жидкости и газа, № 4, с. 11-25 (2022)

Рассматривается семейство двумерных течений вязкой несжимаемой жидкости в плоской прямоугольной области с периодическими граничными условиями (двумерный тор). Течения вызваны силой, периодической по двум пространственным координатам и постоянной по времени. В частном случае гармонической зависимости силы от одной координаты и отсутствия осредненного течения реализуется известное течение Колмогорова. В общем двумерном случае численно изучены структурные перестройки стационарных решений уравнений Навье–Стокса, определены области устойчивости в пространстве определяющих физических и геометрических параметров – чисел Рейнольдса, амплитуд силы, пространственных размеров ячейки периодичности. Выяснено, что в квадратной области, сторона которой равна пространственному периоду внешней силы, основное стационарное течение сохраняет устойчивость при изменении амплитуды силы и чисел Рейнольдса. Напротив, в ячейках, в стороны которых укладывается несколько периодов силы, изменение параметров дестабилизирует стационарное течение. Исследованы стационарные и автоколебательные нелинейные вторичные режимы течения. Обсуждается влияние нестационарности на лагранжеву динамику: механизмы перехода к хаотической адвекции пассивных частиц зависят от соизмеримости чисел Рейнольдса, характеризующих осредненное течение во взаимно перпендикулярных направлениях.

Крашенинников С.Ю., Семенёв П.А. «Анализ характеристик пульсационного движения в турбулентной струе в процессах смешения и шумообразования» Известия РАН. Механика жидкости и газа, № 4, с. 26-40 (2022)

На основе известных экспериментальных данных анализируются особенности динамических процессов в пульсационном движении в слое смешения дозвуковой турбулентной струи. Анализ построен на основании известного соотношения для порождения турбулентности в однородном градиентном потоке (без учета вязкости), с использованием экспериментальных данных о безразмерных распределениях осредненных параметров, характеризующих значения скорости и интенсивности пульсаций в плоском слое смешения. Рассматривается также возможность определения свойств слоя смешения турбулентной струи с привлечением анализа индуцируемого струей течения. Показано, что расширение слоя смешения определяется отношением значения корреляции пульсаций продольной и поперечной скорости к общей интенсивности пульсаций. Для определения основных характеристик рассматриваемого течения необходимо учесть динамическое взаимодействие струи и внешней среды, обусловленное понижением статического давления в слое смешения. При этом интенсивность пульсаций скорости связана с индуцируемым втеканием в струю и может быть определена. На основании анализа процесса понижения статического давления в струе подтверждены характерные размеры крупномасштабных неоднородностей в пульсационном движении в слое смешения, создающих акустические возмущения.

Губайдуллин Д.А., Панин К.А., Федоров Ю.В. «Акустика жидкости с покрытыми оболочкой каплями при наличии фазовых переходов» Известия РАН. Механика жидкости и газа, № 4, с. 41-51 (2022)

Выведено модифицированное уравнение Рэлея–Ламба, учитывающее радиальные колебания покрытой вязкоупругой оболочкой капли жидкости, в центре которой находится пузырек пара, и находящейся в вязкоупругой среде. Для малых колебаний включения решена задача тепломассообмена между паром, жидкой фазой, оболочкой и несущей жидкостью. Найдено уравнение энергии. На основе полученных уравнений радиальных колебаний включения, энергии и известного волнового уравнения для пузырьковой жидкости определено дисперсионное соотношение. Для смеси жидкости с покрытыми оболочкой каплями додекафторпентана C₅F₁₂ и октафторпропана C₃F₈ с пузырьками пара в центре построены зависимости фазовой скорости и коэффициента затухания от частоты возмущений. Проиллюстрировано влияние фазовых переходов, оболочки включений и упругой несущей фазы на динамику акустических волн. В частном случае проведено сравнение теории с известными экспериментальными данными.

Калиниченко В.А. «Колебания жидкости в сосуде с треугольным основанием» Известия РАН. Механика жидкости и газа, № 4, с. 52-59 (2022)

Обсуждаются результаты экспериментов по возбуждению стоячих поверхностных гравитационных волн в призматическом сосуде с поперечным сечением в виде треугольника. Принципиальным отличием от волновых движений жидкости в прямоугольном сосуде является отсутствие пространственной симметрии профиля максимального развития и увеличение высоты стоячей волны к вершине клиновидного сосуда. Для описания эксперимента используются численно-аналитическая модель длинных волн в сосуде переменной ширины и линейная модель стоячих волн в цилиндре с основанием в виде кругового сектора с малым центральным углом.

Булатов В.В., Владимиров И.Ю. «Внутренние гравитационные волны от осциллирующего источника возмущений в стратифицированной среде с двухмерными сдвиговыми течениями» Известия РАН. Механика жидкости и газа, № 4, с. 60-68 (2022)

Рассмотрена задача о генерации внутренних гравитационных волн локализованным гармоническим источником возмущений в стратифицированной среде с двухмерными линейными сдвиговыми течениями. В предположении постоянства частоты плавучести получены интегральные представления решений при выполнении условия устойчивости Майлса–Ховарда. Исследованы свойства спектральной задачи при малых волновых числах. Для различных линейных распределений сдвиговых течений приведены результаты численных расчетов дисперсионных кривых и фазовых картин возбуждаемых волновых полей. Показано, что учет двухмерности сдвиговых течений является причиной заметной асимметрии как дисперсионных кривых, так и линий равной фазы. Численно изучена трансформация фазовых картин полей внутренних гравитационных волн в зависимости от параметров генерации.

Стурова И.В. «Задача Коши–Пуассона для жидкости со сдвиговым течением и неравномерно сжатым ледяным покровом» Известия РАН. Механика жидкости и газа, № 4, с. 69-76 (2022)

В линейном приближении решена трехмерная нестационарная задача о генерации изгибногравитационных волн, вызванных начальным осесимметричным возмущением жидкости, на поверхности которой плавает безграничный ледяной покров, моделируемый тонкой упругой пластиной с учетом продольных, поперечных и сдвиговых сжимающих усилий. В невозмущенном состоянии обе горизонтальные компоненты скорости жидкости линейно меняются по глубине. Получено интегральное представление решения, описывающего поведение ледяного покрова.

Голубятников А.Н., Украинский Д.В. «Одно точное решение об обжатии полости в вязкой теплопроводной сжимаемой среде» Известия РАН. Механика жидкости и газа, № 4, с. 77-85 (2022)

Представлено частично сферически-симметричное точное решение уравнений динамики теплопроводной среды с термодинамическими уравнениями состояния совершенного газа, для которой тензор вязких напряжений произвольным образом зависит от тензора скоростей деформаций. Предполагается однородность скоростей деформаций и давления, а также отсутствие ускорения, тогда уравнения движения тождественно удовлетворяются. В результате разделения переменных в уравнении притока тепла для зависимости плотности от лагранжевых координат получено трехмерное уравнение Пуассона. Его решение моделирует обжатие в данной среде области существенно переменной плотности, например, в случае полной сферической симметрии пузырька или капли. Возможны и не сферические поверхности уровня плотности. Течение может происходить из состояния покоя с конечной массой среды за счет движения сжимающего сферического поршня. Исследованы степенные неньютоновские жидкости. Вычислена энергия среды и представлено ее поведение в окрестности момента сжатия в точку.

Крайко А.Н., Шаповалов В.А. «Плоские и осесимметричные тела, обтекаемые с наибольшими "критическими" числами Маха» Известия РАН. Механика жидкости и газа, № 4, с. 86-95 (2022)

Строятся двумерные (плоские и осесимметричные) тела, которые при ряде дополнительных ограничений обтекаются идеальным (невязким и нетеплопроводным) газом с наибольшими "критическими" числами Маха М*. Если число Маха набегающего потока M₀0=M* равенство M=1 выполняется хотя бы в одной точке потока, а при M₀>M* появляются сверхзвуковые зоны, в общем случае с образованием ударных волн и волновым сопротивлением, растущим с ростом M₀. Как известно, максимальные M* реализуют двумерные конфигурации, при обтекании которых потоком с M₀=M* часть их контуров – отрезки звуковых линий тока. Тривиальными примерами таких конфигураций служат не возмущающие течение пластина под нулевым углом атаки и отрезок прямой ("осесимметричная игла") в равномерном потоке с M≈M₀!=M*≈1. Отнесенная к квадрату фиксированной хорды площадь их продольного сечения S=0. Если в дополнение к длине хорды задать площадь S>0, то критические контуры таких тел составят передний и задний торцы и соединяющие их без изломов верхняя и симметричная нижняя звуковые линии тока. При S→0 высота торцов стремится к нулю, M₀ и M* стремятся к единице и получаются тривиальные решения. Чтобы при S>0 избавиться от практически неизбежных отрывов за телами, построенными в предположении безотрывного обтекания, вводится ограничение на величину угла наклона контуров их кормовых частей. В результате вместо задних торцов появляются наклонные прямолинейные отрезки, и плоская критическая конфигурация становится симметричным профилем крыла. При принципиальной простоте структуры двумерных критических конфигураций известные методы их построения весьма сложны. Численные "инструменты", примененные в данном исследовании, оказались более простыми. В их основе лежат генетический алгоритм "прямой" оптимизации с представлением искомых отрезков звуковых линий тока кривыми Бернштейна–Безье и процедура установления с интегрированием уравнений течения идеального газа модифицированной схемой Годунова повышенного (на гладких решениях) порядка аппроксимации. Ранее эти инструменты развивались и применялись авторами и их коллегами при построении широкого круга оптимальных аэродинамических форм.

Колесников А.Ф., Кузнецов Н.Т., Муравьева Т.И., Нагорнов И.А., Сахаров В.И., Севастьянов В.Г., Симоненко Е.П., Симоненко Н.П., Чаплыгин А.В., Щербакова О.О. «Исследование теплообмена керамики на основе HfB₂–SiC в недорасширенных струях диссоциированного азота и анализ поверхности» Известия РАН. Механика жидкости и газа, № 4, с. 96-107 (2022)

На индукционном ВЧ-плазмотроне ВГУ-4 (ИПМех РАН) проведены эксперименты по теплообмену в недорасширенных сверхзвуковых струях высокоэнтальпийного азота с образцами керамики на основе HfB₂–SiC. Для условий экспериментов в сверхзвуковых режимах численным методом в рамках уравнений Навье–Стокса и упрощенных уравнений Максвелла выполнено моделирование течений плазмы азота в разрядном канале плазмотрона и обтекания недорасширенными струями диссоциированного азота цилиндрической державки с образцом керамики. Из сопоставления экспериментальных и расчетных данных определен возможный диапазон значений эффективного коэффициента гетерогенной рекомбинации атомов азота на поверхности керамики (при температуре 2000°C в зависимости от ее интегральной излучательной способности). Изучены микроструктура, элементный и фазовый составы поверхности образца керамики состава HfB₂–SiC, а также модифицированного двумя объемными процентами графена образца керамики HfB₂–SiC–G после воздействия на них сверхзвукового потока частично диссоциированного азота.

Vineeth V.K., Patel D.K. «Сравнительный анализ характеристик вихревого следа за машущим крылом, совершающим колебания различного типа» Известия РАН. Механика жидкости и газа, № 4, с. 108-133 (2022)

Выполнено сравнение характеристик следа за специально спроектированным крыловым профилем, совершающим угловые, вертикальные и смешанные (вертикально-угловые) колебания. Влияние параметров махового движения исследовано при постоянном числе Рейнольдса Re_c=2640 в диапазоне чисел Струхаля St_A, вычисленных по амплитуде, 0.1≤St_A≤0.4. Возникновение завихренности над и под профилем зависит от первоначального направления движения профиля и остается одним и тем же для всех типов рассмотренных машущих колебаний. Рассмотрена эволюция вихрей на передней и задней кромках. Вертикальные колебания профиля сильнее влияют на характеристики вихря на передней кромке. След за профилем, совершающим смешанные вертикально-угловые колебания, в основном определяется угловыми колебаниями при St_A<0.24 и вертикальными колебаниями при St_A>0.24. Расчеты силовых характеристик показывают, что существования одной лишь обратной дорожки Кармана недостаточно, чтобы развить тягу на профиле. На характеристики следа существенным образом влияет периодическая компонента пульсаций скорости. Приведены данные по анизотропному полю напряжений, развивающемуся вокруг профиля вследствие периодических пульсаций скорости. При помощи собственно ортогонального разложения идентифицированы когерентные структуры, развивающиеся в следе, и выполнено качественное сравнение этих структур для различных типов машущих колебаний. Перенос энергии от машущего крыла в поток жидкости максимальный в случае вертикальных колебаний, далее следуют смешанные и, наконец, угловые колебания.

Koca F., Ozturk A. «Экспериментальное исследование влияния полукруглого спирального выступа на турбулентное обтекание цилиндра» Известия РАН. Механика жидкости и газа, № 4, с. 134-150 (2022)

Экспериментально методом измерения скорости по изображениям частиц (PIV-метод) исследуется влияние полукруглых спиральных выступов на поверхности кругового цилиндра на структуру течения. На основе измерений скорости по изображениям частиц в канале длина основной части цилиндра определена в 440 мм. Структуры выступов в виде одного витка спирали (p=440 мм), двух витков (p=220 мм) и четырех витков (p=110 мм) формируются за счет изменения числа шагов p полукругов на поверхности цилиндра. Структура потока исследована в шести разных плоскостях в соответствии с положением спирали. Исследования проводились при числе Рейнольса, равном 10000, которое определено по средним значениям скорости жидкости в канале, измеренной по изображениям частиц, и диаметру основной части цилиндра D. Найдены осредненные во времени линии тока ≤ψ>, средняя кинетическая энергия турбулентности k(), среднеквадратичное значение (RMS) продольной скорости U_rms, среднеквадратичное значение поперечной скорости V_rms и сдвиговые напряжения Рейнольдса . Число Струхаля вычислялось на основе частот дорожки Кармана. Можно сделать вывод, что спиральные выступы на цилиндре уменьшают колебания, вызванные вихрем.