Тукмаков Д.А. «Численное моделирование колебаний газа с частицами в акустическом резонаторе для газа с монодисперсными частицами» Волны и вихри в сложных средах: 13 международная конференция – школа молодых ученых; 30 ноября–02 декабря 2022 г., Москва: Сборник материалов школы, с. 253-255 (2022)

Одним из разделов физики сплошных сред явятся механика жидкости и газа предметом исследования, которой являются всевозможные течения газообразных, жидких сред или же смесей. В механике жидкости и газа широко используются как методы математического моделирования, так и методики проведения физических экспериментов. Сложной задачей является описание и моделирование течений неоднородных по своим механическим и физико-химическим свойствам. В частности, течений аэрозольных сред, встречающихся в практических приложениях. В горной и химической промышленности, а также энергетике технологические процессы используют аэрозольные потоки. Для осаждения дисперсной компоненты аэрозоля применяется воздействие акустических полей. В настоящее время в литературе применяется несколько подходов к моделированию динамики смесей компоненты, в которых имеют различное агрегатное состояние. Равновесный подход, предполагающий описание смеси как однородной среды, параметры которой определяются наличием дисперсной компоненты. Диффузионный подход предполагает описание непрерывности плотности для каждой из компонент смеси и описание сохранения импульса и энергии для всей смеси в целом. В континуальном подходе динамика каждой компоненты описывается полной гидродинамической системой с учетом взаимодействия каждой из компонент с остальными. Скоростная и тепловая неоднородность смеси наиболее существенно выражена в смесях, в которых компоненты имеют близкую массовую долю. В данной работе применяется математическая модель, описывающая поля скорости и температуры у каждой из компонент смеси. Работа посвящена моделированию колебательных процессов в акустическом резонаторе. Движение аэрозоля описывается континуальной моделью динамики неоднородных сред, учитывающей обмен импульсом и теплом между компонентами смеси. Несущая среда моделировалась как вязкий, сжимаемый и теплопроводный газ.

Волков Г.Ю., Мелихов В.И., Мелихов О.И., Якуш С.Е. «Численное исследование фрагментации струи методом VOF» Волны и вихри в сложных средах: 13 международная конференция – школа молодых ученых; 30 ноября–02 декабря 2022 г., Москва: Сборник материалов школы, с. 65-68 (2022)

При развитии аварий на атомных электростанциях в некоторых случаях возможно образование смеси высокотемпературного расплава с водой, что может привести к паровому взрыву, создающему угрозу целостности конструкций реакторной установки и защитной оболочки. Образование такой смеси происходит при струйном вливании расплава в воду или, наоборот, при струйном вливании воды в расплав. В обоих случаях происходит фрагментация струи и последующее перемешивание образующихся фрагментов с несущей средой. Первый вариант может иметь место при тяжелых авариях с плавлением материалов реактора с водяным теплоносителем (ВВЭР, PWR). Второй вариант может реализоваться при разрыве теплообменной трубки парогенератора реактора со свинцовым теплоносителем типа БРЕСТ, когда высокоскоростная струя воды, находящейся под давлением порядка 20 МПа, будет истекать в объем парогенератора, заполненный жидким свинцом при давлении порядка 1 МПа. Характеристики образующейся дисперсной смеси, в первую очередь её дисперсный состав, будут в значительной степени определять возможность парового взрыва этой смеси и его энергетический потенциал; поэтому анализу фрагментации струи в условиях, характерных для аварий на АЭС, уделяется значительное внимание.. Фрагментация струи расплава представляет собой сложный гидродинамический процесс, в ходе которого возникающие по поверхности раздела возмущения быстро растут, их форма эволюционирует, в результате с поверхности струи срываются фрагменты, движущиеся в несущей среде. На эту гидродинамику накладываются процессы теплообмена между струей и окружающей жидкостью, которые приводят к кипению относительно холодной воды на поверхности горячего расплава, образованию паровой пленки и отдельных пузырьков пара вблизи струи. Суперпозиция гидродинамических и тепловых процессов затрудняет применение аналитических средств исследования и диктует необходимость экспериментальных методов исследования и численного моделирования. В настоящей работе выполнено численное исследование методом VOF (Volume of Fluid) фрагментации струи жидкости при её проникновении в пространство, занимаемое другой жидкостью. Был использован программный код OpenFOAM с открытым исходным кодом. Рассмотрены случаи проникновения струи расплава в объем, занимаемый водой, и струи воды в объем, занимаемый расплавленным свинцом. Проведенное численное исследование продемонстрировало возможности метода VOF моделировать процесс фрагментации струи жидкости при её проникновении в объем, занимаемый другой жидкостью. Выполненный анализ фрагментации струи расплава в воде и фрагментации струи воды в расплаве показал, что в обоих рассмотренных случаях, важных с практической точки зрения, возможно образование двухфазной смеси, которая способна произвести паровой взрыв.

Жиленко Д.Ю., Кривоносова О.Э. «Имитационное моделирование спектров атмосферной турбулентности в численных и лабораторных экспериментах» Волны и вихри в сложных средах: 13 международная конференция – школа молодых ученых; 30 ноября–02 декабря 2022 г., Москва: Сборник материалов школы, с. 114-117 (2022)

Для крупномасштабных течений в атмосфере Земли характерны вращение и сферическая геометрия. В данной работе рассматривается прямое численное моделирование турбулентности в сферическом течении Куэтта, представляющего собой изотермическое течение вязкой несжимаемой жидкости в зазоре между концентрически расположенными сферическими границами. Течение вызвано вращением этих границ вокруг общей оси. Цель исследования – качественная имитация некоторых свойств атмосферной турбулентности на примере турбулентных течений во вращающихся сферических слоях. Математическое моделирование данной задачи проводится на основе системы уравнений Навье–Стокса и неразрывности.

Лопато А.И. «Математическое моделирование инициирования детонации при отражении ударной волны от профилированного торца канала» Волны и вихри в сложных средах: 13 международная конференция – школа молодых ученых; 30 ноября–02 декабря 2022 г., Москва: Сборник материалов школы, с. 155-157 (2022)

Процессы формирования и распространения детонационных волн представляют интерес в разных областях, включая вопросы пожаро-взрыво-безопасности в объектах и помещениях разного типа. К таким объектам можно отнести тоннели, штольни, а также бункеры и шахты, представляющие собой систему разветвленных путей. Условия для воспламенения газовых смесей и распространения волн горения и детонации зависят от многих факторов, включая геометрию конструкций, свойства материалов, внешние воздействия на систему. Другими словами, инициаторами детонации могут выступать разные объекты. Объектами инициирования могут выступать так называемые “горячие точки” – области газа повышенного давления и температуры. Воспламенение газовых смесей в горячих точках может приводить к воспламенению смеси, находящейся вблизи горячих точек. При определенных условиях происходит формирование детонационных волн, которые затем распространяются в пространстве. Источником возникновения горячих точек могут служить элементы конструкций. Процесс инициирования смеси при отражении относительно слабой ударной волны от криволинейного торца канала рассматривался ранее. В работе представлена зависимость времени воспламенения смеси от числа Маха набегающего на торец потока для разных конфигураций торцов. Кроме того, отмечены критические числа Маха, ниже которых инициирования детонации не происходит в рабочей камере ударной трубы. Целью работы является математическое моделирование инициирования смеси в канале с профилированным торцом.

Маркова Н.В., Дымова О.А. «Влияние региональной вихревой и бассейновой динамики на формирование противотечений в северо-восточной части Черного моря» Волны и вихри в сложных средах: 13 международная конференция – школа молодых ученых; 30 ноября–02 декабря 2022 г., Москва: Сборник материалов школы, с. 170-173 (2022)

Результаты численного моделирования и данные натурных наблюдений подтверждают существование в Черном море глубоководных течений, направленных противоположно поверхностной циркуляции. Эти противотечения носят нерегулярный характер, наблюдаются вдоль материкового склона на глубинах от 200–300 до 1000–1600 м, а их размеры по ширине варьируют в пределах нескольких километров. Протяженность противотечений вдоль побережья может составлять от 200 до 700 км, а скорость достигать до 7–15 см/с. К основным механизмам генерации подобных противотечений в Мировом океане относят совместный эффект бароклинности и рельефа дна, разворот вдольбереговых течений вследствие увеличения нормального к берегу градиента плотности, а также генерацию вихрями. Наиболее часто глубоководные противотечения Черного моря обнаруживаются в районе северо-восточной части материкового склона, однако однозначного объяснения причин их формирования пока не предложено. Целью настоящей работы является исследование условий образования противотечений вблизи северокавказского побережья на основе анализа имеющихся данных.

Мухутдинова А.А., Киреев В.Н., Урманчеев С.Ф. «Численное моделирование блокирующего эффекта термообратимой композиции в канале испытательного стенда» Волны и вихри в сложных средах: 13 международная конференция – школа молодых ученых; 30 ноября–02 декабря 2022 г., Москва: Сборник материалов школы, с. 186-188 (2022)

Рассматривается течение аномально термовязкой несжимаемой жидкости в кольцевом канале, на внутренней и внешней поверхностях которого задан конвективный теплообмен с окружающей средой согласно закону Ньютона–Рихмана. Течение жидкости происходит под действием постоянного перепада давления.

Пахомов М.А. «Влияние дисперсной фазы на структуру вихревого течения и турбулентность при течении газокапельного потока в оребренном канале» Волны и вихри в сложных средах: 13 международная конференция – школа молодых ученых; 30 ноября–02 декабря 2022 г., Москва: Сборник материалов школы, с. 204-206 (2022)

Проведено численное исследование локальной структуры, турбулентности и теплопереноса в плоском канале при испарении капель воды в газовом потоке с использованием эйлерова подхода. Показано, что структура турбулентного двухфазного течения претерпевает существенные изменения в сравнении с течением двухфазного потока в плоском канале.

Сиваков Н.С., Якуш С.Е. «Численное исследование взаимодействия движущейся капли высокотемпературного расплава с водой» Волны и вихри в сложных средах: 13 международная конференция – школа молодых ученых; 30 ноября–02 декабря 2022 г., Москва: Сборник материалов школы, с. 223-227 (2022)

Путем численного моделирования взаимодействия движущейся капли расплава с водой методом VOF проанализировано влияние скорости капли на параметры, характеризующие паровой взрыв. Показано, что в результате взаимодействия происходит два основных схлопывания парового пузыря, отличных по своей природе, но приводящих к существенной фрагментации капли расплава. Важно отметить, что результаты зависят не только от скорости капли, но и в значительной степени от формы парового пузыря в момент прихода импульса давления.

Слюняев А.В. «Когерентные нелинейные группы волн на поверхности воды: динамика, статистика, обнаружение» Волны и вихри в сложных средах: 13 международная конференция – школа молодых ученых; 30 ноября–02 декабря 2022 г., Москва: Сборник материалов школы, с. 228-230 (2022)

Интригующая проблема аномально высоких морских волн («волн-убийц») находится в центре внимания многочисленных исследований. Подход к изучению этого сложного природного явления с помощью прямого численного моделирования (Direct Numerical Simulation, DNS) нерегулярных волн стал популярным благодаря высокой производительности современных компьютеров и усовершенствованным математическим моделям и численным алгоритмам. Потенциальные уравнения Эйлера хорошо подходят для моделирования создаваемых ветром гравитационных волн на поверхности моря. Они могут решаться с помощью существующих численных алгоритмов во много раз быстрее, чем уравнения Навье–Стокса и спектральные уравнения Захарова, что позволяет моделировать эволюцию больших ансамблей волн с учетом эффектов сильной нелинейности. На небольших временах (десятки минут) эффектами вязкой диссипации можно пренебречь; эпизодические обрушения волн часто учитывают посредством параметризации. Наиболее интересными представляются нелинейные механизмы генерации «волн-убийц», связанные с образованием долгоживущих паттернов когерентных волн.

Снытников В.Н., Пескова Е.Е., Стояновская О.П. «Численная модель теплопереноса в двухтемпературной среде газ–наночастицы при лазерной конверсии метана» Волны и вихри в сложных средах: 13 международная конференция – школа молодых ученых; 30 ноября–02 декабря 2022 г., Москва: Сборник материалов школы, с. 231-232 (2022)

Одним из перспективных направлений решения задачи прямой переработки метана в этилен и водород является лазерный катализ. Ключевая идея этого направления состоит в создании двухтемпературной реакционной среды, в которой каталитические наночастицы имеют более высокую температуру, чем реакционный газ. Как результат, на поверхности нагретых частиц происходит активация метана и синтез промежуточных соединений, а их дальнейшее превращение протекает в газовой среде. Для лазерного катализа необходим такой массо- и теплоперенос в среде, при котором превращения получаемых целевых продуктов определяются температурой газовой фазы, а не дисперсных частиц. Двухтемпературному состоянию среды противодействует процесс тепловой релаксации при теплообмене между газом и частицами, интенсивность которого тем выше, чем меньше размер частицы. С другой стороны, чем меньше размер частицы, тем больше каталитических центров активации метана на поверхности при заданном в среде массовом содержании катализатора из наночастиц. Поэтому для создания двухтемпературной среды с управляемым химическим процессом целесообразно использовать нанодисперсные частицы, а для поддержания их температуры, отличной от температуры газа - лазерное излучение, которое поглощается твердой фазой. Необходимые условия для реализации прямой переработки метана в ценные продукты на основе этой идеи исследуются экспериментально в Институте катализа им. Г.К. Борескова СО РАН на стенде лазерного катализа. Математическая модель газа и частиц в дозвуковом потоке многокомпонентного газа с излучением включает уравнение неразрывности для каждой компоненты газа, уравнение неразрывности для каждой фракции частиц, уравнение движения для газа и частиц, уравнение энтальпии смеси газа и частиц и уравнение для интенсивности излучения. Система дополнена уравнением состояния для смеси идеальных газов.

Нестерчук Г.А., Смирнов А.Л., Филиппов С.Б. «Собственные колебания цилиндрической оболочки с крышкой. II. Анализ спектра» Вестник Санкт-Петербургского университета. Серия 1: Математика. Механика. Астрономия, 10, № 2, с. 334-343 (2023)

С помощью численных и асимптотических методов исследуются низшие собственные частоты и формы колебаний конструкции, состоящей из замкнутой круговой цилиндрической оболочки с присоединенной к ней концевой крышкой, имеющей форму пологого сферического сегмента. Выделены три типа собственных колебаний конструкции. Собственные частоты и формы колебаний первого типа, близкие к частотам и формам колебаний пологой сферической оболочки, исследованы в предыдущей работе. В данной работе изучаются формы и частоты второго (цилиндрическая оболочка) и третьего (консольная балка с грузом) типов колебаний. Решается оптимизационная задача об определении значений параметров конструкции, относительной толщины ее элементов и кривизны концевой крышки, при которых минимальное значение собственной частоты максимально. Сравнение асимптотических и численных результатов, полученных при помощи метода конечных элементов, обнаруживает их хорошее совпадение.

Лущик В.Г., Макарова М.С., Решмин А.И. «Численное моделирование управления турбулентным потоком на входе в трубу с целью ламинаризации течения» Известия РАН. Механика жидкости и газа, № 1, с. 81-96 (2023)

Рассмотрены различные способы ламинаризации течения в трубе путем управления осредненными и турбулентными параметрами течения. Для численного моделирования течений с нарастанием и вырождением турбулентности предлагается использовать трехпараметрическую RANS-модель турбулентности, показавшую хорошие результаты при моделировании существующих экспериментов по ламинаризации. Расчеты для трех вариантов входных устройств с разными профилями скоростей и одинаковой мелкомасштабной турбулентностью на входе показывают возможность достижения ламинаризации течения в трубах при числах Рейнольдса Re>10000. Из трех рассмотренных вариантов входных устройств наиболее эффективным является вариант с организацией коаксиального течения с меньшей скоростью в центральной области и большей в пристеночной области. В такой конфигурации ламинаризация происходит вплоть до числа Рейнольдса Re*=16000. Показано, что в этом случае уменьшение интенсивности турбулентности и ее масштаба приводит к еще большему значению Re*.

Калюлин С.Л., Модорский В.Я. «Численное моделирование обледенения при вибрациях аэродинамического профиля» Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника, № 72, с. 100-110 (2022)

По сравнению с исследованиями процессов обледенения конструкции без обтекания газодинамическим потоком исследований с обтеканием аэродинамического профиля существенно меньше. Из них большая часть – без вибраций, тогда как исследования при воздействии вибраций, посвященные описанию механизмов образования льда при вибрациях для различных амплитуд и частот, обнаружить не удалось. В настоящей статье представлены результаты численного моделирования обледенения аэродинамического профиля с учетом его вибрации по гармоническому закону, описаны механизмы обледенения при различных виброскоростях, показано влияние вибраций на массу ледяных наростов. Выявлены зависимости коэффициента отношения скорости набегающего газодинамического потока к виброскорости KV от массы льда. Показано, что при низких частотах превалирует эффект «прилипания» льда к стенкам аэродинамического профиля, а при повышении частот – эффект «стряхивания». Вибрации могут не только снижать массу льда, но и повышать ее. Исследование действия вибраций аэродинамического профиля на обледенение позволит учесть и при необходимости изменить диапазон собственных и вынужденных частот элементов конструкции. При постоянных виброскоростях, близких к скорости набегающего потока, при повышении частоты колебания от 2 до 60 кГц и соответствующим снижением амплитуды масса льда сначала увеличивается на 50–80%, а потом снижается на 15–25% относительно режима «без вибраций». Ключевые слова: обледенение, аэродинамический профиль, вибрации, численное моделирование, суперкомпьютер, виброскорость, авиационный двигатель, ледяной нарост, распределение толщины льда, механизм облеленения.