Содержание Том 23 № 4 2021

Работа посвящена параметрическим исследованиям вынужденного конвективного теплообмена в системе охлаждения энергетической установки замкнутого типа. В основе исследования лежит численное моделирование задачи сопряженного конвективного теплообмена между охлаждаемым воздушным потоком и хладагентом, движущимся по рабочим элементам системы охлаждения в виде оребренных алюминиевых трубок. Моделирование проводилось в открытой интегрируемой платформе OpenFOAM с использованием решателя chtMultiRegionFoam, предназначенного для решения задач сопряженного теплообмена. Проведено подробное исследование прогрева трубки и хладагента при различных скоростных режимах работы теплообменного аппарата. Основные результаты численного моделирования представлены в виде непрерывного распределения температур по газу, трубке и хладагенту и тепловых потоков на границе контакта сред. Исследован характер распределения тепловых потоков по поверхности трубки. Анализ полученных данных показал, что повышение скорости воздушного потока увеличивает прогрев трубки и ее ребер и при длине трубки свыше 25 см необходимо увеличить скорость движения охлаждающей жидкости для поддержания процесса охлаждения по всей длине оребренной трубки. Показано, что максимальное охлаждение газа достигается при средней скорости потока воздуха 2 м/с.

В статье получено точное решение уравнений Навье-Стокса и уравнения несжимаемости. Это решение описывает установившееся изобарическое и градиентное неоднородное сдвиговое течение вязкой несжимаемой жидкости. Движение жидкости при постоянном давлении индуцируется движением нижней границы бесконечного горизонтального слоя жидкости. Неоднородное течение жидкости типа Пуазейля рассматривается при совместном задании постоянного горизонтального градиента давления и скоростей. Сдвиговое изотермическое течение вязкой несжимаемой жидкости описывается переопределенной системой уравнений в частных производных. Точное интегрирование уравнений Навье-Стокса осуществляется в классе Линя-Сидорова-Аристова. Поле скоростей и поле давления являются линейными формами относительно двух координат (горизонтальных или продольных координат). Коэффициенты линейных формы зависят от третьей (вертикальной или поперечной) координаты. Благодаря структуре точного решения, уравнение несжимаемости автоматически удовлетворяется. Таким образом, роль "лишнего" уравнения играет уравнение несжимаемости. Проведен анализ полученного полиномиального точного решения уравнений Навье-Стокса для несжимаемой жидкости. Неоднородное течение типа Куэтта характеризуется полиномом четвертой степени. Для описания модифицированного течения Пуазейля используется полином пятой степени. Исследование локализации корней полинома показало существование немонотонного профиля удельной кинетической энергии с двумя нулевыми значениями. Иными словами, в жидкости регистрируются противотечения.

Статья посвящена анализу возможности применения модели гомогенного газа для корректного численного моделирования процессов сопряженного теплообмена в проточных трактах камеры сгорания твердотопливного ракетного двигателя. Моделирование проводилось на основе метода конечных объемов в рамках модели вязкого теплопроводного сжимаемого газа в открытой интегрируемой платформе OpenFOAM. Исследовалось корректность учета только конвективных потоков при расчете распределений коэффициента теплоотдачи. Анализ полученных данных показал, что применение допущения о гомогенности состава продуктов сгорания при исследовании внутренней газодинамики и теплообмена в дозвуковых областях КС РДТТ корректно и оправдано.

Предложен способ оценки пористости слоев мезопористого кремния (мезо-ПК) из спектров отражения в области видимого и ближнего ИК-излучения на основе интерференционного метода с установленной толщиной пленки мезо-ПК и использования известной в литературе диаграммы пористость – бездисперсионный показатель преломления пористого кремния. Показано, что для расчета бездисперсионного показателя преломления необходимо использовать только пики максимумов и минимумов в интерференционной картине в диапазоне длин волн (450-900 нм). На основе спектров отражения образцов мезопористого кремния (мезо-ПК) с интерференционными особенностями в видимом и ближнем ИК-диапазоне и толщин по данным СЭМ-изображений  их  поперечных сколов проведена оценка значений показателей преломления. Обнаружено, что картины интерференции в слое мезо-ПК наблюдаются в ограниченном диапазоне толщин и со слабо развитой морфологией. В диапазоне толщин слоев пористого кремния до 6.5 мкм пористость возрастает при увеличении плотности тока анодирования и сохранении времени анодирования. При пористости слоя мезо-ПК ниже 20 % и значительных шероховатостях при толщине слоя мезо-ПК от 14.2 мкм и выше в спектрах отражения в видимом и ближнем ИК-диапазоне интерференционные особенности не появляются.  

В работе исследованы тонкие полимерные плёнки, полученные в плазме паров адамантана на поверхности железа. Определены толщина, морфология, химический состав плёнок, поверхностная энергия и физико-механические свойства: твёрдость; приведённый модуль упругости; параметр упругого восстановления; податливость; работа, затрачиваемая на упругую и пластическую деформацию. Показано, что физико-механические свойства полученных плёнок близки к свойствам образцов полиэтилена высокого и низкого давления.

Изучены температурные зависимости кинематической вязкости расплавов тернарных систем Co₈₁(B,Si)₁₉ и Co₇₅(B,Si)₂₅. Политермы жидких сплавов, полученные в режимах нагрева и охлаждения, совпадают и хорошо описываются экспоненциальным уравнением Аррениуса. По политермам построены концентрационные зависимости вязкости тернарных систем для квазибинарных срезов Сo₈₁B₁₉-Co₈₁Si₁₉ и Сo₇₅B₂₅-Co₇₅Si₂₅ при фиксированных температурах. Изотермы вязкости квазибинарных срезов близки к аддитивной сумме значений вязкости бинарных сплавов с небольшим положительным отклонением. Проведены расчеты концентрационных зависимостей динамической вязкости расплавов систем Сo₈₁B₁₉-Co₈₁Si₁₉ и Сo₇₅B₂₅-Co₇₅Si₂₅ по семи уравнениям, основанным на данных о термодинамических свойствах расплава и/или физических свойствах его компонентов. Для обеих систем наилучшее совпадение с экспериментальными данными показывает уравнение Козлова-Романова-Петрова.

В работе рассматривается методика получения объёмных материалов из электропроводящих порошков, основанная на методе послойного точечного электроимпульсного спекания. С помощью предложенного метода были получены объёмные образцы из порошков различного химического состава (Cu, Ti, механосплавленная оловянная бронза) и частиц различной формы (дендритная, гантелевидная, осколочная). С помощью рентгеновской дифракции, электронной микроскопии и измерений микротвёрдости были изучены структурно-фазовые состояния и пористость полученных консолидированных материалов. 

Предложена двумерная модель объемного синтеза композита из чистых элементов с добавлением инертных частиц. Учитывается нагрев стенок реактора тепловым излучением от устройства, температура которого изменяется по заданному закону. Химические реакции описаны суммарной схемой, которая соответствует синтезу интерметаллида Ni₃Al из стехиометрической смеси порошка 3Ni+Al. Кинетический закон учитывает замедление реакции слоем продукта. Эффективные теплофизические свойства смеси в реакторе зависят от свойств исходных компонентов и объемной доли инертных частиц. Задача решена численно. Установлено, что изменение температуры и степени превращения в этих условиях не всегда соответствует классическому тепловому взрыву. Это связано с условиями сопряженного теплообмена. Показано, что неоднородное распределение температуры в порошковом компакте является важным фактором, определяющим динамику процесса. Изменение доли инертных частиц в прессовке неоднозначно влияет на динамику синтеза.

Методами рентгеноструктурного анализа, оптической и электронной микроскопии исследована микроструктура образцов сплава эвтектического состава Al₈₆Ni₆Co₄Gd₂Tb₂, полученных в зависимости от высокого давления (3, 5 и 7 ГПа). Температура закалки 1500 °С, скорость охлаждения расплава 1000 град/с. Полученные образцы однородные, плотные, структура мелкокристаллическая с высокими прочностью и твердостью. При давлениях 5-7 ГПа в сплаве отмечено формирование новых фаз: Al₃(Gd/Tb)* (по типу Al₃U), со структурой примитивного куба (сP4/2) с параметром решетки а = (4.285±0.002) Å и Al₈(Ni/Co)₄Gd* (по типу Al₈Cr₄Gd) с тетрагональной структурой (tI26/1) с параметрами а = (8.906±0.003) Å и с = (5.150±0.003) Å.

В статье рассмотрены вопросы теоретического описания решеточного вклада в теплопроводность металлов на примере алюминия. Проведен численный анализ решеточной теплопроводности, опирающийся на метод неравновесной молекулярной динамики. Получена температурная зависимость коэффициента решеточной теплопроводности алюминия, согласующаяся с результатами первопринципных расчетов при высоких температурах. При низких температурах получено значение коэффициента температуропроводности близкое по значению к экспериментальным результатам, знание которого позволяет вычислить фононную теплопроводность.