МГТУ им. Н.Э. Баумана (статьи)

Предложен вариант метода асимптотического осреднения композиционных материалов с термоупругими характеристиками, позволяющий вычислять эффективные коэффициенты линейного теплового расширения (КЛТР) композитов. Сформулированы локальные задачи термоупругости на ячейке периодичности (ЯП) композитов. Дана вариационная формулировка задач термоупругости на ЯП, для численного решения которых применен метод конечных элементов. Для программной реализации этого метода использован программный комплекс, разработанный в Научно-образовательном центре «Симплекс» и на кафедре «Вычислительная математика и математическая физика» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Представлены примеры численного решения локальной задачи термоупругости для композиционного материала на основе керамических волокон и полимерной матрицы. Рассчитаны эффективные КЛТР композиционных материалов с пространственным расположением керамических волокон и полимерной матрицей при различных температурах. Показано, что наличие процессов термодеструкции полимерной матрицы при высоких температурах приводит к немонотонной зависимости КЛТР от температуры. Предложенный алгоритм позволяет вычислять КЛТР композитов практически с произвольными структурами армирования волокнами и матрицами, претерпевающими физико-химические превращения при высоких температурах. В отличие от большинства известных приближенных методов расчета КЛТР разработанный метод дает возможность находить точные в математическом смысле значения этих коэффициентов.

Работа посвящена моделированию сопряженных процессов обтекания потоком холодного воздуха и теплообмена между потоком и корпусом воздухозаборной решетки с противообледенительной системой нагрева. Моделирование осуществляется с помощью программного комплекса Sigma, разработанного на кафедре «Вычислительная математика и математическая физика» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Проведено параметрическое численное исследование режимов обтекания и теплообмена при различных скоростях и температурах потока, в результате которых определены мощности системы обогрева, обеспечивающие поддержание температуры корпуса решетки в заданном режиме. Разработанная методика и результаты численного моделирования могут быть использованы для проектирования противообледенительных систем, в том числе для морских судов, эксплуатирующихся в арктических условиях.

Разработана методика численного моделирования газодинамических параметров факела ракетной двигательной установки на твердом топливе. Показано, что численный метод расчета обеспечивает достаточно высокое качество результатов моделирования: он позволяет выявлять «тонкую» структуру газодинамических характеристик факела. Установлено, что в газодинамическом факеле продуктов горения возникает сложная многоскачковая картина течения, образованная системой трех типов взаимопересекающихся скачков: ударной волны, образующейся на границе раздела спутного потока и продуктов горения в факеле, скачка, обусловленного углом раскрыва сопла, ограничивающего внешнюю границу факела, и скачка, обусловленного разностью плотности продуктов горения на срезе сопла и невозмущенного потока. Приведены примеры численного моделирования распределения газодинамических параметров в факеле ракетного твердотопливного двигателя.

Сформулирована постановка сопряженной задачи аэрогазодинамики, внутреннего тепломассопереноса и термопрочности теплозащитных конструкций гиперзвуковых летательных аппаратов. Предложен метод численного решения этой задачи, основанный на введении двух временных масштабов — «медленного» времени, соответствующего характерному времени распространения тепла в конструкции оболочки летательного аппарата, и «быстрого» времени, соответствующего характерному времени установления внешнего аэродинамического потока. Представлены примеры численного решения сопряженной задачи аэрогазодинамики и термопрочности элементов теплозащитных конструкций перспективного летательного аппарата. Показано, что вследствие высоких температур аэродинамического нагрева конструкций из полимерных композиционных материалов в них может происходить терморазрушение из-за термодеструкции полимерной фазы и образования интенсивного внутреннего газообразования в материалах конструкции.

Одно из преимуществ применения электромеханических передач в трансмиссиях транспортных машин заключается в возможности рекуперации кинетической энергии. Цель исследования — оценка возможности рекуперации кинетической энергии в быстроходных гусеничных машинах для ее последующего преобразования в движение. Предметом исследования является работа внешних и внутренних сил сопротивления, на преодоление которых затрачивается эффективная мощность двигателя при движении гусеничной машины. Выполнены расчеты рекуперируемой энергии для конкретных условий и с учетом совокупности дорожно-грунтовых условий.

Математическое моделирование процесса отрывного обтекания осесимметричных тел осуществлено на базе концепции вязко-невязкого взаимодействия. Рассмотрены умеренные дозвуковые скорости и режимы течения, на которых линия отрыва потока близка к контуру донного среза. Для численного моделирования процесса обтекания тел использован метод дискретных вихрей. Изучено осесимметричное обтекание цилиндрического тела с головной частью оживальной формы как при наличии, так и при отсутствии хвостовой сужающейся части. Результаты численного расчета распределения давления вдоль образующей осесимметричного тела с сужающейся конической хвостовой частью сопоставлены с экспериментальными данными. Для цилиндрических тел с оживальной головной частью, но не имеющих хвостовой части, представлены результаты численного исследования распределения скорости и давления на обтекаемой поверхности.

Представлены результаты теоретического исследования процессов тепломассопереноса при охлаждении синтез-газа, получающегося после парциального сжигания метана. Быстрая закалка синтез-газа необходима для предотвращения выпадения сажи на стенках реактора. В предлагаемой схеме охлаждения отвод теплоты от продуктов конверсии метана осуществляется путем впрыска капель воды в объем камеры охлаждения, расположенной после горелочного устройства. В двухскоростном двухтемпературном приближении выведена замкнутая система уравнений аэродинамики, тепломассопереноса синтез-газа и капель. Оценка эффективности капельного способа охлаждения проведена на основе одномерной системы уравнений аэродинамики и тепломассопереноса парокапельной среды. Представлены результаты расчетов для различных режимов работы системы охлаждения.

Представлены результаты численного моделирования рабочего процесса в ракетном двигателе нового типа на криогенном твердом топливе (КТТ), которое содержит горючее и окислитель при температуре ниже их температуры плавления. Математическая модель рабочего процесса базируется на полной системе уравнений Навье – Стокса для газа и уравнениях тепло- и массопереноса для твердого топлива, записанных в нестационарной осесимметричной форме. Расчеты выполнены для КТТ кислород + водород и кислород + метан. Рассмотрены дисковая и матричная схемы расположения топливных элементов канального заряда и проанализировано влияние их размеров на протекание рабочего процесса. Сделан вывод о невозможности реализации устойчивого горения топлива кислород + водород в данных условиях, однако показано, что использование топлива кислород + метан дает возможность реализации устойчивого рабочего процесса в камере сгорания и управления скоростью преобразования компонентов топлива путем задания определенной внутренней структуры КТТ. Рассмотрены также особенности рабочего процесса в гибридном ракетном двигателе принципиально нового класса на криогенном топливе, один из компонентов которого находится в жидком, а другой — в твердом агрегатном состоянии.

Проведено обширное численное моделирование воздействия пары высокоскоростных поражающих элементов на открытый заряд ВВ. Описаны характерные особенности протекания ударноволновых процессов, порождаемых взаимодействием вызванных поражающими элементами ударных волн в толще заряда. Показано, как могут быть связаны геометрические параметры данных процессов с переходом к детонации.

Предложен численный метод решения сопряженной задачи аэрогазодинамики и внутреннего теплообмена в конструкциях перспективных гиперзвуковых летательных аппаратов. Метод основан на итерационном решении трех типов самостоятельных задач: задачи газодинамики для идеального газа, задачи динамики вязкого газа в рамках полных динамических уравнений Навье – Стокса для 3-мерного пограничного слоя и уравнения теплопроводности для оболочки летательного аппарата. Предложены алгоритмы численного решения этих задач в криволинейных неортогональных координатах. Представлены результаты моделирования обтекания гипер звукового летательного аппарата и проведено сравнение результатов по температуре для случая адиабатической стенки и с учетом теплообмена между газом и стенкой, показавшее важность его учета при проектировании теплозащиты аппарата.

С помощью программного комплекса Flow Vision, предназначенного для пространственных расчетов течений жидкости и газа, выполнено моделирование работы вихревого турбостартера для дизельного двигателя на номинальной частоте вращения при различных перепадах давления. Получены расчетные поля скоростей и зависимость крутящего момента от перепада давления, хорошо согласующаяся с результатами соответствующих экспериментов.

Предложена методика автоматизированного габаритного расчета систем переменного увеличения, состоящих из произвольного числа подвижных и неподвижных компонентов. Методика предусматривает разложение законов перемещения компонентов по базисным функциям с последующим определением коэффициентов разложения.

Изложены аспекты взаимодействия влетающих с гиперзвуковой скоростью кометных тел с атмосферой планеты. Предложен численный алгоритм и приведены результаты исследований обтекания сферических метеорных тел в условиях разрушения. Определены важнейшие газодинамические параметры в ударном слое.

Предложена математическая модель, предназначенная для анализа вибрационного сверления глубоких отверстий ружейными сверлами с управляемой промежуточной опорой. Показана принципиальная возможность поддержания режима резания с сегментной стружкой c помощью рассматриваемой схемы сверления. Указаны технологические и конструкционные параметры, при которых возможна реализация режимов прерывистого сверления.

В работе построена математическая модель ротора насосного агрегата НМ3600–230 с учетом нелинейности упругой реакции подшипников качения, нелинейности реакции щелевого уплотнения и податливости корпусов подшипников. Методом Ньютона найдены периодические движения ротора — прямая синхронная прецессия. Исследовано влияние технологических погрешностей и работы на неоптимальном режиме на характеристики прецессионных движений.

Разработан численный алгоритм расчета нестационарного движения провода линии электропередачи с произвольным поперечным сечением. Аэродинамические нагрузки вычисляются в N отдельных сечениях провода методом вихревых элементов в предположении, что обтекание каждого сечения является плоскопараллельным. Разработанная программа использует технологию MPI и позволяет проводить расчеты на различных многопроцессорных вычислительных системах.

Представлен алгоритм численного решения контактной задачи взаимодействия вязкоупругих тел с помощью альтернирующего метода Шварца. Алгоритм основан на конечно-элементной технологии. Для определения компонент тензора деформации ползучести использованы явная и неявная схемы Эйлера.

Предложена модель упругопластического деформирования композиционных материалов с пространственной структурой армирования, основанная на методе асимптотического усреднения. Приведено численное решение локальных задач деформационной теории пластичности на базе метода упругих решений с переменными модулями упругости с применением метода конечных элементов. Предложен метод расчета эффективных упругопластических характеристик композитов. Приведены результаты решения задачи о напряженно-деформированном состоянии композитов с ортогональной 3D-структурой армирования в соответствии с теорией пластичности Ильюшина.

Реализована гидродинамическая трехмерная глобальная климатическая модель, включающая блоки атмосферы, термохалинной крупномасштабной циркуляции океана, морского льда. Рассмотрена процедура организации совместных расчетов модели океана и модели общей циркуляции атмосферы. Проведены исследование гистерезиса Атлантической термохалинной циркуляции и моделирование перехода к режиму оледенения при уменьшении солнечной постоянной.