Механика процессов высокоэнергетического воздействия на вещество в приложениях к технологиям создания новых материалов и конструкций

Целью исследования является развитие междисциплинарных направлений науки и техники с целью получения прорывных технологий для создания новых функциональных материалов, конструкций, устройств и агрегатов, востребованных в современном машиностроении. Создание новых технологий получения функциональных материалов и конструкций при высокоинтенсивном воздействии на прекурсоры термическими (плазма, лазерное излучение) и динамическими (высокоскоростной удар, детонация) методами. Развитие методов диагностики и математического моделирования гетерогенных (многофазных) потоков и материалов с целью создания новых материалов и технологий для перспективных транспортных средств. 1. Впервые проведено моделирование (ANSYS Fluent) условий холодного газодинамического напыления, когда нагретая газовая струя с частицами напыляемого материала, истекающая из основного сопла Лаваля, сдувается холодной газовой струей, истекающей из дополнительного сопла, для разделения двухфазного потока на поток газа и поток частиц. Показано, что частицы порошка отклоняются от заданного направления на значительно меньший угол, чем струя газа. Проведены эксперименты и получена дорожка напыления со смещенным участком покрытия. Результаты моделирования и экспериментов согласуются. 3. Поведено исследование воздушной плазменной атомизации стали. Газовая атомизация является основным способом производства металлических порошков. Однако, с развитием различных технологий все более ужесточаются требования к характеристикам порошков, в частности к распределению частиц по размеру. В связи с этим необходимо модифицировать и разрабатывать новые способы производства порошков. В работе проведено исследование одного из них – плазмоструйной атомизации и получены обнадеживающие результаты по управлению процессом и характеристиками получаемых порошковых материалов. 2. Проведено численное моделирование кристаллизации стального расплава модифицированного полидисперсными наночастицами TiN сферической формы при импульсном высокоэнергетическом индукционном нагреве поверхности. Показано, что основную роль в образовании мелкодисперсной структуры играет константа скорости роста. При ее понижении до 10-4 м/(с К) при любом содержании в расплаве наночастиц-инокуляторов в центре зоны расплава размер образующихся зерен очень мал. При ее повышении до 10-3 размер зерен постепенно увеличивается, при этом зависимость от концентрации инокуляторов также имеет место. 3. Разработанная для метода прямого статистического моделирования в программе SMILE++ одностадийная модель поверхностной рекомбинации была модифицирована для применения в осесимметричных расчетах с использованием схемы радиальных весов. При применении схемы радиальных весов распределение модельных частиц по области будет более равномерным, что позволяет сократить ресурсозатратность расчетов. 4. Исследована система двух пересекающихся под прямым углом каналов-волноводов, повторяющая параметры акусто-конвективного сушильного устройства ИТПМ СО РАН. Течение в системе моделируется в трёхмерной нестационарной постановке в Ansys Fluent. Для исследования выбран глубокий резонатор Гартмана-Шпренгера. В начальный момент в форкамеру подаётся воздух под давлением P1-3 = 6; 7; 8 атм., в результате чего формируется сверхзвуковая струя с нерасчётностью n1-3 = 3,4; 4,4; 5,1, соответственно. На стенках системы задается либо постоянное значение температуры 293 °K в изотермическом случае, либо условие нулевого теплового потока в адиабатическом случае. Определена полная газодинамическая картина течения в тракте биканального волновода при разных нерасчётностях струи в двух вариантах граничных условий. В изотермическом случае значения температуры у торца достигают 500 К, в адиабатическом торец резонатора прогревается до 810 К. Максимальные значения температуры в изотермическом случае зафиксированы на значительном расстоянии (до трёх калибров резонатора) от торца, в адиабатическом случае максимум находится в непосредственной близости от стенки (0,3 калибра). Амплитуда теплового колебания при адиабатических стенках внутри резонатора выше, чем в изотермическом случае, в частности в окрестности торца на 150 К. 5. В имеющийся трёхмерный код для численного решения уравнений Эйлера в обобщенных криволинейных координатах с детальными химическими моделями была добавлена возможность использовать простейшую одностадийную необратимую модель химической кинетики. Это позволило продолжить исследование предельных режимов детонации (спиновые, галопирующие) и провести трёхмерное численное моделирование не только в прямоугольных, но и в круглых каналах. Необходимость изучения предельных режимов обусловлена их важностью для проблем взрывобезопасности (угольные шахты, развивающаяся водородная энергетика) и для обеспечения стабильной работы новых типов двигателей, использующих детонационное горение. В качестве дальнейших шагов видятся, во-первых, повышение разрешения расчётов с целью разрешить и исследовать форму фронта вращающейся ДВ и поперечные возмущения на ней, а во-вторых, исследование влияния вязкости и теплопроводности на течение в детонационном двигателе. 6. Проведены предварительные исследования влияния концентрации водяного пара и температуры стенок горелки на процессы смешения, самовоспламенения и стабилизацию горения в условиях истечения в затопленное пространство круглой струи холодного водорода, окруженной кольцевой струей влажного воздуха. Выполнен подробный обзор. Моделирование проведено в условиях эксперимента Cheng et all, (1992) на основе осредненных по Фавру уравнений Навье-Стокса, дополненных k-ω SST моделью турбулентности и детальным кинетическими механизмами горения водорода в воздухе, состоящим из 1 и 37 реакций. Расчеты выполнены в нестационарной двумерной осесимметричной постановке с использованием решателя, основанного на давлении. Получены мгновенные поля числа Маха, статической температуры и массовой доли OH в продольном сечении струи. Показано, что вдоль оси струи образуются локальные дозвуковые зоны, которые способствуют воспламенению, зоны с высокой статической температурой, в которых происходит самовоспламенение смеси. В дальнейшей работе будет проведена верификация расчетов на экспериментальных данных и исследование влияния температуры стенок на процессы, происходящие в потоке. Расчеты с разными кинетическими механизмами (приведёнными и детальными) горения водорода в воздухе помогут уточнить расчетный алгоритм. 7. Проведено предварительное исследование применительно к численному моделированию обтекания капсулы спускаемого аппарата Экзомарс. Методом Монте-Карло были проведены численные расчеты с помощью программного комплекса SMILE++ обтекания сферы при заданных значениях числа Маха и числа Кнудсена и непосредственно вычислен коэффициент сопротивления в условиях характерных для спуска космического аппарата в атмосфере Марса. Полученные значения сравнивались со значениями, вычисленными по аппроксимирующим формулам Хендерсона и Мелоша. Было установлено, что расчеты по формуле Хендерсона дают ошибку порядка 10–20 %. Формула Мелоша показывает лучшее совпадение, для чисел Маха до 3 и чисел Kn < 10, ошибка составляет всего 2,5%. Модель применима и для больших значений, но показывает меньшую точность.