Статьи журнала - Вычислительная механика сплошных сред

Все статьи: 742

Сравнение общих закономерностей, характерных для структур поверхностных трещин и для напряжений в окрестности вершин пространственных трещин

Сравнение общих закономерностей, характерных для структур поверхностных трещин и для напряжений в окрестности вершин пространственных трещин

Федоров А.Ю., Галкина Е.Б.

Статья научная

Проведено численное моделирование трещин с целью поиска возможной взаимосвязи между параметрами сингулярного поведения напряжений вблизи общей вершины фронтов нескольких трещин разных конфигураций и частотой появления таких конфигураций в картинах, образуемых трещинами на поверхности реальных объектов. С помощью метода конечных элементов построена численная модель расчёта напряжённо-деформированного состояния вблизи пространственных трещин, учитывающая пересечение двух, трёх и четырёх клиновидных трещин, имеющих угол раствора 90°. Описывается разработанный численный алгоритм оценки характера сингулярности напряжений в окрестности особых точек, основанный на выделении из численного решения асимптотики напряжений вблизи этих точек. Алгоритм апробирован на различных типах особых точек в двумерных задачах и на трёхмерной задаче, связанной с определением поведения напряжений в точке выхода на поверхность фронта одиночной пространственной трещины. Продемонстрировано, что предлагаемый алгоритм позволяет рассчитать показатели сингулярности напряжений в общей вершине пересекающихся пространственных трещин. Приводятся результаты расчёта. Для дополнительного сравнения разных модельных конфигураций пересекающихся трещин по значениям средней плотности энергии деформаций вводится малая сфера с центром в общей вершине. Построены зависимости средней плотности энергии деформаций от углов, задающих геометрию пересекающихся пространственных трещин. Отмечаются общие признаки картин, которые образуют трещины на поверхности тел, и зависимостей поведения напряжений в окрестности вершин рассматриваемых конфигураций пространственных трещин.

Бесплатно

Сравнение оптимальных режимов водогазового воздействия в рамках одномерной и двумерной постановок задачи фильтрации

Сравнение оптимальных режимов водогазового воздействия в рамках одномерной и двумерной постановок задачи фильтрации

Андреева Анна Игоревна, Афанасьев Андрей Александрович

Статья научная

Выбросы парниковых газов в атмосферу, в частности углекислого газа (CO2), представляют актуальную проблему для экологии и способствуют глобальному потеплению. Сегодня в качестве решения предлагается технология захоронения СО2 в нефтяных пластах. Это не только может помочь в декарбонизации околоземного пространства, но и содействует увеличению нефтеотдачи. Поскольку СО2 входит в состав газов, сопутствующих нефти, то выпуск в атмосферу попутного газа недопустим, а сжигание пагубно для окружающей среды. Таким образом, закачка газа является выгодной и с экономической, и с экологической точки зрения. В работе проведено сравнение оптимальных режимов водогазового воздействия на нефтяные пласты в рамках 1-D и 2-D композиционного моделирования фильтрации воды, нефти и газа. Критерием оптимальности режимов воздействия служит наибольшая экономическая прибыль, то есть чистая приведенная стоимость - Net Present Value (NPV). Вычислены значения закачанных объемов газа и воды для различных стратегий закачки, при которых величина NPV максимальна. Рассмотрен альтернативный критерий оптимизации - максимальный объем СО2, удерживаемый в пласте. Исследована сеточная сходимость численного решения. Результаты расчетов показали, что оптимальные режимы водогазового воздействия в 1-D и 2-D моделировании качественно совпадают, что позволило считать адекватным применение 1-D расчетов при определении оптимальных стратегий площадной закачки воды и газа.

Бесплатно

Сравнительный анализ влияния вида градиентного члена на поведение пластических решений

Сравнительный анализ влияния вида градиентного члена на поведение пластических решений

Лямина Елена Алексеевна

Статья научная

Исследуется влияние вида поправочных функций на поведение решений по градиентной теории пластичности. Одна из поправочных функций принимается в традиционной форме, а вторая включает пространственные производные от эквивалентной скорости деформации. Основное внимание уделяется различию в качественном поведении решений краевой задачи о расширении сферического сосуда с концентратором напряжений, роль которого играет внутренняя полость малого радиуса. Показано, что решение с использованием новой поправочной функции больше соответствует общим представлениям о влиянии градиентного члена на поведение решений.

Бесплатно

Стационарная и колебательная конвекция бидисперсной коллоидной суспензии

Стационарная и колебательная конвекция бидисперсной коллоидной суспензии

Смородин Б.Л., Черепанов И.Н.

Статья научная

В рамках бидисперсной модели с помощью метода конечных разностей проведено численное моделирование и изучены нелинейная эволюция и свойства двумерных режимов конвекции коллоидной суспензии, возникающих в горизонтальном слое при подогреве снизу. Слой имеет твердые теплопроводные и непроницаемые для суспензии горизонтальные границы. На боковых границах расчетной области используются периодические граничные условия, позволяющие исследовать не только стационарную конвекцию и стоячие волны, но и бегущие волны. Рассматривается случай, когда в состоянии механического равновесия термодиффузионный транспорт и гравитационная стратификация наночастиц направлены противоположно, что является источником оседания тяжелой примеси и возникновения колебательной неустойчивости. При достижении числом Релея некоторого критического значения в слое образуется стоячая волна, которая оказывается неустойчивой. Ее разрушение, сопровождающееся перестройкой полей концентрации наночастиц, приводит к длительному переходному режиму бегущих волн, характеристики которого изучены и проанализированы. Построена бифуркационная диаграмма (зависимость максимальной функции тока от числа Релея), изображающая нелинейные режимы течения жидкости в зависимости от интенсивности нагрева. Показано, что при высокой интенсивности нагрева конвективное перемешивание размывает гравитационную седиментацию наночастиц и приводит к сглаживанию концентрационных неоднородностей. В результате нелинейной эволюции колебательных возмущений устанавливается режим стационарной конвекции, для которого свойственна зеркальная симметрия решений. Устойчивые режимы бегущих волн обнаружены в узкой подкритической области значений числа Релея. Получены поля функции тока, температуры и концентраций примеси малых и больших наночастиц.

Бесплатно

Степенно-логарифмические особенности решения одного класса сингулярных интегральных уравнений плоской теории упругости

Степенно-логарифмические особенности решения одного класса сингулярных интегральных уравнений плоской теории упругости

Андреев Андрей Вячеславович

Статья научная

Рассматривается класс одномерных сингулярных интегральных уравнений (СИУ) с обобщенными ядрами и комплексно-сопряженной неизвестной функцией, описывающий краевые задачи теории упругости в двумерных областях с особыми точками. В рамках теории функций комплексной переменной и на основе аппарата теории специальных функций разработан метод определения особенностей степенно-логарифмического типа в решении интегрального уравнения. С помощью асимптотического анализа характеристической части СИУ задача отыскания показателя степенно-логарифмической особенности решения на конце промежутка интегрирования сведена к группе независимых трансцендентных уравнений относительно этого показателя. Проведен анализ построенных уравнений для комплексного и вещественного показателей особенности, выполнено сопоставление с полученными ранее результатами для классической степенной асимптотики решения. Показано, что степенно-логарифмическая особенность с комплексным показателем может иметь место только в случае, когда краевая задача не разделяется на нормальную и сдвиговую подзадачи, а для вещественного показателя особенности логарифмическое усиление не реализуется в общем случае. Представлены результаты расчетов показателя комплексной степенно-логарифмической особенности для двумерной задачи теории упругости при наличии трещины, выходящей под произвольным углом на границу раздела двух сред.

Бесплатно

Стоячие конвективные волны в слабопроводящей жидкости

Стоячие конвективные волны в слабопроводящей жидкости

Некрасов Олег Олегович

Статья научная

Исследуется влияние постоянного электрического поля на конвективные волновые режимы движения слабопроводящей вязкой несжимаемой жидкости, содержащейся в плоском бесконечном горизонтальном конденсаторе. Жидкость помещена в гравитационное поле и неоднородно нагрета сверх у. На верхней обкладке конденсатора автономно и униполярно инжектируется постоянный заряд. Инжекция является основным механизмом возникновения конвективной неустойчивости, а в присутствии сил плавучести, направленных противоположно силам Кулона, появляются различные нестационарные колебания. Задача рассматривается в полной постановке, то есть учитывается перераспределение электрического поля внутри конденсатора за счет подвижности зарядов в электрическом поле и их конвективного переноса. Ее решение находится численно при помощи явных конечно-разностных схем при двух наборах вертикальных граничных условий: чисто периодических и ограниченно периодических, запрещающих движение жидкости вдоль горизонтали. Во всех случаях конвекция возникает путем прямой бифуркации колебательным образом. При втором наборе условий на границе получается решение, неустойчивое при прочих граничных условиях. При изучении режимов стоячих волн анализируются временные ряды и пространственные распределения физических функций с использованием Фурье-анализа по пространственным гармоникам. Обнаружены стоячие волны (standing waves - SW), в которых отсутствует горизонтальное движение конвективных структур, и модулированные стоячие волны (modulated standing waves - MSW), в которых уменьшение интенсивности волны сопровождается проявлением высшей (второй) пространственной гармоники. Бифуркационная диаграмма движения жидкости дополнена неустойчивыми режимами. Продемонстрирован ряд свойств, общих как для устойчивых, так и для неустойчивых решений.

Бесплатно

Структура течений в лабораторной модели общей циркуляции атмосферы

Структура течений в лабораторной модели общей циркуляции атмосферы

Васильев А.Ю., Попова Е.Н., Сухановский А.Н.

Статья научная

Представлены первые результаты математического моделирования в постановке, приближенной к новой лабораторной модели общей циркуляции атмосферы. Рассматривается вращающийся слой жидкости с малым аспектным отношением при наличии локализованного кольцевого нагревателя, расположенного на периферии дна, и холодильника в форме диска, который находится в центральной части верхней границы слоя. Кольцевой нагреватель имитирует нагрев в области экватора, а холодильник - охлаждение в полярной области. Нагреватель отодвинут от боковой стенки для минимизации ее влияния на формирование течений. В верхней части слоя жидкости реализуются зональные течения (аналоги восточных и западных ветров), характерные для экваториальной области. Получено хорошее качественное согласование экспериментальных и численных результатов. Основной целью проведенных расчетов было определение средней структуры течений в осесимметричном и волновом режимах. Обнаружено, что в осесимметричном режиме реализуется меридиональная циркуляция аналогичная циркуляции Хэдли со сравнительно низким уровнем пульсаций скорости. Увеличение скорости вращения приводит к формированию неустойчивых бароклинных волн и существенному изменению структуры меридиональной циркуляции. Интенсивность и структура бароклинных волновых движений в значительной степени обуславливается интенсивностью нагрева. Впервые показано, что в лабораторной модели при относительно малом значении термического числа Россби возможна реализация меридиональной циркуляции со структурой, подобной общей циркуляции атмосферы, состоящей из аналогов ячейки Хэдли, ячейки Ферреля и полярной ячейки. Это подтверждает перспективность использования новой лабораторной модели общей циркуляции атмосферы для выявления ключевых факторов, определяющих структуру и динамику крупномасштабных атмосферных течений.

Бесплатно

Структура течения вязкопластичной жидкости при заполнении круглой трубы / плоского канала

Структура течения вязкопластичной жидкости при заполнении круглой трубы / плоского канала

Борзенко Евгений Иванович, Шрагер Геннадий Рафаилович

Статья научная

Исследуется течение вязкопластичной жидкости, реализующееся при заполнении круглой трубы/плоского канала в поле силы тяжести с заданным расходом во входном сечении. Сформулирована математическая постановка задачи на основе полных уравнений движения и неразрывности, естественных граничных условий на свободной поверхности и условия прилипания на твердой стенке. Реологическое поведение среды описывается законом Шведова-Бингама, который предполагает наличие в потоке зон квазитвердого движения в областях с малыми скоростями деформаций. Численное решение задачи основано на конечно-разностном подходе, включающем метод контрольного объема и алгоритм SIMPLE (для вычисления полей скорости и давления во внутренних узлах разнесенной сетки) и метод инвариантов (для удовлетворения граничных условий на свободной поверхности). Для осуществления сквозного расчета потока с квазитвердыми ядрами используется регуляризация реологического уравнения. Проанализировано, как основные параметры задачи влияют на поведение свободной границы, структуры и характеристик потока...

Бесплатно

Структурно-механическая модель упруго-пластического поведения мягких магнитных эластомеров

Структурно-механическая модель упруго-пластического поведения мягких магнитных эластомеров

Меленев Петр Викторович, Ковров Владимир Николаевич, Райхер Юрий Львович, Русаков Виктор Владимирович, Степанов Геннадий Владимирович, Полыгалова Лариса Сергеевна, Крамаренко Елена Юльевна

Статья научная

Обсуждается эффект индуцированной пластичности (магнитной памяти формы), присущий полимерным композитам, наполненным многодоменными микрочастицами ферромагнетика. Такой мягкий магнитный эластомер (ММЭ) намагничивается, а частицы приобретают магнитные моменты только при наложении внешнего поля. «Включение» магнитного взаимодействия частиц существенно изменяет структуру ММЭ, поскольку межчастичные магнитные силы намного превосходят высокоэластические силы, связывающие частицы с полимерной матрицей. В материале образуется система кластеров, которая создаёт внутренний механизм сухого трения и тем самым сообщает композиту макроскопическую пластичность. Индуцированное структурирование, а с ним и пластичность исчезают после выключения внешнего поля. В этих условиях упругие силы не испытывают сопротивления и возвращают частицы в положения, которые они занимали до намагничивания: образец из ММЭ «вспоминает» свою начальную форму. Для моделирования упруго-пластического поведения намагниченного ММЭ предложена структурно-механическая модель, которая содержит упругие элементы и узлы, имитирующие сухое трение (элементы Сен-Венана). Модель обоснована с помощью качественного анализа, а затем применена для объяснения ряда экспериментов по циклическому растяжению/релаксации образцов из ММЭ в различных полях. Из сопоставления данных измерений получены оценки параметров структурно-механической модели и показано, что она удовлетворительно справляется с описанием механического отклика намагниченных ММЭ.

Бесплатно

Структурно-скейлинговые переходы и универсальность статистики флуктуаций при пластическом течении металлов

Структурно-скейлинговые переходы и универсальность статистики флуктуаций при пластическом течении металлов

Пантелеев Иван Алексеевич, Наймарк Олег Борисович, Froustey Catherine

Статья научная

Экспериментально наблюдаемая универсальность статистики флуктуаций напряжений пластического течения в кристаллических материалах, обнаруживающая признаки самоорганизованной критичности, анализируется на основе развиваемой концепции структурно-скейлинговых переходов в мезоскопических системах с дефектами. Показана связь универсальности плотности функции распределения (probability density function - PDF) флуктуаций напряжений течения с классами универсальности коллективных мод мезодефектов, определяемых автомодельными решениями автосолитонного (триггерного) типа на спектре пространственных структурных масштабов материала. Установлено, что природной универсальностью может являться динамика коллективных мод мезодефектов, обладающих выраженными длинно-корреляционными взаимодействиями. Экспериментальное изучение неустойчивости пластического течения при пластическом деформировании алюминиевого сплава, стали и армко-железа подтверждает универсальность PDF флуктуаций напряжений течения, аналогичную наблюдаемой для жидкостей в инерционном интервале турбулентности.

Бесплатно

Структурное моделирование развития поврежденности в дисперсно наполненных эластомерных нанокомпозитах с учетом межфазных взаимодействий

Структурное моделирование развития поврежденности в дисперсно наполненных эластомерных нанокомпозитах с учетом межфазных взаимодействий

Соколов Александр Константинович, Гаришин Олег Константинович, Свистков Александр Львович

Статья научная

Проведено компьютерное моделирование процесса развития внутренней поврежденности в эластомерных нанокомпозитах с высокой неоднородностью фаз (жесткий дисперсный наполнитель и мягкая эластомерная матрица). Частицы наполнителя имели такую концентрацию, что их взаимное влияние существенно сказывалось на прочностных свойствах материала. Дисперсные включения считались абсолютно жесткими и прочными. Повреждаться могла только конечно деформируемая несжимаемая матрица, механические свойства которой описывались с помощью неогукового упругого потенциала. В модели принимались во внимание такие особенности композитной структуры, как высокая концентрация напряжений в зазорах между близко расположенными включениями, наличие на поверхности частиц наполнителя эластомерных слоев с повышенной жесткостью, различные условия межфазного контакта (полная адгезия или проскальзывание на границе «матрица-включение»), возможность анизотропного упрочнения при одноосной вытяжке (за счет переориентации молекулярных цепей в направлении действия нагрузки)...

Бесплатно

Теоретические положения метода геометрического погружения в напряжениях

Теоретические положения метода геометрического погружения в напряжениях

Деревянкина Полина Олеговна, Кузнецова Юлия Сергеевна, Труфанов Николай Александрович, Шардаков Игорь Николаевич

Статья научная

Изложены теоретические положения метода геометрического погружения в напряжениях применительно к решению краевой задачи теории упругости изотропного однородного тела с произвольной формой границы. Основная идея метода заключается в построении сходящейся итерационной процедуры, позволяющей получать решение в области сложной пространственной конфигурации как последовательность решений задач в некоторой более простой по форме (канонической) области. Вариационная постановка задачи, полученная в рамках принципа минимума дополнительной работы (принципа Кастильяно), сведена к абстрактной математической проблеме - исследованию одного операторного уравнения с помощью методов функционального анализа. Главные результаты работы состоят в формулировке вида дифференциального представления задачи в канонической области, соответствующего основному вариационному уравнению метода геометрического погружения, задании возможных типов граничных условий на границе канонической области, построении итерационной процедуры метода геометрического погружения в напряжениях, доказательстве теоремы о сходимости итерационного процесса в терминах элементов введенных пространств тензоров напряжений. Для демонстрации метода геометрического погружения рассмотрена модельная задача, имеющая точное решение. С использованием метода конечных элементов в напряжениях для реализации решений задач в канонической области выполнен сравнительный анализ скорости и качества практической сходимости предложенной схемы и традиционного метода конечных элементов в перемещениях, имеющегося в программном комплексе ANSYS.

Бесплатно

Теория нелинейных волн в твердых телах, испытывающих кардинальную перестройку кристаллической структуры

Теория нелинейных волн в твердых телах, испытывающих кардинальную перестройку кристаллической структуры

Аэро Эрон Люттович, Булыгин Анатолий Николаевич

Статья научная

Развита нелинейная теория распространения нелинейных уединенных волн (типа кинков и солитонов), связанных с движением дефектов в кристаллах, и специфических периодических волн, в которые превращаются первые в полях сжимающих напряжений. Учитывается роль и интенсивных растягивающих напряжений, приводящих к глубоким структурным перестройкам кристалла. Принято, что кристаллы обладают сложной решеткой, состоящей из двух подрешеток. Рассмотрены произвольно большие смещения подрешеток. В основу построения нелинейной теории положен дополнительный элемент трансляционной симметрии, характерный для сложных решеток, но ранее не введенный в физике твердого тела. Очевидно, что смещение одной подрешетки относительно другой на один период (или их целое число) до совмещения этой подрешетки с самой собой снова воспроизводит структуру сложной решетки. В результате энергия сложной решетки представляется периодической функцией относительного жесткого смещения подрешеток, инвариантной к подобной трансляции. Вариационные уравнения макроскопических и микроскопических смещений оказываются нелинейным обобщением линейных уравнений акустических и оптических мод, полученных Карманом, Борном, Хуан Кунем. В одномерном приближении найдены точные решения нелинейных уравнений и выявлены их особенности.

Бесплатно

Термоупругопластические процессы с конечными деформациями

Термоупругопластические процессы с конечными деформациями

Роговой Анатолий Алексеевич

Статья научная

В работе используется авторский подход к описанию термоупругопластических процессов. В его основе лежит наложение малых деформаций на конечные. В результате в рамках конечных деформаций удается построить модели сложных сред с учетом особенностей их термоупругопластического поведения, в том числе структурных изменений в материале.

Бесплатно

Течение в жидком металле под действием электромагнитных сил вблизи сферической частицы с отличающейся электропроводностью

Течение в жидком металле под действием электромагнитных сил вблизи сферической частицы с отличающейся электропроводностью

Озерных Владимир Сергеевич, Колесниченко Илья Владимирович, Фрик Петр Готлобович

Статья научная

Рассмотрено течение жидкого металла вблизи сферической частицы, электрическая проводимость которой отличается от проводимости жидкого металла. Цилиндрический сосуд с металлом находится в аксиальном магнитном поле и по нему, соответственно, протекает коллинеарный внешнему полю электрический ток. Если проводимости частицы и жидкости (металла) одинаковы, то электрический ток течет вдоль силовых линий магнитного поля и в системе отсутствуют электромагнитные силы. При разной проводимости линии электрического тока либо стягиваются к частице, либо огибают ее, что свидетельствует о нарушении однородности поля и появлении электромагнитных сил, которые генерируют в жидкости вихревое течение. Течение представляет собой два вихря тороидальной формы, азимутальное движение в которых направлено в противоположные стороны. Полоидальное течение в обоих вихрях формируется так, что жидкость на оси цилиндра всегда смещается по направлению к частице. Показано, что энергия течения быстро растет при отклонении проводимости частицы от проводимости жидкости и выходит на асимптоту, когда различие проводимостей оказывается существенным. Так, при относительной разности проводимостей всего на один процент энергия азимутального течения составляет 40% от значения, соответствующего их несходству на два порядка. При этом 80% этой величины достигается при отличии всего в два раза. Для частицы с пониженной, по отношению к жидкости, электропроводностью эффект проявляется несколько слабее, чем для частицы с повышенной электропроводностью, но в целом же структуры образующихся течений подобны. Во всем диапазоне исследованных значений параметра электромагнитного воздействия течение неустойчиво, имеют место пульсации скорости. По мере увеличения интенсивности магнитного поля тороидальные вихри становятся компактнее, прижимаются к частице, но колебания в жидкости усиливаются и захватывают все больший объем металла вокруг частицы.

Бесплатно

Течение коллоида в горизонтальной ячейке при подогреве сбоку

Течение коллоида в горизонтальной ячейке при подогреве сбоку

Черепанов Иван Николаевич

Статья научная

На основе численного моделирования изучено влияние седиментации на конвективные течения коллоидных жидкостей, заполняющих подогреваемую сбоку горизонтальную ячейку. Решение системы нелинейных уравнений производилось методами конечных разностей с использованием явных схем. Обнаружено три конвективных режима, отличающихся пространственной структурой и поведением во времени. Переход между режимами сопровождается скачком безразмерного теплового потока. Приведены бифуркационные диаграммы режимов конвекции (зависимости интенсивности теплопотока от числа Релея). Показано, что при малом градиенте температуры существует слабое течение коллоидной суспензии, интенсивность которого на несколько порядков ниже течения в однородной жидкости при тех же параметрах. В течении со слабой интенсивностью концентрация перераспределяется так, что градиент плотности становится практически вертикальным, а тепловой поток в направлении поперек слоя при этом отсутствует. Переход от слабого течения к сильному, одновихревому, заполняющему всю ячейку, происходит жестким образом. Для порога перехода от слабого течения к интенсивному получена зависимость от числа Больцмана, характеризующего степень гравитационной стратификации. Еще одно течение - трехвихревое, имеющее промежуточную интенсивность, возникает при уменьшении числа Релея. Для всех обнаруженных типов течений демонстрируются поля функций тока и концентраций.

Бесплатно

Течение нелинейной упруговязкой жидкости в плоском канале под действием заданного градиента давления

Течение нелинейной упруговязкой жидкости в плоском канале под действием заданного градиента давления

Кузнецова Юлия Леонидовна, Скульский Олег Иванович, Пышнограй Григорий Владимирович

Статья научная

Рассмотрено течение нелинейной вязкоупругой жидкости, характеризующейся одним тензорным внутренним параметром, в плоском канале под действием постоянного перепада давления. Получены все точные аналитические решения этой задачи в параметрическом виде, из которых выделены заведомо физически недопустимые. Найдены распределения компонент тензора анизотропии, скорости и градиента скорости по высоте канала для различных параметров реологической модели. Показано, что для значений перепада давления выше критических наблюдается неоднозначность решения, приводящая к разрывам в профилях компонент тензора анизотропии. Та же задача решена в двумерной постановке методом конечных элементов. Анализ численного и аналитического решений показал, что в докритическом режиме результаты хорошо согласуются, а в закритическом режиме аналитическое решение имеет разрывы, тогда как численное решение непрерывно для нормальных составляющих тензора анизотропии и дает заниженные значения продольной скорости в режиме активного нагружения и завышенные - в режиме разгрузки. Напорно-расходные характеристики имеют гистерезисный характер.

Бесплатно

Течение ньютоновской жидкости в смесителях различных конфигураций

Течение ньютоновской жидкости в смесителях различных конфигураций

Борзенко Е.И., Гарбузов Д.Н.

Статья научная

Анализируется течение вязкой несжимаемой жидкости в мешалках со сплошными лопастями и лопастями якорного вида. Сформулирована математическая постановка задачи на основе уравнений Навье-Стокса и неразрывности в плоском приближении. Разработан алгоритм решения на базе метода контрольного объема и корректирующей процедуры SIMPLE. Дискретизация дифференциальных уравнений выполнена с использованием неструктурированных триангулярных сеток, учитывающих геометрические особенности области течения. Выполнены тесты для проверки аппроксимационной сходимости и оценки порядка точности численной схемы, а также с целью верификации оригинальной программы расчета. Параметрические исследования проведены при изменении числа Рейнольдса в диапазоне 0.1-100, который свойственен технологии переработки текучих материалов в промышленных смесителях. Получены распределения кинематических и динамических характеристик потока и продемонстрированы картины течения, особенностью которых является наличие циркуляционных зон в лопастных мешалках разной конфигурации. Выполнены расчеты положения маркерных частиц и эволюции реперных линий, которые дают визуальное представление о процессе и демонстрируют присутствие областей равномерного и неравномерного перемешивания. Введен количественный параметр качества смешения, с помощью которого можно сравнивать друг с другом мешалки разной конфигурации, а также рассматривать процесс смешения во времени. Количественно процесс оценивается по значениям интеграла диссипативной функции, который показывает энергопотребление, и по величине количественного параметра неоднородности распределения маркерных частиц. Последний позволяет более детально изучать процесс перемешивания по объему с течением времени.

Бесплатно

Течение пластического материала между вращающимися плитами: отличительные особенности решения

Течение пластического материала между вращающимися плитами: отличительные особенности решения

Александров Сергей Евгеньевич

Статья научная

Рассматривается течение идеального жесткопластического материала между двумя вращающимися шероховатыми плитами. Находится аналитическое решение поставленной краевой задачи полуобратным методом при стандартных для этого класса задач допущениях. Основной целью работы является изучение качественного поведения решений вблизи линии пересечения двух поверхностей трения. Выполняется сравнительный анализ полученого решения с известными решениями краевых задач, постановка которых также включает две пересекающиеся поверхности трения.

Бесплатно

Течение суспензии твердых частиц в канале с пористыми стенками

Течение суспензии твердых частиц в канале с пористыми стенками

Скульский О.И.

Статья научная

На основе уравнений баланса импульса и массы с привлечением закона Дарси и уравнения для скорости оседания тяжелых частиц поставлена краевая задача нестационарного двумерного течения суспензии. В постановке учитывается влияние седиментации и утечки дисперсионной среды через пористые стенки. Для решения задачи предложена конечно-элементная модель течения суспензии и эволюции распределения концентрации твердых частиц в канале с пористыми стенками. Система дифференциальных уравнений краевой задачи записывалась в форме Галеркина с использованием схемы Кранка-Николсон, дискретизация расчетной области осуществлялась треугольными элементами. Полученная система алгебраических уравнений с ленточной структурой решалась методом Гаусса. Для согласования скоростей основного потока суспензии и скорости фильтрации жидкой фракции через стенки на каждом шаге по времени вводилась итерационная процедура. В качестве примера проведен расчет процесса транспортировки суспензии в плоском канале с оттоком дисперсионной среды через пористые стенки и нестационарным неоднородным распределением концентрации твердых частиц. Вычисления с осуществлялись с помощью оригинального пакета FEM FLOW, результаты выводились в графическом виде. Показано, что с течением времени, за счет утечек дисперсионной среды через пористые стенки, твердые частицы занимают все больший объем, их концентрация в канале повышается, эффективная вязкость растет, продвижение частиц замедляется. Расход суспензии при заданном на входе постоянном давлении падает и спустя некоторое время становится равным общему расходу утечек жидкой фазы через пористые стенки. Продвижение частиц прекращается, и этому моменту соответствует предельная длина заполнения канала частицами.

Бесплатно

Журнал