Статьи журнала - Вычислительная механика сплошных сред
Все статьи: 703
Численное моделирование аэродинамики стандартного коллектора тумана
Статья научная
Сбор тумана - альтернативный, активно развивающийся в настоящее время способ получения воды, охватывающий как естественные, так и промышленные источники влажного воздуха. Система сбора основана на создании потоку тумана препятствия при помощи сеточного материала. В результате движения капли воды сталкиваются с волокнами сетки, слипаются и сливаются в желоб. В общих характеристиках таких систем эффективность аэродинамического сбора является определяющей. Данная статья направлена на углубление фундаментальных знаний об аэродинамическом поведении водных аэрозолей во время сбора тумана. Для этого авторами разработана вычислительная модель аэродинамики стандартного коллектора тумана, в которой объединены масштабы, различающиеся на четыре порядка. Каждое волокно сетки рассматривается по отдельности с точностью до 0,1 мм. Коллектор содержит двухслойную сетку и имеет в длину и ширину несколько метров. Получены зависимости эффективности аэродинамического сбора от коэффициента затенения и определены их максимальные значения при скорости набегающего потока 3-7 м/с. Показано, как изменится величина эффективности, если в расчете использовать скорость потока до или после коллектора либо полное давление. Перепад полного давления имеет точные границы и не зависит от места измерения около коллектора. Рассчитано векторное поле скоростей в коллекторе, и выполнен анализ угла падения потока на всей поверхности сетки. При безразмерном расстоянии между слоями сетки 50 и более эффективность аэродинамического сбора остается постоянной и вектор скорости имеет одинаковое направление относительно поверхности слоев. При этом поток туманного воздуха перпендикулярен второму слою сетки в центре стандартного коллектора тумана, а ближе к его краю сохраняет угол падения на первый слой.
Бесплатно
Статья научная
В работе рассмотрены две задачи для дозвуковых турбулентных струй. В первой из них для числа Маха М = 0,75 и числа Рейнольдса Re = 1⋅106 определялись аэродинамические характеристики струи при истечении из модельного дозвукового сопла, исследуемого в рамках европейского проекта JEAN (Jet Exhaust Aerodynamics And Noise). Во второй задаче рассчитывалась генерация шума струей, истекающей из модельного конического сопла (М = 0,9; Re = 1,6⋅106). Обе задачи решены с помощью параллельного газодинамического программного пакета GHOST CFD, разрабатываемого авторами. Процесс истечения струй описывался уравнениями Навье-Стокса для совершенного газа в криволинейной системе координат методом конечных разностей на многоблочных структурированных расчетных сетках. Для минимизации отражений от внешних границ расчетной области использовался специальный поглощающий слой. При вычислении пространственных производных в пакете применялись схемы 4-го порядка аппроксимации с улучшенными диссипативными и дисперсионными характеристиками (схемы типа DRP - Dispersion Relation Preserving). Интегрирование по времени выполнялось по схеме Рунге-Кутты 4-го порядка аппроксимации (LDDRK - Low Dispersion and Dissipation Runge-Kutta), также имеющей улучшенные диссипативные и дисперсионные свойства. Моделирование турбулентности осуществлялось методом крупных вихрей с релаксационной фильтрацией. Расчетная сетка в обеих задачах содержала около 12 млн. ячеек. Расчеты проводились на графических процессорах, производительность которых на порядок превышает производительность многоядерных центральных процессоров, что позволило более чем в 10 раз уменьшить время счета. Результаты для средней скорости сопла JEAN показали хорошее соответствие экспериментальным данным. Пульсационная составляющая осевой скорости вдоль оси имела несколько заниженное относительно эксперимента максимальное значение, но была сопоставимой с результатами других авторов. Для конического сопла найденное звуковое давление сравнивалось как с экспериментальными данными, так и с величинами, найденными на более подробной сетке в коммерческом пакете ANSYS Fluent. Вычисленные в GHOST CFD значения хорошо согласовались как с экспериментом (в пределах 3-4 Дб для широкого диапазона частот), так и с данными, рассчитанными на более подробной сетке в ANSYS Fluent. При этом для расчета в пакете GHOST CFD требовалось меньшее время.
Бесплатно
Статья научная
Представлено численное решение задачи исследования устойчивости компрессорной лопатки, колеблющейся в дозвуковом потоке воздуха. Использованы две методики определения устойчивости лопаток к флаттеру: энергетический подход (вычисление работы газа над лопаткой за один период колебаний) и прямое численное моделирование (решение сопряжённой задачи). Расчёты проведены в трёхмерной постановке в системах ANSYS CFX и ANSYS Mechanical 13-й версии. Для учета перемещения поверхностей лопаток используется подвижная расчётная сетка, деформируемая на каждом шаге по времени при помощи пользовательской процедуры.
Бесплатно
Статья научная
Предлагается численная методика решения задачи больших упругопластических деформаций трехмерных тел на базе метода конечных элементов. Используется оригинальный вариант мультипликативного разложения градиента деформации. Определяющие соотношения и закон пластического течения формулируются в терминах логарифмов главных удлинений и имеют скалярный вид. Решение задачи основывается на шаговом нагружении с итерационным уточнением. Строятся необходимые при расчете соотношения для среды Мизеса. Разделение упругих и пластических деформаций осуществляется путем интегрирования по неявной схеме Эйлера уравнений пластического течения. Приводится числовой пример.
Бесплатно
Статья научная
Проведено численное моделирование влияния аксиально симметричного вращающегося магнитного поля на процесс тепло- и массопереноса при выращивании полупроводникового кристалла Ga:Ge с использованием AHP – Axial Heating Process. Получены данные о структуре течения, распределении примеси в расплаве и ее сегрегации в кристалле в зависимости от температурных граничных условий и интенсивности приложенного магнитного поля. Показано, что температурные условия на погруженном нагревателе оказывают существенное влияние на массоперенос в расплаве и, как следствие, на сегрегацию примеси в выращенном кристалле. Продемонстрировано, что приложение вращающегося магнитного поля малой интенсивности способно уменьшить радиальную сегрегацию примеси в кристалле.
Бесплатно
Статья научная
В работе исследовано влияние однородного высокочастотного осевого магнитного поля на процесс выращивания полупроводникового монокристалла. Описан алгоритм моделирования нестационарного процесса выращивания кристалла вертикальным методом Бриджмена в условиях земной гравитации. В качестве примера рассмотрен полупроводниковый материал германий, легированный галлием, выращиваемый в графитной ампуле конечной толщины, имеющей плоское дно. Распределение температуры вблизи внешней стенки ампулы задавалось тангенциальной функцией. Моделировалось влияние осевого высокочастотного магнитного поля на течение и тепло-, массоперенос в расплаве, а также на распределение примеси в выращенном кристалле. Расчеты показали, что осевое высокочастотное магнитное поле подавляет конвективные течения, прогиб фронта увеличивается с увеличением интенсивности магнитного поля, а перемешивание расплава ослабевает.
Бесплатно
Статья научная
Проведено комплексное численное моделирование внутрикамерных процессов, протекающих при выходе на расчётный режим работы ракетного двигателя твёрдого топлива. Рассматривается сопряжённая задача, включающая в себя: - нестационарное срабатывание воспламенительного устройства; - прогрев, воспламенение и последующее нестационарное горение заряда твёрдого топлива; - нестационарное трёхфазное гомогенно-гетерогенное течение продуктов сгорания в камере сгорания, сопле и за сопловым блоком ракетного двигателя; - разгерметизацию двигателя и вылет заглушки соплового блока. Приводятся результаты расчётов.
Бесплатно
Численное моделирование выпускной трубы двигателя с системой активного шумоподавления
Статья научная
Изучается выпускная труба двигателя внутреннего сгорания с системой активного шумоподавления. Предложено поместить в выпускную трубу двигателя дополнительный контролируемый источник звука, противоположного по фазе звуковым волнам, идущим от двигателя. В качестве такого источника рассмотрена круглая пластинка, совершающая вращательные колебания с заданной частотой и амплитудой. Для описания состояния газа использована модель идеального газа. Численное исследование движения сжимаемого газа проведено c помощью Realizable k-ε модели турбулентности. Моделирование источника добавочного звука, создаваемого заслонкой, осуществлено прямым методом, основанным на учете изменения положения заслонки на каждом шаге по времени. Движение заслонки реализуется путем применения скользящей сетки, для этого вокруг заслонки создается сферический сегмент сетки, который вращается в ходе расчетов. Изучено влияние размеров заслонки и параметров входящей звуковой волны на работу системы активного шумоподавления двигателя внутреннего сгорания. Получены зависимости амплитуды колебаний статического и полного давлений на выходе из системы шумоподавления от амплитуды и радиуса колеблющейся заслонки. Проведены вычислительные эксперименты при различных значениях радиуса выхлопной трубы, а также исследована роль расширительной камеры, находящейся перед заслонкой. Расчеты показали, что предложенная система активного шумоподавления способна уменьшить уровень шума двигателя на 10 дБ, при этом с увеличением радиуса заслонки эффективность системы повышается. Однако в то же время растет и уровень аэродинамического сопротивления, которое система шумоподавления оказывает потоку газа, что может стать причиной снижения мощности двигателя.
Бесплатно
Численное моделирование вязкоупругого поведения наполненных вулканизатов
Статья научная
В работе рассматривается численная реализация определяющих соотношений вязкоупругой модели сплошной среды. Модель описывает поведение наполненных вулканизатов в случае конечных деформаций. Используются аддитивное разложение тензора скоростей деформации, а также понятия макро- и структурного уровней деформирования. Гиперупругость связующего полимерного композита вводится соотношениями, построенными на базе обобщённой модели полимерной цепи в трубке. Реологические свойства представляются в виде дифференциальных соотношений. Опробованы различные виды слагаемого в потенциале свободной энергии, отвечающего за релаксационные свойства. Предложена зависимость коэффициента вязкого течения от параметров среды и внутренних тензорных переменных. Оценено соответствие результатов численного моделирования данным экспериментов на одноосное циклическое нагружение наполненных вулканизатов.
Бесплатно
Численное моделирование генерации кратных гармоник группой плазмонных наночастиц
Статья научная
Рассматривается теоретическая (математическая) модель нелинейных плазменных колебаний в металлических наночастицах. Основное уравнение движения выводится из принципа наименьшего действия и дополняется уравнением неразрывности, следующим из вариационной и дифференциальной формулировок закона сохранения заряда. Наличие необратимых процессов учитывается путем встраивания в функционал действия диссипативной функции полиномиального вида. Из анализа структуры уравнения Эйлера-Лагранжа выводится выражение тензора напряжений системы «электронный газ - ионный остов». Приводится формулировка начальной краевой задачи для системы нелинейных интегро-дифференциальных уравнений, описывающих динамику электронного газа. С использованием конечно-разностной аппроксимации разработаны итерационный метод и алгоритм решения этой задачи. С их помощью исследуются эффекты генерации нечетных кратных гармоник (третьей и пятой) электромагнитного поля группой металлических наночастиц, облучаемых монохроматическим источником. Показывается необходимость присутствия слагаемых высших порядков разложения в структуре диссипативной силы для обеспечения устойчивости движения электронного континуума. Получены оценки параметра функции плотности, гарантирующего устойчивую генерацию. Данные оценки сопоставляются с аналогичными, следующими как из теории электронного строения атомов металлов, принадлежащих первой группе периодической системы, так и из теории Друде.
Бесплатно
Численное моделирование движения клиновидного двухмассового виброробота в вязкой жидкости
Статья научная
В работе рассматривается поступательное движение двухмассовой механической системы, помещенной в вязкую несжимаемую жидкость. Система состоит из замкнутого клиновидного цилиндрического корпуса и подвижной внутренней массы, совершающей внутри него гармонические колебания вдоль продольной оси. Перемещения внутренней массы приводят в движение как саму систему, так и окружающую жидкость. В силу несимметрии формы корпуса при смещении вперед вершиной и вперед основанием вызывается различная реакция внешней среды и обеспечивается направленное поступательное движение системы в жидкости. Описанная механическая система имитирует виброробот - мобильное устройство, способное перемещаться в жидкости без подвижных внешних частей. Задача взаимодействия робота с вязкой жидкостью решается с использованием прямого численного моделирования. Исследования проводятся в диапазоне низких чисел Рейнольдса (Re
Бесплатно
Численное моделирование детонации и воздействия газокумулятивных зарядов на преграды
Статья научная
Излагается численная методика решения плоских и осесимметричных связанных задач детонации газокумулятивных зарядов и их воздействия на упругопластические преграды. Методика построена на основе единого модифицированного разностного метода С.К. Годунова как для расчета энерговыделения при детонации и движения газа, так и для расчета динамического деформирования упругопластических преград. Приводятся результаты численных исследований процесса образования газовой высокоскоростной струи в плоских П-образных зарядах небольшого удлинения. Анализируется влияние формы заряда на параметры образующейся газокумулятивной струи. Приведены результаты исследований процессов взаимодействия кумулятивных струй со стальной преградой, помещенной на грунтовое основание. Численные результаты качественно соответствуют известным экспериментальным данным.
Бесплатно
Численное моделирование деформирования и разрушения металлов в условиях плоского удара
Статья научная
На основе статистической теории среды с дефектами ранее разработана математическая модель поведения материалов под действием ударных нагрузок. В данной работе проведена модификация существующей модели и предложен вид критерия, который определяет условия откольного разрушения. Базовая теория подразумевает рассмотрение деформирования и разрушения как процессов эволюции дефектной структуры, что позволяет выбрать критерий в ее рамках. В результате реализации численных алгоритмов построены профили скорости свободной поверхности, анализ которых позволил определить влияние параметров нагружения на прочностные характеристики материала.
Бесплатно
Статья научная
В работе представлен численный метод решения диффузионной задачи для одиночного газового пузырька в безграничной малосжимаемой жидкости, колеблющегося под действием акустического поля. Разработанный метод позволяет рассчитывать нелинейную динамику пузырьков с изменяющейся массой. Как известно, сохранение общей массы растворенного в жидкости газа и газа в пузырьке возможно при соблюдении закона сохранения в дискретной схеме. С этой целью при вычислении диффузионного потока через стенку пузырька применяется консервативная разностная схема, для получения которой А.Н.Тихоновым и А.А.Самарским предложен интегро-интерполяционный метод, основанный на выполнении интегральных уравнений баланса. Как правило, для изучения влияния направленной диффузии на динамику пузырька требуются значительные затраты машинного времени. В связи с этим разработано приближение исходной задачи, основанное на предположении о квазистационарности колебаний концентрации растворенного газа, которое дает возможность исследовать влияние направленной диффузии на динамику пузырька в течение миллионов периодов колебаний. Результаты вычислений с помощью предложенного метода показали хорошее соответствие экспериментальным данным, приведенным в литературе. Сравнение величин изменения массы газа в пузырьке, найденных по представленной схеме и по традиционно используемой схеме, не сохраняющей общую массу системы «газ-жидкость», выявило, что во втором случае погрешность расчета может накапливаться и приводить к физически некорректным результатам.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается процесс деформирования и разрушения железобетонной плиты при воздействии воздушной ударной волны. При постановке задачи за основу берутся данные публичного эксперимента “Blind Blast Test”. Нагружение плиты производится путем подрыва взрывчатого вещества в ударной трубе. Количественно и качественно оцениваются результаты вычислений и эксперимента. Количественное сравнение проводится для истории перемещения ключевых точек конструкции в процессе деформирования. Качественное сравнение заключается в сопоставлении фотографий разрушений реальной железобетонной плиты и распределения поля поврежденности, полученного в результате расчетов. Численное моделирование осуществляется в пакете LS-DYNA, используется метод конечных элементов с явной схемой интегрирования по времени. Для материала бетона применяется модель CSCM (Continuous Surface Cap Model - шатровая модель с непрерывной предельной поверхностью), в которой полагается, что материал является изотропным, обладает трехинвариантной поверхностью текучести. Прочностные характеристики материала зависят от скорости нагружения, а его поврежденность рассматривается отдельно для сжимающих и растягивающих нагрузок, что позволяет учитывать частичное восстановление прочности при сжатии. В статье приводится математическое описание данной модели. Металлическое армирование бетонной плиты представляется в явном виде при помощи балочных конечных элементов. Конечно-элементные сетки массива бетона и армирующих элементов связываются между собой посредством кинематических зависимостей, автоматизировано создаваемых расчетным кодом. Свойства материала арматуры задаются в рамках классической упругопластической теории течения с учетом критерия предельных состояний в форме Губера-Мизеса, отображающего вязко-пластические эффекты. Изучается влияние граничных условий, практическая сеточная сходимость, способность математической модели предсказывать расположение зон разрушения материала, перемещения и деформации конструкции.
Бесплатно
Численное моделирование динамики и структуры индуцированного диффузией течения на клине
Статья научная
Рассмотрена задача формирования возмущений в стратифицированной среде, обусловленных внесением клиновидного препятствия, нарушающего однородность фонового диффузионного потока и формирующего сложную систему медленных течений. Для математического описания поставленной задачи выбрана фундаментальная система дифференциальных уравнений механики неоднородных многокомпонентных сред. Предложена методика численного моделирования течений непрерывно стратифицированных жидкостей, реализованная в оригинальном решателе пакета OpenFOAM с открытым исходным кодом. Дискретизация расчетной области выполнена с использованием утилит blockMesh, topoSet и refineMesh открытого пакета OpenFOAM, а также открытой интегрируемой платформы SALOME. Проведен сравнительный анализ различных методов построения эффективных высокоразрешающих расчетных сеток для изучаемых физических процессов. Осуществлены высокоразрешающие расчеты в физически достижимом диапазоне параметров задачи. Вычисления реализованы в параллельном режиме с привлечением ресурсов виртуальной вычислительной лаборатории UniHUB. Для визуализации данных применены графические пакеты ParaView и Origin. Результаты расчетов показали хорошую работоспособность предложенной методики численного моделирования индуцированных диффузией течений на клине в устойчиво стратифицированной жидкости. Рассчитаны картины полей различных физических величин, установлена разность давлений между вершиной и основанием клина, создающая пропульсивную силу - источник наблюдаемого самодвижения свободного тела на горизонте нейтральной плавучести.
Бесплатно
Статья научная
Для динамического анализа многих элементов машиностроительных конструкций требуются нетрадиционные подходы, учитывающие специфику поведения, а именно, высокие угловые скорости вращения и значительные начальные напряжения, вызванные температурными градиентами, центробежными нагрузками и конструктивными решениями по сопряжению деталей. Получены линеаризованные уравнения движения в вариационной форме, которые позволяют учесть влияние предварительного напряженного состояния на динамические характеристики упругих систем. Использование трехмерных соотношений вносит ощутимое уточнение в результаты, полученные с применением теории пластин. Кроме того, предложенный подход позволяет находить собственные формы колебаний, соответствующие движению в плоскости диска. Подробные численные исследования позволяют сделать вывод о существенном влиянии предварительного напряженного состояния на собственные частоты колебаний системы. При реальных угловых скоростях вращения центробежные эффекты проявляются в возрастании собственных частот колебаний в полтора-два раза по сравнению со статической частотой. Более сложные эффекты наблюдаются при учете неравномерного температурного поля, хотя его влияние на собственные частоты менее существенно.
Бесплатно
Статья научная
Проведено теоретическое и экспериментальное изучение механизмов локализации пластической деформации при динамическом нагружении на разрезном стержне Гопкинсона-Кольского образцов специальной формы, изготовленных из алюминиевого сплава АМг6 и предназначенных для испытаний в условиях, близких к чистому сдвигу. Механизмы неустойчивости пластического течения связываются с коллективными эффектами в ансамбле микродефектов в пространственно-локализованных областях, “in-situ” визуализация которых проводилась при помощи высокоскоростной инфракрасной камеры CEDIP Silver 450M. Расчёт, соответствующий экспериментальной схеме нагружения, реализован с использованием широкодиапазонных определяющих соотношений, отражающих зависимость механизмов структурной релаксации - проявления коллективного поведения микродефектов - от развития локализованной неустойчивости пластического сдвига. Микроструктурный анализ деформированных образцов заключался в исследовании пространственного скейлинга рельефа (шероховатости) по данным интерферометра-профилометра New View-5010 в областях локализации пластической деформации. Увеличение показателя структурного скейлинга (показателя Хёрста) отражало степень многомасштабного коррелированного поведения дефектов и индуцированной ими шероховатости в областях локализованной пластичности. Инфракрасное сканирование области локализации деформации, численное моделирование и последующая оценка дефектной структуры подтвердили предположение о том, что эффекты температурного разупрочнения не играют решающей роли в процессе локализации пластического сдвига испытуемого материла при рассматриваемых режимах нагружения. Обоснован новый, один из возможных, механизм локализации пластической деформации при динамическом нагружении, обусловленный многомасштабным коллективным поведением мезодефектов - структурно-скейлинговыми переходами, устанавливающий стадийность развития локализованного сдвига.
Бесплатно
Численное моделирование изменения рельефа дна водоема при наличии гравитационных волн
Статья научная
Обсуждаются вопросы построения и адаптации к переменным природно-климатическим условиям и географическим особенностям прецизионных математических моделей гидродинамики волновых процессов и рельефообразования. Для новых по постановкам задач, рассматриваемых в статье, характерна проблема неполноты исходной информации, которая разрешается за счет привлечения данных дистанционного зондирования и кадастровой съемки. Вследствие этого комплекс созданных авторами алгоритмов включает растровые модели динамически изменяющегося рельефа дна с учетом результатов кадастровых съемок, дистанционного зондирования и результатов численного моделирования. При этом математическая модель транспорта донных материалов позволяет предсказывать динамику рельефа дна вследствие движения воды и многокомпонентных твердых частиц, учитывает пористость грунта, критическое значение касательного напряжения, при котором начинается перемещение наносов, турбулентный обмен, трансформацию геометрии дна, ветровые течения и трение о дно. С использованием программ, разработанных на основе комплекса алгоритмов, выполнены прогностические расчеты процессов эрозии берега и перестроения рельефа дна. Программы дают возможность задавать сложную геометрию дна в виде растровой модели, отвечающей сведениям кадастровых съемок и дистанционного зондирования, виду и характеристикам источника колебаний воды, направлению и скорости ветра. При анализе состояния водного объекта в целом принимаются во внимание характерные особенности природных процессов, одну из которых стоит отметить особо - это пространственно-временная изменчивость донного рельефа. Моделирование транспорта наносов показало, что с течением времени происходит их образование вблизи береговой зоны и, как следствие, уменьшение уклона ее дна и постепенное обмеление водоема.
Бесплатно
Статья научная
Исследуется инфильтрация насыщенного рассола в прилегающие грунтовые воды и поверхностные водные объекты из хранилища жидких отходов, находящегося в Верхнекамском месторождении калийных и магниевых солей (Пермский край, Российская Федерация) и содержащего высококонцентрированный рассол калийных, натриевых и магниевых солей. На основе аналитического решения одномерного уравнения переноса однородным стационарным фильтрационным потоком получены оценки времени распространения примеси по пористой среде до ближайшего поверхностного водного объекта и времени установления стационарного профиля её концентрации без учёта и с учётом слабой адсорбции пористой матрицей. Найдено значение концентрации примеси в точке поступления рассола в поверхностный водоём. В пакете ANSYS Fluent проведено прямое трёхмерное численное моделирование процесса инфильтрации рассола из хранилища в окружающую породу. Результаты моделирования позволили выделить основные стадии процесса распространения примеси в пористой среде. Найдено, что примесь распределяется в пределах обширной области, концентрация рассола в которой практически однородна и достигает высоких значений, близких к насыщению. Примерно через 20 суток от начала инфильтрации примесь достигает русла прилегающей реки. Определённые в трёхмерных численных расчётах значения времени продвижения фронта примеси до поверхностного водного объекта согласуются с аналитическими данными, полученными в рамках одномерной модели. Разработанный комплекс физических моделей достоверно описывает гидродинамические процессы, связанные с эксплуатацией крупного хранилища, и может быть успешно применён для прогнозирования положения границ загрязнения грунтовых вод в прилегающих к хранилищам породах.
Бесплатно
