Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статьи журнала - Вычислительная механика сплошных сред
Все статьи: 742
Влияние гидродинамических режимов на смешение вод сливающихся рек
Статья научная
В настоящее время широко обсуждается наблюдаемое в ряде случаев значительное ослабление интенсивности поперечного перемешивания вод при слиянии крупных рек. Поскольку особенности смешения крупных водотоков имеют не только познавательный интерес, но и значительное хозяйственное значение, исследованию этой проблемы посвящено большое число работ. Эксплуатация водных ресурсов требует проведения на водных объектах мер по организации водопользования, которое может быть рациональным только при понимании происходящих в водоемах процессов. Для объяснения интересного и важного с точки зрения экологии «подавления» поперечного перемешивания предлагается весьма широкий спектр гипотез, вплоть до отрицания турбулентности в реках. Одним из возможных механизмов, вызывающих это явление, может быть поперечная циркуляция, проявляющаяся как вторичные течения второго рода по Прандтлю. Характерная скорость циркуляционных потоков очень мала и трудно поддается прямому инструментальному измерению, однако, по мнению авторов настоящей работы, циркуляционные потоки могут значительно затруднить поперечное перемешивание при слиянии...
Бесплатно
Статья научная
Исследовано влияние горизонтальной теплоизолирующей пластины различных размеров на структуру конвективного течения и на полный тепловой поток в полости с аспектным отношением 5. Прямое численное моделирование выполнено с помощью открытого программного обеспечения OpenFoam 4.1 при числе Прандтля 6,12 и для двух чисел Релея: 3,9·107 и 3,9·108. Во всех расчетах толщина пластины постоянна. Обнаружено, что структура течения существенно зависит как от размера пластины, так и от ее расположения. Изменение структуры среднего течения слабо влияет на тепловой поток в случае небольшой пластины. Увеличение размера пластины также не приводит к большим изменениям в тепловом потоке, за исключением случая, когда пластина располагается вблизи нижней границы. При этом число Нуссельта на 25% меньше по сравнению с конвекцией Релея-Бенара. Обнаружено, что значения кинетической энергии и числа Нуссельта не коррелируют друг с другом. С ростом числа Релея влияние пластины на тепловой поток уменьшается. Показано, что тепловой поток практически не зависит от расположения теплоизолирующей пластины, если расстояние от нее до нижней границы значительно превышает (в 10 и более раз) толщину температурного пограничного слоя. Установлено, что присутствие пластин в объеме жидкости существенно влияет на интегральные значения пульсаций ее скорости и температуры.
Бесплатно
Статья научная
Система уравнений сохранения количества движения и энергии, описывающая свободноконвективное течение около вертикальной поверхности в полубесконечной пористой среде при граничных условиях третьего рода, рассмотрена в приближении пограничного слоя. Построены асимптотические разложения по степеням параметра Дарси. Исследована зависимость характеристик потока от значений параметров Dа и. Построены аналитические решения, применимые во всей области течения.
Бесплатно
Влияние динамики включения на распространение упругих волн в акустическом волноводе
Статья научная
Цель исследования - определение геометрических размеров включения в волноводе на основе анализа прохождения акустической волны. На примере одномерной модели бесконечного стержня с инерционным упругим включением установлено влияние спектра включения на отраженную и прошедшую волны. Выводы о влиянии спектра обобщены на случай акустического волновода с абсолютно жестким включением цилиндрической формы. Показана связь между геометрическими размерами включения и спектральными плотностями прошедшей и отраженной волн.
Бесплатно
Влияние изменения сечения наноканалов на их электрогидродинамические характеристики
Статья научная
Описание течения раствора электролита в наноканалах переменного сечения - одна из открытых тем электрогидродинамики малых масштабов. Она приобрела особую актуальность с появлением возможности изготовления каналов шириной вплоть до десяти нанометров и их практической востребованности. Помимо электрического поля, образующегося в канале вследствие разности потенциалов на его входе и выходе, существенным оказывается поле, создаваемое за счёт поверхностного заряда стенок. Предположение о малости толщины слоя Дебая, приводящее к упрощению задачи, для наноканалов может не оправдываться. Кроме того, возникают сложности исследования, связанные с правомерностью применения гипотезы сплошности и условия прилипания на жёсткой стенке. В настоящей работе предлагается подход, для которого важна малая плотность поверхностного заряда во всём канале, а не малая толщина дебаевского слоя. Считается, что параметры течения в тангенциальном стенкам направлении изменяются медленно по сравнению с изменениями в направлении, нормальном стенкам. Это позволяет осуществить в системе уравнений Нернста-Планка, Пуассона и Навье-Стокса, описывающей течение, усреднение по нормальной координате, аналогичное усреднению Кармана-Польгаузена, и свести систему к нелинейному дифференциальному уравнению относительно некоторой одномерной функции. Для выведенного уравнения выясняются качественные последствия невыполнения условия прилипания на границе, анизотропности коэффициентов диффузии и вязкости. Численно анализируются установившиеся течения в простейших диффузорных и конфузорных каналах с целью качественного понимания поведения раствора электролита в более сложных системах. Предложенная модель допускает обобщение на электролиты с произвольным числом различных ионов, в частности, на тройной (тернарный) электролит, который делает возможным описание более сложных эффектов типа локальной концентрации заряженных частиц.
Бесплатно
Статья научная
В настоящей работе исследуется взаимовлияние износа упругого покрытия и фрикционного разогрева скользящего контакта, а также их совместное влияние на возникновение и развитие термоупругой неустойчивости скользящего термофрикционного контакта. Дается постановка начально-краевой квазистатической задачи несвязанной термоупругости, в которой рассматривается скольжение жёсткого тела в виде полуплоскости по поверхности упругого покрытия с учётом трения и сопровождающего его тепловыделения. Скорость скольжения полуплоскости постоянна, покрытие сцеплено с жёсткой подложкой. Работа сил трения на контакте расходуется на нагрев покрытия и его абразивный износ. Для решения задачи используется интегральное преобразование Лапласа. Решения задачи - температура, напряжения, смещения, как на контакте, так и по глубине покрытия, - представляются в виде свёрток Лапласа. Подынтегральные функции квадратур выражений для напряжений и смещений не убывают на бесконечности, а остаются постоянными. Квадратуры, их содержащие, понимаются в обобщённом смысле. После регуляризации подынтегральных функций в квадратурах для смещений и напряжений решение задачи записывается в виде суммы регулярной составляющей обобщённой части и свёртки Лапласа. Показано, что подынтегральные функции полученных решений задачи зависят от её трёх безразмерных параметров. Подробно изучается расположение полюсов подынтегральных функций решений задачи в комплексной плоскости переменной интегрирования, на основании чего определяются области устойчивых и неустойчивых решений в пространстве безразмерных параметров задачи. После вычисления свёрток решения задачи записываются в виде удобных для вычисления и анализа функциональных рядов по полюсам подынтегральных функций. Исследуются свойства точных, как устойчивых, так и неустойчивых, решений задачи - температуры, износа и напряжений, развивающихся на скользящем термофрикционном контакте,- в зависимости от значений размерных и безразмерных параметров задачи.
Бесплатно
Статья научная
В численном эксперименте исследуется взаимодействие гравитационной конвекции и конвекции Марангони в горизонтальном прямоугольном канале с жидкостью, содержащей поверхностно активное вещество, и каплей другой жидкости. Для больших значений числа Шмидта анализируется возникающий колебательный режим концентрационной конвекции. В модели с поверхностной фазой определяется влияние процессов адсорбции и десорбции на структуру конвективного течения. Для решения двумерной начально-краевой задачи применяется метод конечных разностей.
Бесплатно
Статья научная
Экспериментально и теоретически исследована динамика формирования поверхностной фазы в водных растворах поверхностно-активных веществ (ПАВ) в лотке барьерной системы Ленгмюра в течение одного цикла сжатия-расширения границы раздела. В качестве ПАВ использованы соли жирных органических кислот - лаурат, каприлат и ацетат калия, которые являются членами одного гомологического ряда. Опытным путём обнаружено, что зависимость приращения поверхностного давления, измеренного при максимальном сжатии поверхности, от объёмной концентрации имеет максимум, различный у всех рассмотренных растворов поверхностно-активных веществ (сурфактантов). Показано, что положение максимума отвечает величине концентрации, при которой на границе раздела формируется насыщенный монослой молекул сурфактанта. Для интерпретации лабораторных результатов предложена теоретическая модель, учитывающая влияние вынужденной конвекции, возникающей в объёме раствора при изменении площади его поверхности, что позволяет выявить кинетические характеристики процессов адсорбции/десорбции исследуемых веществ. Показано хорошее согласие между теорией и экспериментом. На основании полученных данных предложена новая методика определения константы Ленгмюра-Шишковского.
Бесплатно
Статья научная
Исследовано влияние межчастичного диполь-дипольного взаимодействия на статические, термодинамические и магнитные свойства ансамбля неподвижных суперпарамагнитных частиц, находящегося во внешнем магнитном поле. Релаксация магнитных моментов феррочастиц в модели происходила по неелевскому механизму. Направления осей лёгкого намагничивания всех частиц предполагались параллельными друг другу, но находились под углом к направлению действия внешнего магнитного поля. Ориентация осей описывалась с помощью полярного и азимутального углов. Потенциальная энергия изучаемой системы частиц включала в себя одночастичное диполь-осевое взаимодействие, одночастичное диполь-полевое взаимодействие и дальнодействующие межчастичные диполь-дипольные корреляции. Рассмотрены два варианта распределения феррочастиц по объёму цилиндрического контейнера: в узлах простой кубической решётки и случайным образом. Цилиндрическая модель изучена теоретически путём разложения свободной энергии Гельмгольца в классический вириальный ряд с точностью до второго вириального коэффициента. Для улучшения сходимости и упрощения вычислений предлагается использовать логарифмическое преобразование свободной энергии, поскольку итоговая функция в виде логарифма является гораздо менее чувствительной к ограничению числа слагаемых исследуемого ряда. С помощью этого подхода проведена оценка вклада диполь-дипольных взаимодействий в различные свойства исследуемой системы, в такие как начальная магнитная восприимчивость, статическая намагниченность и теплоёмкость. Для каждого параметра приводится графическая визуализация полученных результатов, позволяющая сравнить их при произвольном и кубическом распределении феррочастиц. Данное исследование предоставляет важную информацию, необходимую для разработки и синтеза новых магнитных материалов с контролируемыми свойствами.
Бесплатно
Статья научная
Представлены результаты натурных измерений и численного моделирования аспектов формирования качества воды в реке Каме (в Камском водохранилище), используемой промышленными предприятиями города Березники с целью технического водоснабжения. В летний период возникают значительные риски при обеспечении устойчивости водоснабжения. Традиционно считается, что в период зимней межени, при прохождении по руслу меньших объемов воды, эти риски также должны возрастать. Однако, как показывают материалы ведомственного мониторинга, а также выполненные натурные исследования, в зимний период наблюдается устойчивое функционирование технических водозаборов из реки Камы. Обнаружено, что в летний период, когда данный участок реки находится в подпоре от Камской ГЭС и скорости течений снижаются, формируется вертикальная стратификация водных масс, уменьшающая водопользование из придонной области. В зимний же период, при понижении уровня воды в водохранилище, на этом участке русла имеют место типичные речные условия, для которых свойственны более высокие скорости течения, а также интенсивное вертикальное перемешивание водных масс. Вследствие этого улучшаются потребительские свойства воды, необходимые для устойчивого водоснабжения. Результаты численного моделирования качества воды, проведенного в рамках трехмерной модели, подтвердили сделанное заключение. Показано, что если в точке амплитуда скорости течения меняется со временем гармонически, то концентрация соли в этой точке также подчиняется гармоническому закону, но в противофазе относительно скорости.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается задача нормального взаимодействия алюминиевого изотропного компактного цилиндрического ударника с ортотропными монолитными и разнесенными (состоящими из двух и трех пластин) преградами в диапазоне скоростей удара от 750 до 3000 м/с. Суммарная толщина пластин в разнесенной преграде равняется толщине монолитной преграды. Исследуется разрушение монолитных и разнесенных преград, сравнивается эффективность их защитных свойств в зависимости от ориентации упругих и прочностных свойств анизотропного материала. Задача решается в трехмерной постановке численно, методом конечных элементов. Поведению материала ударника соответствует упругопластическая модель, поведению анизотропного материала преграды - упруго-хрупкая модель.
Бесплатно
Статья научная
Предложена связанная неизотермическая математическая модель процесса внедрения материала в поверхность мишени в условиях поверхностной обработки потоком частиц. Учитывается взаимовлияние диффузии примеси, распространения тепла и механических возмущений, а также химическая реакция между внедряемой примесью и материалом подложки. Описан процесс обезразмеривания параметров модели и приведен диапазон числовых значений для каждого из них. На основе построенной модели численно решена задача совместного распространения упругих механических волн, которые генерируются при ударе частиц о поверхность, и диффузии внедряемых частиц с учетом их химического взаимодействия с обрабатываемым материалом и неизотермичности процесса. Для представления производных использована неявная симметричная разностная схема второго порядка аппроксимации как по времени, так и по координате. Решения получены для разных временных интервалов, определяемых характерным временем действия импульса и временами релаксации для диффузии и теплопроводности. Установлено, что взаимосвязь разномасштабных процессов приводит к появлению искажений в характерах волн деформаций и напряжений, а распределения температуры и концентрации примеси приобретают волновой характер. Образование химического соединения вызывает уменьшение концентрации примеси и увеличение температуры, напряжений и деформаций. Показано, что химическая реакция при малом выделении тепла протекает только до тех пор, пока растет температура за счет вводимой энергии. Далее тепла для продолжения реакции оказывается недостаточно. Также установлено, что при медленной генерации продукта в реакции практически отсутствует влияние химического взаимодействия на распространение температуры, деформаций, напряжений и концентрации примеси.
Бесплатно
Влияние переменного коэффициента термодиффузии на конвекцию бинарной смеси в прямоугольных полостях
Статья научная
Представлены результаты численного моделирования нелинейных режимов конвекции водного раствора поваренной соли в квадратной полости и вытянутой в горизонтальном направлении прямоугольной полости с твердыми, непроницаемыми для вещества границами. Вертикальные границы теплоизолированы, на горизонтальных поддерживаются постоянные температуры, соответствующие нагреву снизу. Вычисления производятся в рамках нестационарного подхода с использованием приближения Буссинеска и с учетом полиномиальной зависимости коэффициента термодиффузии от температуры. В соответствии с этой зависимостью при температуре T*≈285,4 К происходит смена знака коэффициента термодиффузии, приводящая к изменению направления градиента концентрации. Температуры на горизонтальных границах полости выбираются таким образом, что коэффициент термодиффузии меняет знак внутри полости. Другие коэффициенты переноса считаются постоянными. Расчеты выполнены для случаев действия земной и пониженной силы тяжести. Прослежены характеры локальных и интегральных характеристик нелинейных режимов, найдены структура возникающего течения и распределение концентрации поваренной соли. Анализ полученных данных показал, что учет зависимости коэффициента термодиффузии от температуры слабо влияет на структуру и интенсивность образующегося течения, но значительно уменьшает степень разделения компонентов смеси. В поле земной силы тяжести в квадратной полости реализуется колебательное 4-вихревое течение с перезамыканием вихрей, а в прямоугольной полости - многовихревое течение, характеристики которого колеблются нерегулярным образом. При меньшей силе тяжести как в квадратной, так и в прямоугольной полости имеет место стационарное течение. В условиях микрогравитации наблюдается «вмороженность» изолиний концентрации в поле функции тока (то есть оба поля имеют выраженное сходство).
Бесплатно
Влияние поврежденности материала на распространение волны Релея вдоль границы полупространства
Статья научная
В настоящее время интенсивно развивается механика поврежденных сред, изучающая как напряженно-деформированное состояние самой среды, так и накопление повреждений ее материалом. В публикуемой работе для изотропного упругого полупространства при наличии поврежденности материала сформулирована самосогласованная задача, включающая динамическое уравнение теории упругости и кинетическое уравнение накопления повреждений в материале. Считается, что повреждения в среде распределены равномерно. Исследуется распространение поверхностной волны вдоль свободной границы поврежденного полупространства. Волна движется горизонтально и затухает в вертикальном направлении. Полагается, что вдоль третьей оси все процессы однородны. Показано, что в этом случае самосогласованная система с граничными условиями, выражающими отсутствие напряжений на границе полупространства, сводится к комплексному дисперсионному уравнению. В предельном случае, когда поврежденность в материале отсутствует, полученное дисперсионное уравнение сводится к классическому дисперсионному уравнению для волны Релея в полиномной форме, при этом поверхностная волна распространяется вдоль границы полупространства без дисперсии и затухания...
Бесплатно
Влияние поврежденности материала на распространение продольной магнитоупругой волны в стержне
Статья научная
В настоящее время интенсивно развивается механика поврежденных сред, изучающая как напряженно-деформированное состояние конструкций, так и накопление повреждений в их материалах. При этом в ряде задач необходимо учитывать, что элементы конструкций работают в условиях взаимодействия с внешним магнитным полем, которое оказывает влияние на процессы формирования и распространения упругих волн. В публикуемой работе для электропроводящего стержня, совершающего продольные колебания, сформулирована самосогласованная система, включающая в себя уравнение динамики стержня, уравнение изменения напряженности внешнего магнитного поля и кинетическое уравнение накопления повреждений в материале. При этом считается, что повреждения равномерно распределены в материале стержня, магнитное поле стационарно. В качестве модели стержня выбрана классическая модель однородного стержня Бернулли. Последовательно рассмотрены: линеаризованная система и система уравнений, включающая геометрическую и физическую упругие нелинейности...
Бесплатно
Статья научная
На примере горизонтальной выработки кругового сечения изучается влияние одиночной разгрузочной щели и нескольких взаимодействующих разгрузочных щелей на напряженное состояние и ползучесть примыкающего к стенкам выработки породного массива. Показано, что разгрузочные щели позволяют значительно уменьшить интенсивность напряжений в окрестности выработки, снизить концентрацию окружных напряжений и отодвинуть зону их повышенных значений от контура вглубь массива. Обнаружено, что наличие разгрузочных щелей ведет к увеличению ползучести стенок по направлению к центру выработки.
Бесплатно
Влияние расслоения потока полимерных жидкостей на форму реологических характеристик
Статья научная
Недавно обнаруженный эффект расслоения сдвигового потока полимерных жидкостей вызвал большой интерес не только к изучению физических основ, приводящих к его возникновению, но и к рассмотрению расслоения как основного механизма, ответственного за появление особенностей поведения растворов и расплавов в реометрических течениях. В связи с этим в данной работе проведено исследование влияния этого явления на форму зависимости вращательного момента от угловой скорости, устанавливаемой в экспериментах на ротационном реометре с измерительной ячейкой типа «коаксиальные цилиндры». Для моделирования расслоения использовалась модифицированная модель Виноградова-Покровского с параметрами, обеспечивающими немонотонность кривой течения. Найдены аналитические соотношения для определения полей скорости и напряжения при заданном вращательном моменте. Предложен численный метод нахождения стационарных решений. Обнаружено, что построенная с помощью модели Виноградова-Покровского функция вращательного момента от угловой скорости в случае течения с контролируемой скоростью вращения цилиндра меняет свой характер при различных режимах нагружения...
Бесплатно
Влияние реверсных режимов МГД-перемешивания на структуру кристаллизующегося алюминиевого сплава
Статья научная
Экспериментально и численно исследовалось влияние реверсных режимов МГД-перемешивания на структуру слитка и гидродинамические процессы при кристаллизации алюминиевого сплава АК7 в цилиндрическом тигле. В результате физических экспериментов выявлено, что с ростом интенсивности вращающегося магнитного поля, вызывающего тороидальное течение металла, уменьшается размер зерна в закристаллизовавшемся слитке. Обнаружена функциональная зависимость с выраженным экстремумом между величиной зерна в структуре слитка и периодом реверсных переключений вращающегося магнитного поля. Добавление бегущего магнитного поля сначала приводит к укрупнению зерна, но с увеличением скорости полоидального течения эффект снижается. Выяснилось, что связь между размером зерна и твёрдостью слитка слабая. Для определения гидродинамических параметров, влияющих на структуру слитка в реверсном режиме МГД-перемешивания, проведено численное моделирование. Установлено существенное влияние на процессы массопереноса колебаний гидродинамических полей вследствие реверсных переключений. Энергия вертикального течения резко возрастает в интервале периода от 2 до 5 с, но в экспериментально рассмотренном интервале периода реверсных пульсаций вращающегося магнитного поля эта энергия монотонно уменьшается. Плотность кинетической энергии крупномасштабных течений и энергии турбулентных пульсаций с увеличением периода монотонно возрастают.
Бесплатно
Статья научная
Проведено компьютерное моделирование процесса формообразования элемента крыльевой панели с использованием программных продуктов корпорации MSC.Software: MSC.Marc 2007 и MSC.Patran 2007. Рассмотрены четыре 3D конечно-элементные модели с разными типами конечных элементов (тетраэдральными и гексагональными, с трилинейной и триквадратичной аппроксимацией геометрии и перемещений). Показано, что использование тетраэдральных конечных элементов постоянной деформации не позволяет правильно определить конфигурацию отформованной панели. Для практических расчетов рекомендуется использовать гексагональные восьмиузловые конечные элементы. Показано, что при решении типичных задач формообразования крыльевых панелей надо учитывать геометрическую нелинейность уравнений их деформирования.
Бесплатно
Статья научная
В рамках осредненного подхода исследована линейная задача устойчивости равновесия в двухслойной системе «однородная жидкость - пористая среда, насыщенная той же жидкостью» в поле силы тяжести и вертикальных высокочастотных вибраций. Показано, что, как в отсутствие, так и при наличии вибраций, нейтральные кривые в некотором диапазоне параметров имеют бимодальный характер. Вибрации стабилизируют равновесие и увеличивают длину волны наиболее опасных возмущений. Кроме того, вибрации приводят к тому, что «длинноволновая» неустойчивость равновесия в системе возникает при меньших значениях эффективной проницаемости пористой среды и больших безразмерных толщинах жидкого слоя, чем в случае статического поля силы тяжести.
Бесплатно
