cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2019-22-5-8-18caht-1525Research ArticleТРАНСПОРТTRANSPORTМатематическое моделирование и исследование обменных процессов в дисперсном пограничном слое с управляющими воздействиямиMathematical modeling and the study of exchange processes in disperse boundary layer control actionsБондаренкоА. А.BondarenkoA. A.

Бондаренко Александр Аркадьевич, кандидат технических наук, декан факультета летной эксплуатации и управления воздушным движением 

г. Ульяновск

Alexander A. Bondarenko, Candidate of Technical Sciences, Dean of the Flight Operation and Air Traffic Control Faculty

Ulyanovsk

baa-69@yandex.ruКовальноговВ. Н.KovalnogovV. N.

Ковальногов Владислав Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой тепловой и топливной энергетики 

г. Ульяновск

Vladislav N. Kovalnogov, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Thermal and Fuel Energy Chair 

Ulyanovsk

kvn@ulstu.ruФедоровР. В.FedorovR. V.

Федров Руслан Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры тепловой и топливной энергетики 

г. Ульяновск

Ruslan V. Fedorov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Thermal and Fuel Energy Chair

Ulyanovsk

r.fedorov@ulstu.ruЧукалинА. В.ChukalinA. V.

Чукалин Андрей Валентинович, научный сотрудник кафедры тепловой и топливной энергетики 

г. Ульяновск

Andrey V. Chukalin, Research Associate, Thermal and Fuel Energy Chair

Ulyanovsk

chukalin.andrej@mail.ruУльяновский институт гражданской авиации имени Главного маршала авиации Б.П. Бугаева»РоссияUlyanovsk Civil Aviation Institute named after Chief Marshal of Aviation B.P. BugaevRussian FederationУльяновский государственный технический университетРоссияUlyanovsk State Technical UniversityRussian Federation201928102019225818Copyright © Бондаренко А.А., Ковальногов В.Н., Федоров Р.В., Чукалин А.В., 20192019Бондаренко А.А., Ковальногов В.Н., Федоров Р.В., Чукалин А.В.Bondarenko A.A., Kovalnogov V.N., Fedorov R.V., Chukalin A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://avia.mstuca.ru/jour/article/view/1525

К эффективному управлению и прогнозированию обменных процессов в пограничном слое, являющихся ключевыми для реализации эффективного и надёжного оборудования, привлечён значительный интерес исследователей. Моделирование обменных процессов протекающих в высокоскоростном дисперсном пограничном слое с внешними воздействиями является весьма сложной задачей. Математическое моделирование позволяет разрабатывать надёжные устройства и двигатели для областей авиастроения, энергетики, судостроения с минимальными издержками на его создание. Не смотря на интерес многочисленных групп исследователей по всему миру и множество работ, существующая теория пограничного слоя несовершенна. Это может быть связано с несколькими обстоятельствами: во-первых разработанная теория однофазных турбулентных течений несовершенна и на сегодняшний день содержит множество эмпирических зависимостей; во-вторых турбулентные потоки с дисперсными примесями в виде частиц сильно осложняют и без того замысловатую картину течения. Интерес к дисперсным потокам особенно актуален вследствие того, что практически все газодинамические течения содержат некоторую концентрацию частиц, а их воздействие может спровоцировать значительные изменения структуры пограничного слоя и повлиять на интенсивность обменных процессов. В статье предложена двухжидкостная математическая модель, описывающая движение высокоскоростного дисперсного пограничного слоя на поверхности с полусферическими демпфирующими полостями. Применение полусферических демпфирующих полостей позволяет снижать турбулентный обмен в пограничном слое, что даёт возможность управления интенсивностью обменных процессов. Установлена возможность существенного снижения турбулентного теплообмена и трения в дисперсном пограничном слое. Предложенный способ воздействия на турбулентный перенос в пограничном слое позволит усовершенствовать оборудование и установки, в том числе газотурбинных установок (ГТУ) и газотурбинных двигателей (ГТД) применяемые в разных областях промышленности нашей страны, таких как: авиастроение, энергетика, судостроение.

A significant interest of researchers is attracted to the effective management and forecasting of exchange processes in the boundary layer, which are key for the implementation of effective and reliable equipment. Modeling of exchange processes occurring in a high-speed dispersed boundary layer with external influences is a very difficult task. Mathematical modeling allows us to develop reliable devices and engines for the fields of aircraft, energy, shipbuilding with minimal costs for its creation. Despite the interest of numerous groups of researchers around the scientific projects and a large number of works, the current theory of the boundary layer is imperfect. This may be due to several circumstances: firstly, the theory of single-phase turbulent flows of continuous media is far from being completed, secondly, turbulent flows with dispersed impurities in the form of particles greatly complicate the already intricate flow pattern. Interest in dispersed flows is particularly relevant due to the fact that almost all gas-dynamic flows contain a certain concentration of particles, and their impact can provoke significant changes in the structure of the boundary layer and affect the intensity of exchange processes. The article proposes a two-fluid mathematical model describing the motion of a high-speed dispersed boundary layer on a surface with hemispherical damping cavities. The use of hemispherical damping cavities allows to reduce turbulent exchange in the boundary layer, which makes it possible to control the intensity of metabolic processes. The possibility of a significant reduction of turbulent heat transfer and friction in the dispersed boundary layer is established. The proposed method of impact on the turbulent transport in the boundary layer will improve the equipment and installations, including GTU and GTE used in various industries of our country, such as energy, aircraft, shipbuilding.

турбулентный переносполусферические демпфирующие полостиматематическое моделированиепограничный слойтеплообменturbulent transporthemispherical damping cavitiesmathematical modelingboundary layerheat transferРабота выполнена при финансовой поддержке Стипендии Президента РФ по проекту № СП-2069.2018.1The work was supported by the scholarship of the President of the Russian Federation for the project № SP-2069.2018.1ReferencesВараксин А.Ю. Турбулентные течения газа с твердыми частицами. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. 192 с.Varaksin, A.Yu. (2003). Turbulentnyye techeniya gaza s tverdymi chastitsami [The Turbulent gas flows with solid particles]. Moscow: FIZMATLIT, 192 p. (in Russian)Вараксин А.Ю. Обтекание тел дисперсных газовыми потоками // Теплофизика высоких температур. 2018. Т. 56, № 2. С. 282–305. DOI: 10.7868/S0040364418020175Varaksin, A.Yu. (2018). Gas-Solid Flows Past Bodies. High Temperature, vol. 56, no. 2, pp. 275–295. DOI: 10.7868/S0040364418020175Пахомов М.А., Терехов В.И. Влияние испарения капель на турбулентность газа и теплообмен при течении двухфазного потока за внезапным расширением трубы // Теплофизика высоких температур. 2016. Т. 54, № 3. С. 352–359. DOI: 10.7868/S0040364416030157Pakhomov, M.A. and Terekhov, V.I. (2016). The effect of drop evaporation on gas turbulence and heat transfer for two-phase flow behind sudden pipe expansion. High Temperature, vol. 54, no. 3, pp. 330–337. DOI: 10.7868/S0040364416030157Ковальногов Н.Н. Пограничный слой в потоках с интенсивными воздействиями. Ульяновск: УлГТУ, 1996. 245 с.Kovalnogov, N.N. (1996). Pogranichnyy sloy v potokakh s intensivnymi vozdeystviyami [The boundary layer in streams with intense effects]. Ulyanovsk, 240 p. (in Russian)Михатулин Д.С., Полежаев Ю.В., Ревизников Д.Л. Теплообмен и разрушение тел в сверхзвуковом гетерогенном потоке. М.: ЯНУС-К, 2007. 392 с.Mikhatulin, D.S., Polezhayev, Yu.V. and Reviznikov, D.L. (2007). Teploobmen i razrusheniye tel v sverkhzvukovom geterogennom potoke [Heat transfer and destruction of bodies in supersonic heterogeneous flow]. Moscow: Yanus-K, 392 p. (in Russian)Вараксин А.Ю., Арбеков А.Н., Иванов В.Л. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок / Под ред. А.Ю. Вараксина. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. 680 с.Varaksin, A.Yu. (2017). Teoriya i proyektirovaniye gazoturbinnykh i kombinirovannykh ustanovok [Theory and design of gas turbines and combined installation]. Moscow: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 680 p. (in Russian)Перельман Р.Г., Пряхин В.В. Эрозия элементов паровых турбин. М.: Энергоатомиздат, 1986. 184 с.Perelman, R.G. and Pryakhin, V.V. (1986). Eroziya elementov parovykh turbin [Erosion of steam turbine elements]. Moscow: Energoatomizdat, 181 p. (in Russian)Пахомов М.А., Терехов В.И. Структура течения в неизотермическом закрученном газокапельном потоке за внезапным расширением трубы // Изв. РАН. МЖГ. 2016. № 1. С. 69–78.Pakhomov, M.A. and Terekhov, V.I. (2016). Structure of the nonisothermal swirling gasdroplet flow behind an abrupt tube expansion. Fluid Dynamics, vol. 51, no. 1, pp. 70–80.Tsirkunov Yu.M. Gas-Particle Flows around Bodies – Key Problems, Modeling and Numerical Analysis // Proc. Fourth Int. Conf. on Multiphase Flow (ICMF’01). New Orleans. USA. 2001. Paper no. 607. Рp. 1–31.Tsirkunov, Yu.M. (2001). Gas-particle flows around bodies – key problems, modeling and numerical analysis. Proc. Fourth International Conference on Multiphase Flow, in E. Michaelides (Ed.), May 27 – June 1, New Orleans, LA, USA. – CD ROM Proc. ICMF'2001, paper no. 607, pp. 1–31.Лашков В.А. Коэффициенты восстановления скорости при ударе твердых частиц газовзвеси о поверхность тела: дисс. … докт. физ.-мат. наук. СПб.: СПбГУ, 2012. 379 с.Lashkov, V.A. (2012). Koeffitsiyenty vosstanovleniya skorosti pri udare tverdykh chastits gazovzvesi o poverkhnost tela: dis. … dokt. fizmat. nauk [Ratios of speed recovery upon impact of solid particles of a gas suspension on the body surface: D. Phys-Math. Sc. Thesis]. St. Petersburg: SPbGU, 379 p. (in Russian)Полежаев Ю.В., Репин И.В., Михатулин Д.С. Теплообмен в сверхзвуковом гетерогенном потоке // Теплофизика высоких температур. 1992. Т. 30, № 6. С. 1147–1153.Polezhayev, Yu.V., Repin, I.V. and Mikhatulin, D.S. (1992). Heat-transfer in a heterogeneous supersonic flow. High Temperature, vol. 30, no. 6, pp. 949–954.Терехов В.И., Пахомов М.А. Влияние частиц на структуру течения и дисперсию твердой примеси в двухфазной осесимметричной струе // Журнал техническая физика. 2011. Т. 81, № 10. С. 27–35.Terekhov, V.I. and Pakhomov, M.A. (2011). Effect of particles on the flow structure and dispersion of solid impurities in a two-phase axisymmetric jet. Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics, vol. 56, no. 10, pp. 1406–1414.Зайчик Л.И., Першуков В.А. Проблемы моделирования газодисперсных турбулентных течений с горением или фазовыми переходами (обзор) // Изв. РАН. МЖГ. 1996. № 5. С. 3–19.Zaychik, L.I. and Pershukov, V.A. (1996). Problemy modelirovaniya gazodispersnykh turbu-lentnykh techeniy s goreniyem ili fazovymi perekhodami (obzor) [Problems of modeling gasdispersed turbulent flows with combustion or phase transitions (review)]. Izv. RAN. MZHG, no. 5, pp. 3–19. (in Russian)Зайчик Л.И., Алипченков В.М. Статистические модели движения частиц в турбулентной жидкости. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. 312 с.Zaychik, L.I., Alipchenkov, V.M. (2007). Statisticheskiye modeli dvizheniya chastits v turbulentnoy zhidkosti [Statistical models of particle motion in a turbulent fluid]. Moscow: FIZMATLIT, 312 p. (in Russian)Гетман В.В., Лежнева Н.В. Методы утилизации теплоты уходящих газов от энергетических установок // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 16, № 12. С. 104–107.Getman, V.V., Lezhneva, N.V. (2014). Metody utilizatsii teploty ukhodyashchikh gazov ot energeticheskikh ustanovok [Methods of utilization of the heat of flue gases from power plants]. Vestnik kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta [Herald of Kazan Technological University], pp. 104–107. (in Russian)Мамаев Б.И. Пути повышения к.п.д. авиационной газовой турбины // Газотурбинные и комбинированные установки: тезисы докл. Всесоюзной конференции. М.: МГТУ, 1991. С. 43–44.Mamayev, B.I. (1991). Puti povysheniya k.p.d. aviatsionnoy gazovoy turbiny [Ways to improve the efficiency of aviation gas turbine]. Gazoturbinnyye i kombinirovannyye ustanovki: tezisy dokl. Vsesoyuznoy konferentsii перевод названия конференции. Moscow: MGTU, pp. 43–44. (in Russian)Ковальногов Н.Н. Влияние природы газа на эффективность газодинамической температурной стратификации // Вестник Ульяновского государственного технического университета. 2010. № 2 (50). С. 67–69.Kovalnogov, N.N. (2010). Nature of gas influence on gas-dynamic temperature stratification efficiency. Vestnik Ulyanovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, no. 2, pp. 67–69. (in Russian)Гортышов Ю.Ф., Дресвянников Н.С. Теория и техника теплофизического эксперимента / Под ред. В.К. Щукина. М.: Энергоатомиздат, 1985. 360 с.Gortyshov, Yu.F., Dresvyannikov, F.N. and Idiatullin, N.S. (1985). Teoriya i tekhnika teplofizicheskogo eksperimenta [Theory and technique of thermophysical experiment]. Moscow: Energoatomizdat, 360 p. (in Russian)Ковальногов В.Н., Федоров Р.В., Чукалин А.В. Экспериментальное исследование пограничного слоя на перфорированной поверхности с демпфирующими полостями / В.Н. Ковальногов, Р.В. Федоров, А.В. Чукалин, А.А. Бондаренко, А.Н. Мирошин // Труды седьмой Российской национальной конференции по теплообмену. М.: Издательский дом МЭИ, 2018. Т. 2. С. 373–376.Kovalnogov, V.N., Fedorov, R.V., Chukalin, A.V., Bondarenko, A.A. and Miroshin, A.N. (2018). Eksperimentalnoye issledovaniye pogranichnogo sloya na perforirovannoy poverkhnosti s dempfiruyushchimi polostyami [Experimental study of the boundary layer on a perforated surface with damping cavities]. Trudy sedmoy Rossiyskoy natsionalnoy konferentsii po teploobmenu. Moscow: перевод MEI, vol. 2, pp. 373–376. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.