Научный архив: статьи

В статье представлены результаты разработки и гидродинамические исследования режимов работы водоструйного эжектора, работающего в широком диапазоне расходной характеристики (3÷100 л/мин) и представляющего собой струйный насос с осевым подводом активной (рабочей) однофазной жидкой среды и радиальным подводом пассивной (эжектируемой) однофазной жидкой среды. В ходе проведения вычислительного эксперимента с последующей верификацией результатов с натурным экспериментом выявлены работоспособные и неработоспособные режимы работы устройства, получена зависимость КПД от значений расходов активной и пассивной сред в широком диапазоне. В процессе верификации установлена разница вычислительного эксперимента с натурным, не превышающая 5 %, что соответствует достаточной инженерной точности.

По мере увеличения численности населения на планете растет также и потребность в энергии, которую исторически в основном получают от углеводородов. Невзирая на масштабные инвестиции в сферу возобновляемой энергии с целью снижения зависимости от исчерпаемых источников энергии, нефтяная отрасль до сих пор играет существенную роль в современном мире и, согласно предположениям специалистов, данный тренд будет оставаться неизменным на протяжении еще нескольких десятилетий. Однако, учитывая уменьшение запасов углеводородных месторождений, специалисты активно работают над разработкой новых способов и современных технологий, способных технологически и экономически увеличить эффектиновность добычи нефти.

Одним из таких методов, способствующих повышению нефтеотдачи, является снижение массовой доли минералов, в том числе соли, содержащейся в составе закачиваемой в пласты жидкости для поддрежания пластового давления. Результаты данного исследовательского проекта показывают, что при уровне минерализации, равной 0,02 %, количество нефтеотдачи составило 26,1 %, при этом базовый вариант заводнения составляет 22,2 %. К тому же показатели при применении полимера и полимерных поверхностно-активных веществ оказались 28,1 и 31,2 % (самый высокий показатель).

Одним из эффективных методов неразрушающего контроля крупномасштабных конструкций является активная вибродиагностика. Она заключается в локальном динамическом воздействии на объект и регистрации его вибрационного отклика. По совокупности откликов в разных точках определяется механическое состояние предмета исследования. Согласно методу активной вибродиагностики, динамические воздействия реализуются с помощью специальных устройств – актуаторов. На сегодняшний день наибольшее распространение получили пьезокерамические актуаторы. Как правило, они представляют собой пластину из пьззокерамики, которая может располагаться на поверхности объекта или быть внедренной в него. Ранее авторами предложен пьезокерамический актуатор с присоединенной массой, способный создавать более интенсивное воздействие на конструкцию. В данной работе с использованием численного моделирования проведено сравнение эффективности применения модифицированного устройства с традиционными на примере бетонной плиты и модельного 4-этажного здания из железобетона. На основе полученных результатов сделан вывод, что интенсивность упругих волн, возбуждаемых актуаторами трех перечисленных видов, существенно отличается. Пьезокерамическая пластина, размещенная на поверхности конструкции, дает волну с наименьшей амплитудой, у пластины, внедренной в бетон, амплитуда увеличивается в 1.9 раза, у пластины с присоединенной массой – в 12 раз. Вычислительный эксперимент, демонстрирующий распространение упругой волны по элементам модельного здания, позволил оценить интенсивность колебаний на разном расстоянии от источника вибраций. При использовании актуатора с присоединенной массой амплитуда ускорений в точке, удаленной от актуатора на 1.7 м, составила 20 м/с2, на 5.2 м – 5 м/с2; на 8.7 м – 2 м/с2. Ускорения такого уровня могут быть достоверно измерены большинством современных акселерометров, Таким образом, для активной вибродиагностики крупномасштабных железобетонных конструкций наиболее перспективным является применение пьезокерамических актуаторов с присоединенной массой. Включение их в систему мониторинга дает возможность снизить общее число актуаторов и сенсоров за счет увеличения расстояния между ними. 

Работа посвящена вопросам реализации разработанной авторами математической модели дыхательной системы человека, предназначенной для прогнозирования возникновения патологий органов дыхания, обусловленных негативным воздействием загрязняющих компонентов атмосферного воздуха. Предложенная модель описывает легкие как упруго-деформируемую насыщенную двухфазную пористую среду, испытывающую большие градиенты перемещений. Поскольку аналитическое решение поставленной существенно нелинейной задачи представляется нереализуемым, для решения предлагается прибегать к численным методам с пошаговыми процедурами. Предложен алгоритм решения связанной задачи фильтрации воздуха в упруго-деформируемой пористой среде. Численное решение нелинейной подзадачи деформирования двухфазной среды легких осуществляется методом конечных элементов, подзадачи фильтрации — методом конечных объемов. Для реализации алгоритма разработан комплекс программ (на языке C++) с применением технологий параллельных вычислений. На основе томографических снимков легких, получаемых с помощью интерактивного программного продукта ITK-SNAP, выполняется восстановление трехмерной формы легких. С использованием пакета ANSYS ICEM CFD строится объемная конечно-элементная сетка. Численное моделирование течения воздуха в легких человека производится для персонализированной трехмерной геометрии. Представлены поля давления газовой фазы в легких человека в различные моменты дыхательного цикла. Разработанную модель в дальнейшем планируется рассматривать как инструмент для определения зон риска развития патологий органов дыхания, обусловленных негативным воздействием аэрогенных факторов среды обитания.

В данной статье рассмотрены перспективы использования новых модификаций классического критерия Пирсона при проверке гипотезы независимости, что позволяет при использовании трех искусственных нейронов, полученных модификацией критерия Пирсона, снижать вероятность ошибок. Использование пяти модифицированных критериев Пирсона позволяет снизить вероятности ошибок до 0.053. Построена линейная экстраполяция снижения вероятностей ошибок с ростом числа, используемых совместно статистических критериев.

Численный анализ и результаты экспериментальных исследований используются для прогнозирования длительной прочности металлокомпозитного бака высокого давления, используемого для хранения топлива в системах электрореактивных двигателей космических аппаратов. Результаты исследований свидетельствуют, что рассматриваемая конструкция МКБВД имеет высокие ресурсные показатели. Это позволяет обеспечивать требуемые характеристики ресурса бака в течение заданного срока эксплуатации в условиях ползучести материала силовой оболочки. Делается вывод о возможности дальнейшей оптимизации конструкции МКБВД и повышения его весовой эффективности.

Предложена модель перовскитного солнечного элемента со структурой FTO/TiO2/CH3NH3PbI3-xClx/Cu2O/Au в программе численного моделирования SCAPS-1D. Проведено исследование влияния толщины слоя перовскита CH3NH3PbI3-xClx, а также толщины, концентрации акцепторов и подвижности дырок в слое Cu2O на фотоэлектрические характеристики солнечных элементов. Получено, что оптимальная толщина слоя перовскита составляет 600–700 нм. Увеличение толщины слоя Cu2O от 50 до 500 нм не оказывает существенного влияния на эффективность солнечного элемента, при этом оптимальная концентрация акцепторов в слое Cu2O составляет 1018–1019 см-3, а подвижность дырок должна быть более 0,1 см2/(В с). Показано, что перовскитный солнечный элемент с дырочным проводящим слоем Cu2O обладает лучшими характеристиками по сравнению со слоем Spiro-OMeTAD и имеет наибольшую эффективность 21,55 %.

С использованием моделирования процесса продувки расплава в сталеразливочном ковше, проведенного применительно к условиям электросталеплавильного цеха АО «ЕВРАЗ ЗСМК», определены закономерности влияния интенсивности продувки на параметры, характеризующие интенсивность перемешивания металла: мощность перемешивания и эффективный коэффициент диффузии. Показано, что повышение интенсивности продувки инертным газом в широких пределах варьирования данного показателя увеличивает мощность перемешивания вне зависимости от режима истечения газовых струй и направления переноса. При этом влияние удельного расхода вдуваемого в расплав инертного газа на интенсивность перемешивания более выражено для струйного режима продувки по сравнению с пузырьковым, что позволяет определить характеристики процесса гомогенизации расплава при расчете эффективного коэффициента диффузии. На основании статистических исследований определено, что в условиях рассматриваемого цеха увеличение длительности периодов продувки рельсовой стали с интенсивностью более 1,1 м3/мин оказывает значимое влияние на уменьшение отбраковки рельсов из-за наличия неметаллических включений. Полученные результаты теоретических и аналитических исследований явились базой для разработки усовершенствованного режима продувки рельсовой стали инертным газом в процессе обработки на агрегате ковш-печь. Отличительной особенностью усовершенствованного режима является наличие во второй половине продувки периода с повышенной до 1,2 - 1,6 м3/мин интенсивностью подачи инертного газа с продолжительностью не менее 10 мин. Опытно-промышленное опробование разработанного режима продувки инертным газом подтвердило его эффективность с точки зрения рафинирования рельсовой стали от неметаллических включений. В серии из 110 опытных плавок зафиксировано снижение отбраковки рельсов из-за наличия неметаллических включений на 0,6 %.

Рассмотрено движение многофазного потока в выпарной емкости аппарата погружного горения при различной дисперсности газожидкостной струи. Исследование проводилось на примере контейнера с затопленной струей и свободной поверхностью, который является модельным представлением выпарной емкости. Проведена серия численных экспериментов с различными диаметрами пузырьков газа методом конечных объёмов. Диаметр пузырьков газа выбирался таким образом, чтобы исключить их дробление. При этом были задействованы вихревая модель турбулентности и модель сопротивления Грейс, учитывающая деформацию пузырьков. В результате численных экспериментов получены данные о зависимости гидродинамического поведения в выпарной емкости от морфологии затопленной струи. Обнаружено наличие неподвижной зоны на кончике газожидкостной струи при ее ударе о выпариваемую среду. Сделан вывод о необходимости учёта морфологии потока для описания структуры течения и, как следствие, определения дальнобойности струи.

На сегодняшний день одной из важных и актуальных задач науки аэродинамики является исследование и оптимизация аэродинамических характеристик форм тел в потоке газа. Данная проблема возникает при проектировании летательных аппаратов и различных судов и связана с рациональным выбором формы профиля по большому количеству различных характеристик и, в частности, по величине аэродинамического сопротивления.

В данной работе описываются методы оптимизации осесимметричного аэродинамического профиля в стационарном ламинарном невязком потоке газа под различны-ми углами атаки. Предлагаемый метод решения подобной проблемы оптимизации и численного исследования аэродинамических характеристик описанного тела в потоке является актуальным ввиду сложности ее решения, например, традиционными методами на основе системы дифференциальных уравнений Навье-Стокса. Экспериментальные методы имеют своей основой дорогостоящие и затратные по времени инструменты, не гарантирующие нахождение оптимума. Такой вычислительный инструмент, например, как Ansys Fluent хорошо приспособлен для решения подобных задач гидроаэродинамики и позволяет не только ускорить и удешевить процесс проведения вычислительного эксперимента, но и повысить эффективность его проведения.

В статье описывается процесс поиска оптимума, сводящийся к минимизации лобового сопротивления ранее описанного нами осесимметричного профиля. Также приводится описание параметризации геометрии профиля крыла и его анализ посредством предлагаемого программного комплекса.

Результатом проведенного численного исследования является полученное описание аэродинамических характеристик оптимизированной формы профиля для различных скоростей потока газа.

Проведено численное моделирование оксидного солнечного элемента на основе p–n гетероперехода Cu2O/TiO2 для оптимизации его структуры и повышения эффективности преобразования энергии. Исследовано влияние толщин слоев, концентраций акцепторов и доноров в слоях Cu2O и TiO2, а также работы выхода из материала тыльного контакта на фотоэлектрические параметры солнечного элемента. Получено, что оптимальная толщина слоев Cu2O и TiO2 составляет 1,5 мкм и 100 нм соответственно. Показано, что для получения высокой эффективности солнечного элемента концентрация акцепторов в слое Cu2O должна составлять 1016 см-3, а концентрация доноров в слое TiO2 должна быть 1019 см-3. Получено, что работа выхода материала тыльного контакта должна быть не менее 4,9–5 эВ для достижения высоких значений эффективности. Наиболее подходящими материалами для контакта к Cu2O являются Ni, C и Cu. Для солнечного элемента на основе p–n гетероперехода Cu2O/TiO2 получена максимальная эффективность 10,21 % (плотность тока короткого замыкания 9,89 мА/см2, напряжение холостого хода 1,38 В, фактор заполнения 74,81 %). Результаты могут быть использованы при разработке и формировании гетероструктур недорогих оксидных солнечных элементов.

Цель. Исследована интенсивность взмучивания илистых донных осадков в заливе Восточный Сиваш (Азовское море) в период экстремального шторма и оценен вклад течений и ветрового волнения в процессы взмучивания.

Методы и результаты. Поля течений рассчитываются на основе трехмерной σ-координатной модели циркуляции вод типа POM, дополненной блоком взмучивания илистых осадков. Для расчета ветрового волнения используется спектральная модель SWAN. В обеих моделях применяется прямоугольная расчетная сетка с горизонтальным разрешением 300 м. В качестве форсинга используются данные атмосферного реанализа ERA-Interim, соответствующие экстремальной штормовой ситуации 10–13 ноября 2007 г. На основе проведенных расчетов в работе проанализирована структура полей волнения, течений, придонных сдвиговых напряжений и концентрации взвешенного вещества в Восточном Сиваше для разных фаз шторма. Предложена методика оценки чувствительности модели взмучивания к вариациям значений входных параметров.

Выводы. Используемая модель взмучивания наиболее чувствительна к вариациям значений параметров, определяющих интенсивность вертикального потока частиц ила со дна бассейна. В период максимального развития шторма на 80 % общей площади залива Восточный Сиваш создаются условия для формирования областей взмучивания. Если при моделировании не учитывается вклад волн, общая площадь взмучивания сокращается в четыре раза, что говорит об определяющем вкладе придонных волновых напряжений в формирование областей взмучивания донных осадков в заливе.