Научный архив: статьи

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.

Цель. Выведено конечно-разностное уравнение потенциальной завихренности трехмерной бароклинной жидкости с учетом диффузии и вязкости в квазистатическом приближении. Его слагаемые рассчитаны и проанализированы при численном моделировании циркуляции Черного моря для двух периодов – зимы и лета 2011 года.

Методы и результаты. Для системы дискретных уравнений динамики моря в приближении гидростатики и с учетом вязкости, диффузии, втока рек, водообмена через проливы и атмосферного воздействия получено конечно-разностное уравнение потенциальной завихренности стратифицированной несжимаемой жидкости. Показано, что основной вклад в потенциальную завихренность вносит ее вертикальная компонента. Горизонтальные составляющие преобладают в областях стока рек и водообмена через проливы. Вертикальная компонента потенциальной завихренности за исключением зон стока рек определяется величиной и структурой абсолютного вихря. В верхнем слое моря адвекция потенциальной завихренности вносит основной вклад в прибрежной области моря, в северо-западной части и вдоль Анатолийского побережья. На нижних горизонтах ее наибольшие значения наблюдаются в районе вдольбереговой полосы с более ярко выраженным характером у южного берега моря.

Выводы. Анализ уравнения потенциальной завихренности показал, что величина адвективных слагаемых определяется дивергенцией от произведения нелинейных слагаемых в уравнениях движения и градиента плотности. Главный вывод: локально сумма вертикальной и горизонтальной адвекции потенциальной завихренности на два порядка меньше, чем каждая по отдельности.

Исследуются характеристики штормового волнения в бухте Ласпи (Крымский полу-остров) с использованием численной гидродинамической модели SWASH с пространственным разрешением 5 м. В качестве граничных условий задаются данные реанализа волнения, полученные на основе спектральной модели SWAN. Анализируются поля значимых высот волн hs и скоростей волновых течений в бухте при штормах различной режимной обеспеченности. Установлено, что при штормах, возможных 1 раз в год, 1 раз в 5, 10 и 25 лет максимальные значения hs в бухте могут достигать 2.5–3.0, 4.0–4.5, 5.0–5.5 и 6.0–6.5 м соответственно. При этом при штормах, возможных 1 раз в 25 лет, усиление волновых скоростей до 1.5–3.0 м/c происходит вблизи берега на глу-бинах менее 10 м. Влияние на волны защитного мола, построенного в 1980-х гг., является локальным и проявляется в формировании теневой зоны с его подветренной сто-роны. Обсуждаются вопросы возможного влияния штормового волнения на сокращение донной растительности в бухте Ласпи. Анализ волновой нагрузки на дно бухты показал, что в период экстремальных штормов в ее акватории наиболее подвержен-ными воздействию волн оказываются склоны в области глубин от 2 до 12 м, где значения плотности кинетической энергии увеличиваются до 500–2000 Дж/м3. При этом в западной оконечности бухты плотность может достигать 3000–4500 Дж/м3. В сред-ней части бухты значения энергетической нагрузки невелики. Поэтому к исчезновению здесь донной растительности могло привести не штормовое воздействие, а увели-чение мутности воды, вызванное антропогенными факторами. Полученные результаты имеют большое практическое значение для безопасности мореплавания, проектирования и эксплуатации объектов береговой инфраструктуры.

Рассмотрено численное моделирование бессвинцового перовскитного солнечного элемента в программе SCAPS-1D для оптимизации его структуры и улучшения эффективности преобразования энергии. Проведено исследование влияния толщины, концентраций дефектов и акцепторов в слое бессвинцового перовскита CH3NH3SnI3, а также работы выхода из материала тыльного контакта на фотоэлектрические параметры солнечного элемента. Получено, что оптимальная толщина слоя CH3NH3SnI3 составляет 500 нм, концентрация дефектов должна составлять порядка 1014–1015 см-3, а оптимальная концентрация акцепторов должна составлять 1016 см-3. Показано, что работа выхода материала тыльного контакта должна быть не менее 4,9–5 эВ для создания высокоэффективных солнечных элементов. Получена макси-мальная эффективность 23,13 % для перовскитного солнечного элемента со структу-рой FTO/TiO2/CH3NH3SnI3/Cu2O/C (ток короткого замыкания 31,94 мА/см2, напряже-ние холостого хода 0,95 В, фактор заполнения 76,07 %). Результаты могут быть ис-пользованы при разработке и изготовлении нетоксичных, высокоэффективных и не-дорогих перовскитных солнечных элементов.

Произведено численное моделирование трёхфазного повышающего выпрямителя с коррекцией коэффициента мощности для магнитоэлектрического генератора в составе летательного аппарата. Посредством расчётной модели в программе LTSpice показано влияние параметров силовой цепи и цепи управления на режим работы повышающего преобразователя. Для рассматриваемых параметров первичной цепи определены оптимальные параметры цепи управления, позволяющие достичь максимизации коэффициента мощности при заданном уровне напряжения на нагрузке.

Проведено численное моделирование оксидного солнечного элемента на основе гетероперехода ZnO/Cu2O для оптимизации его структуры и повышения эффективности преобразования энергии. Исследовано влияние шунтирующего и последовательного сопротивлений, толщины и концентрации дефектов в слоях Cu2O и ZnO, а также поверхностной концентрации дефектов на гетерогранице ZnO/Cu2O на фотоэлектрические параметры солнечного элемента. Показано, что величина шунтирующего и последовательного сопротивлений должна составлять 2500 Омсм2 и 3,3 Омсм2, а толщина слоев Cu2O и ZnO должна быть 5 мкм и 20 нм соответственно. Получено, что оптимальная концентрация дефектов (вакансий ионов меди) в слое Cu2O составляет 1015 см-3, концентрация дефектов (кислородных вакансий) в слое ZnO составляет 1019 см-3, а также поверхностная концентрация дефектов на межфазной границе должна быть как можно меньше и составлять 1010 см-2. Оптимизация структуры оксидного солнечного элемента позволила получить эффективность преобразования энергии до 10,25 %. Результаты могут быть использованы при разработке и формировании гетероструктур оксидных солнечных элементов.

На сегодняшний день одной из важных и актуальных задач науки электродинамики является исследование характеристик рассеяния различных электродинамических объектов со сложной формой. Среди них можно выделить полые структуры, которые входят в состав антенных систем и конструкций различных технических объектов. Их вклад в уровни электромагнитных полей в области передней полусферы может быть достаточно большим. Корректное решение характеристик рассеяния электромагнитных волн связано с использованием соответствующих математических методов. С одной стороны, они должны давать, по возможности, меньшую ошибку, с другой стороны размерность получающейся задачи должна быть такой, чтобы получить решение за относительно небольшое время. Исследованы характеристики рассеяния полых структур на основе метода интегральных уравнений. Проводится сравнение на основе методики тонкого экрана, дающее меньшее значение размерности задачи, и с учетом конечной толщины стенок. Определено значение толщины стенок, для которого возможно использование первого подхода. Представлены результаты проведенного моделирования.

Актуальность моделирования вынужденных колебаний микрокапельных агрегатов, входящих в состав магнитных жидкостей, связана с проблемой прогнозирования параметров рабочих тел новых устройств и с созданием новых магниточувствительных сред с управляемыми свойствами. Научный интерес обусловлен уникальной чувствительностью к магнитному полю микрокапельных агрегатов, что связано как с их высокой (для жидких сред) магнитной проницаемостью, так и низким межфазным натяжением на границе раздела агрегата с окружающей его жидкостью, что позволяет получать вынужденные колебания большой амплитуды, характер которых определяется параметрами агрегатов, напряженностью и частотой внешнего поля. Особенности вынужденных колебаний микрокапельных агрегатов при большой амплитуде мало изучены, в частности, представляет интерес разработка универсального метода моделирования, пригодного для проведения вычислительных экспериментов в широком диапазоне изменения межфазного натяжения и исследование возможности подавления колебаний с ростом частоты, проведенное в данной работе. В основу моделирования вынужденных колебаний положен энергетический подход и предположение о том, что форму удлиненного вдоль поля агрегата можно представить эллипсоидом вращения, а его намагниченность - линейной зависимостью от напряженности внешнего магнитного поля. Это позволило провести вычислительный эксперимент при изменении межфазного натяжения на порядок в диапазоне от 2∙10-6 Н/м до 2∙10-5 Н/м и получить удовлетворительное согласование с результатами натурных экспериментов. В результате вычислительного эксперимента установлено, что повышение межфазного натяжения приводит к уменьшению амплитуды колебаний и сокращению удлинения, т. е. подавляет колебания. Практическую ценность представляет прогнозирование деформации агрегатов под действием магнитного поля для разработки новых материалов с управляемыми свойствами.

Представленная статья отражает итоги работы по расширению перечня опций графической оболочки для платформы OpenFOAM в контексте применения программы-решателя stressFoam. Назначение программы - исследование изменения свойств твердых тел под влиянием напряжений. Предметом исследования являются процесс постановки численных экспериментов на базе решателя stressFoam и возможность его осуществления посредством графического интерфейса. Сформулирован главный недостаток среды OpenFOAM, обусловивший необходимость выполнения исследования. Дана информация о назначении программы stressFoam и основной сфере ее применения. Описан набор технологий, необходимых для реализации графической, программной части проекта и подсистемы хранения данных. Приведено обоснование применения каждой технологии, определены архитектура создаваемого продукта и среда разработки. Даны диаграммы структуры и логики работы модуля, где выделены главные программные компоненты модуля и алгоритм его применения для задач механики сплошных сред. Итогом выполненной работы является программное решение, заменяющее привычный подход применения командной строки на более эффективный, в соответствии с которым все шаги выполняются посредством графического интерфейса пользователя. Исходный код продукта размещен в репозитории сервиса GitHub для реализации доступа специалистов, применяющих OpenFOAM в экспериментах и исследованиях.