Все выпуски

Разработана осесимметрическая модель на основе упрощенных уравнений вязкой жидкости для исследования двухслойного течения со свободной границей, создаваемого подъемом жесткого блока фундамента. Получено численное решение полной нелинейной системы и выполнен анализ малых возмущений движения границ слоев. Основной результат заключается в том, что кольцевая структура образуется на поверхности жидкости, если плотность нижнего слоя больше, чем у верхнего. Предлагаемая модель может представлять интерес для геофизики при изучении процесса образования крупномасштабных кольцевых структур на поверхности Земли и других планет.

The axisymmetric model based on simplified equations of incompressible viscous fluid is developed to investigate the evolution of free-surface two-layered creeping flow subjected by the uplift of the substrate's block. We numerically solve the nonlinear governing equations and perform the small-amplitude analysis of the behavior of both fluid interfaces. The main result is that a ring pattern does occur on the upper surface provided that the density of the lower layer is greater then that of the upper one. The presented model may be of interest for geophysics to study large-scale ring structures on the Earth and other solid planets.

На основе упрощенных уравнений Навье-Стокса в длинноволновом приближении построена нелинейная модель двухслойного течения вязкой жидкости со свободной границей, создаваемого начальным рельефом границ слоев. Используя метод малого параметра, исследуется эволюция течения на больших временах и определяется зависимость между движением поверхности и границы раздела жидкости. Полученные результаты применяются для расчета профиля границы кора-мантия под крупномасштабной кольцевой структурой на Луне.

The nonlinear model based on the long-wave approximation of the Navier-Stokes equations is developed to investigate the evolution of free-surface two-layered creeping flow subjected by the initial topography of the surface and interface between layers. Using the method of asymptotic expansions for the governing equations, we study a long-time evolution of the flow and reveal the relation between the surface and interface displacements. The obtained results are applied to calculate the profile of the crust-mantle interface beneath the large-scale lunar basin.

Предлагается осесимметрическая модель, построенная на основе уравнений Стокса, для исследования образования многокольцевой структуры в ползущем двухслойном течении с переменной толщиной слоев. Каждый слой имеет постоянную плотность и вязкость. Верхний слой имеет меньшую плотность, чем нижний. Течение создается рельефом поверхности и границы раздела слоев. Предполагается, что эффекты поверхностного натяжения пренебрежимо малы. Мы используем асимптотический метод многих масштабов для получения уравнений, описывающих неустойчивость, возникающую в виде волны в этом течении. С помощью преобразований Фурье и Лапласа мы исследуем уравнения главного приближения для этой неустойчивости в предположении малости возмущений. Асимптотическое исследование показывает, что эта неустойчивость проявляется в виде осесимметричной волны, длина которой соизмерима с толщиной слоев, и толщины слоев играют главную роль в пространственном распределении ее экстремумов. Остальные параметры модели влияют в основном на амплитуду волны. Получено уравнение, связывающее толщины слоев с распределением экстремумов, которое применяется для исследования закономерности расположения кольцевых хребтов, наблюдаемой для большинства крупномасштабных кольцевых структур на Луне. Используя параметры некоторых лунных кольцевых структур, мы определили радиусы последовательно расположенных экстремумов неустойчивости и провели сравнение модельных результатов с радиусами концентрических хребтов некоторых многокольцевых структур на Луне.

The axisymmetric model based on the Stokes equations is proposed to investigate the multi-ring pattern formation in two-layer creeping flow with variable thickness of layers. Each layer has uniform density and viscosity. The upper layer is lighter than the lower layer. The flow is generated by both surface and interface geometry. The effect of surface tension is supposed to be negligible. We apply the method of multiple scales to obtain the governing equations describing instability in the form of wave in the flow. Using the Fourier-Laplace method, we analyze the small-amplitude leading behavior of the instability. The asymptotic study reveals that this kind of instability manifests itself as axisymmetric wave which length is comparable with layer thickness; moreover, layer thicknesses play a major role in spatial distribution of wave extrema. The other model parameters alter mostly the wave amplitude. The equation relating extrema distribution to layer thicknesses is derived. We apply the obtained results to study a ring spacing rule observed for most multi-ring basins on the Moon. Using parameters of some lunar multi-ring basins we calculate the consecutive crest radii of the unstable wave and compare the results of simulation with the measured ring radii.

Разработана нелинейная модель трехслойного течения со свободной границей на основе упрощенных уравнений вязкой жидкости в длинноволновом приближении. Проведено асимптотическое исследование модели, которое показало существование двух различных режимов эволюции течения на малых и больших временах. Получено уравнение, связывающее смещения границ слоев на больших временах, не зависящее от предыстории течения. Модельные результаты используются для изучения поведения глубинной границы под крупномасштабной кольцевой структурой на Луне в зависимости от изменения геометрических физических параметров модели.

The nonlinear model based on the long-wave approximation of the Navier–Stokes equations is developed to study the free-surface three-layered creeping flow. An asymptotic study of the governing equations reveals two different modes of evolution at a short and long time. The relation between layers’ boundaries is obtained that is independent of a pre-history of the flow. The obtained results are applied to study a behavior of the deep interface beneath the large-scale lunar basin under the variation of geometrical and physical model’s parameters.

В статье представлены результаты моделирования гидродинамических процессов, происходящих в рабочем пространстве капиллярных вискозиметров постоянного расхода трёх различных конфигураций. Результаты получены путем численного решения уравнений Навье-Стокса для ламинарного течения с использованием метода конечных элементов. Установлено влияние длины капиллярной трубки и формы дна цилиндра на метрологические характеристики вискозиметра.

The results of the modeling of hydrodynamic processes in the operating space of 3 different types of fixed flow capillary viscometers are represented in the article. The results were obtained from computational solution of the Navier-Stokes equation for laminar flow with the use of finite-element method. The influence of capillary tube and cylinder bottom shape on the metrological performance of viscometer was established.

Численно исследуются газодинамические процессы, протекающие в начальный момент работы сверхзвукового сопла с высокой степенью геометрического расширения. Основное внимание уделяется изучению механизмов потери течением осевой симметрии за счет неустойчивости образующихся в сверхзвуковой части сопла зон отрывного течения. Модель нестационарного течения вязкого теплопроводного сжимаемого газа по соплу основана на системе уравнений сохранения в форме Навье-Стокса. Турбулентность исследуемого течения моделируется методом отсоединенных вихрей DES и его модификацией DDES с привлечением полуэмпирической модели Спаларта-Аллмараса. Выполнено сравнение распределения давления на стенке сопла, проекции годографа вектора тяги, мгновенных и осредненных картин течения с экспериментальными данными и численными результатами других авторов. Показано, что применение вихреразрешающего моделирования DES и DDES позволяет адекватно описать основные особенности течения и воспроизвести феномен возникновения боковой составляющей тяги сверхзвукового сопла при приемлемом уровне вычислительных затрат.

In this paper, we numerically examine the separated flow in an overexpanded nozzle developed during the starting phase of a rocket engine featuring the side-load effect. We use detached eddy simulation (DES), namely, its version referred to as delayed DES, and compare our results with the existing experimental and numerical data. The calculations are based on finite volume approximation of the Navier-Stokes equations for perfect gas and pressure-based formulation with PISO coupling. By investigating the unsteadiness associated with the shock-induced separation, a better insight can be obtained as to how these affect the nozzle start-up. Three-dimensional, transient, turbulent computational fluid dynamics methodology has been demonstrated to capture major side-load physics with supersonic nozzles. The main flow properties (wall pressure levels, shock waves pattern, side load locus) are rather well reproduced. We suggest using a delayed detached eddy simulation for more accurate predictions of the flow separation.

В работе построен алгоритм повышенного порядка точности на основе WENO схем для моделирования динамики многокомпонентного реагирующего газа с учетом процессов диффузии, теплопроводности и химических реакций. Проведены расчеты для течения газа в проточном реакторе для термического пиролиза этана с внешним обогревом реакционной зоны. В рассматриваемых течениях скорость движения газа много меньше скорости распространения звука в газовой смеси, что обуславливает использование уравнений Навье-Стокса в приближении малых чисел Маха для описания исследуемых процессов. Расчет уравнений химических реакций выделяется в отдельный шаг, где скорость реакции определяется на основе выражений Аррениуса. Для построения модели химической кинетики принята кинетическая схема пиролиза этана, представляющая собой разветвленный радикальный механизм. Проведены расчеты дозвукового течения газа с учетом процессов диффузии, химических реакций и их тепловых эффектов для различных температур нагревательных элементов. Сравнение с экспериментальными данными показало, что $1.97\,\%$-ная конверсия этана в расчетах достигается для $648\,^{\circ}$C на выходе металлического реактора, что близко к экспериментальным значениям, составляющим $2.1\,\%$. Сравнение данных экспериментов по термическому пиролизу этана с данными, полученными в ходе вычислительного эксперимента, показало высокую степень достоверности полученных результатов.

The article considers a high-order accuracy algorithm for modelling the dynamics of multicomponent reactive gas taking into account the processes of diffusion, thermal conductivity and chemical reactions, based on WENO schemes. Computations for gas flow in a flowing reactor for thermal ethane pyrolysis with external heating of the reaction zone are carried out. The velocity of gas motion in explored flows is much less then sound velocity in gas mixture, which motivates using the Navier-Stokes equations in approximation of low Mach numbers for describing the processes under study. Computation of chemical kinetics equations is singled out as a separate step. The velocity of chemical reactions is defined by Arrhenius expressions. The ethane pyrolysis kinetic scheme is used for constructing the model, which is a branched radical mechanism. Computations of subsonic gas flow taking into account the processes of diffusion, chemical reactions and their thermal effects for different temperature of heating elements are carried out. Comparison with experimental data shows that $1.97\,\%$ conversion of ethane is reached at $648\,^{\circ}$C at the outflow of metal reactor. This result is close to $2.1\,\%$, which is obtained by experiment. Comparison of experimental data of thermal ethane pyrolysis with numerical experimental data shows a high level of reliability of the results obtained.

Приводится вычислительный алгоритм высокого порядка точности для решения задач аэродинамики и газовой динамики. Метод прямого численного моделирования основан на применении современных схем WENO при аппроксимации по пространству конвективных слагаемых и первых производных системы полных уравнений Навье-Стокса. Вторые производные и диффузионные члены уравнений разрешаются с помощью центрально-разностной схемы высокого порядка точности. Результаты моделирования с использованием метода демонстрируются на примере решения двух задач. Показывается, что вычислительные алгоритмы адекватно воспроизводят физические эффекты, свойственные как дозвуковым течениям (вихревые дорожки), так и сверхзвуковым потокам (разрывы параметров, ударные волны, скачки уплотнения).

A computational high-order algorithm for solving aerodynamics problems is presented. A direct numerical simulation method is based on the application of modern WENO-schemes at the approximation according to the space of convective summands and first derivatives of the system of full Navier-Stokes equations. Second derivatives and diffusive terms of the equations are resolved with a high-order central-difference scheme. The results of simulation with the use of the above method are demonstrated in considering the solution of two problems. It is shown that computational algorithms efficiently reproduce physical behavior of subsonic flows (vortex trail) and supersonic flows (discontinuity of parameters, air-blasts, compression shocks).

Рассматриваются два подхода к решению задачи математического моделирования обтекания метаемых тел: численное решение уравнений движения сплошной среды Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу (RANS - Reynolds-averaged Navier–Stokes), с использованием модели турбулентности и прямое численное моделирование (DNS - Direct Numerical Simulation). Тестирование рассматриваемых подходов проводится при решении задачи обтекания тел вращения с простой геометрией: сферы и цилиндра с конической головной частью, для которых известны значения коэффициентов сопротивления при различных числах Маха. Проведено качественное и количественное сравнение результатов обтекания рассматриваемых тел сверхзвуковым потоком, полученным по методикам RANS и DNS. Апробация методики численного моделирования проводится для метаемого тела (снаряда) характерной формы. Представлены результаты численного моделирования обтекания снаряда для широкого диапазона параметров: чисел Маха и углов нутации. Выполнено сравнение расчетных значений коэффициентов сопротивления с эмпирическими эталонными зависимостями по законам 1943 и 1958 годов.

Two approaches to the problem of numerical simulation of streamlined bodies airflow are considered. These approaches are: numerical calculation of the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations (RANS) using the turbulence model and direct numerical simulation (DNS). Testing of the considered approaches were conducted by solving the problem of flow past bodies of revolution with simple geometries: sphere and cone cylinder, for which values of drag coefficient at different Mach numbers are known. Qualitative and quantitative comparison of the results for the supersonic flow (modelled by RANS and DNS methods) around the bodies under consideration are carried out. The numerical simulation method is tested by considering the missile body (projectile) of characteristic shape. The numerical simulation results for the flow around the projectile are presented for a wide range of parameters: Mach numbers and angles of nutation. The calculated values of the drag coefficients are compared to the empirical reference dependencies according to the laws of 1943 and 1958.

В статье рассматривается модельная задача несжимаемого течения жидкости и переноса тепла в коротком плоском канале с обратным уступом. Цель работы состоит в исследовании влияния граничного условия для потока тепла (температуры) на выходе из канала на характеристики теплопереноса внутри канала. Система уравнений Навье-Стокса и баланса тепла решаются численно с использованием равномерной сетки разрешением $6001\times301$ узлов. Для разностной аппроксимации пространственных производных используется метод контрольного объема второго порядка. Достоверность получаемых решений подтверждена для широкого диапазона числа Рейнольдса $(100 \leqslant \text{Re} \leqslant 1000)$ и числа Прандтля $\text{Pr} = 0.71$ путем сравнения с экспериментальными и теоретическими результатами, найденными в литературе. Анализируются картины течения, поля изотерм перегрева потока и поведение локального числа Нуссельта вдоль нагретой нижней стенки канала в зависимости от выбора выходного граничного условия для потока тепла (температуры). Показано, что этот выбор может оказать существенное влияние на характер прогрева течения внутри всего канала. По результатам исследования выбор сделан в пользу нелинейного граничного условия.

A test problem of the laminar steady incompressible flow and heat transfer over backward-facing step in a 2D short channel is presented. The focus of the study is on the changes in heat transfer characteristics of the flow field inside the channel due to different boundary conditions for heat flux at the outflow border of the domain. The Navier-Stokes equations in a velocity-pressure formulation and energy equation are numerically solved using a uniform grid of $6001\times301$ points. The control-volume technique for the second-order difference approximation for spatial derivatives is used. The solutions were validated for a wide range of Reynolds numbers $(100 \leqslant \text{Re} \leqslant 1000)$ and Prandtl number $\text{Pr} = 0.71$, comparing them to experimental and numerical results found in the literature. The isotherm patterns and behaviors of Nusselt number along the heated bottom wall of the channel are examined. The study results showed that a condition for the heat flow (temperature) at the outlet border can influence the heat transfer in the whole domain. The nonlinear boundary condition for temperature at the outflow border is claimed as the best.