Все выпуски

Проведен численный анализ сопряженной естественной конвекции в пористой среде, насыщенной газом, окруженной твердыми стенками конечной толщины при наличии локального источника тепла. Краевая задач сформулирована в безразмерных переменных "функция тока - вектор завихренности - температура" и решена методом конечных разностей. Установлены масштабы влияние источника тепла, проницаемости внутреннего объема, фактора нестационарности и теплофизических характеристик ограждающих стенок на режимы течения и теплопереноса.

Conjugate natural convection in a porous medium saturated with a gas surrounded by the finite thickness solid walls at presence of a local heat source has been numerically analyzed. Boundary problem has been formulated in dimensionless variables such as "stream function - vorticity vector - temperature" and it has been solved by finite difference method. The effect levels of the heat source, the medium permeability, the transient factor and the heat conductivity of the solid walls on flow patterns and heat transfer modes have been determined.

Проведено математическое моделирование конвективно-кондуктивно-радиационного теплообмена в кубической полости, заполненной прозрачной для излучения средой. Анализируемый объект представлял собой замкнутый объем с теплопроводными стенками конечной толщины, имеющими диффузно-серые внутренние поверхности. Внешние поверхности двух вертикальных стенок являлись изотермическими, а остальные внешние грани области решения - адиабатическими. Краевая задача сформулирована в безразмерных переменных «векторный потенциал-вектор завихренности-температура» в приближении Буссинеска и с учетом диатермичности сплошной среды. Анализ радиационного теплообмена проведен с использованием метода сальдо в варианте Поляка. Сформулированная нестационарная краевая задача реализована численно методом конечных разностей в широком диапазоне изменения числа Рэлея, коэффициента теплопроводности материала ограждающих твердых стенок и коэффициента излучения. Получены корреляционные соотношения для средних конвективного и радиационного чисел Нуссельта на характерной внутренней границе раздела сред. Проведено сравнение полученных результатов с данными двумерной модели. Установлено, что при рассмотрении трехмерной задачи можно оценить формирование интенсивных поперечных перетоков среды со стороны двух вертикальных поверхностей, которые отсутствуют в двумерной постановке. Показано, что решение задач конвективно-радиационного теплопереноса в сопряженной постановке приводит к существенным изменениям в распределениях локальных и интегральных характеристик по сравнению с несопряженной моделью, что в первую очередь связано с более корректным описанием механизма теплового излучения в диатермичных средах за счет учета теплопроводности ограждающих твердых стенок.

Mathematical simulation of convective-conductive-radiative heat transfer in a cubical cavity filled with diathermanous medium has been carried out. The domain of interest is a closed volume having heat-conducting solid walls of finite thickness with diffuse grey inner surfaces. The outer surfaces of two vertical walls are isothermal while the other walls are adiabatic. The boundary-value problem has been formulated in dimensionless variables such as “vector potential-vorticity vector-temperature’’ in the Boussinesq approximation and taking into account the diathermancy of the continuous medium. An analysis of surface thermal radiation has been conducted on the basis of the net-radiation method in the form of Poljak. The formulated transient boundary-value problem has been solved by finite difference method in a wide range of the Rayleigh number, thermal conductivity ratio and surface emissivity. Correlations for the average convective and radiative Nusselt numbers at the characteristic internal solid-fluid interface have been obtained. The comparison between the obtained three-dimensional results and the two-dimensional data has been conducted. It has been found, that on the basis of a three-dimensional model it is possible to analyze the formation of intensive transverse flows from two vertical surfaces which are absent in a two-dimensional model. It has been also shown, that the solution of convective-radiative heat transfer problems in the conjugate statement leads to essential changes in distributions of local and integral parameters in comparison with the non-conjugate model, which first of all is related to a more correct description of the thermal radiation in diathermanous media due to taking into account the thermal conduction of the solid walls.

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.

Представлены результаты численных исследований собственных колебаний усеченных прямых конических оболочек вращения, полностью заполненных идеальной сжимаемой жидкостью. Толщина оболочек непостоянна вдоль образующей и изменяется по различным законам. Поведение упругой конструкции и жидкой среды описывается в рамках классической теории оболочек, основанной на гипотезах Кирхгофа–Лява, и уравнений Эйлера. Уравнения движения оболочки совместно с соответствующими геометрическими и физическими соотношениями сводятся к системе обыкновенных дифференциальных уравнений относительно новых неизвестных. Акустическое волновое уравнение, записанное относительно гидродинамического давления, преобразуется к системе дифференциальных уравнений с помощью метода обобщенных дифференциальных квадратур. Решение сформулированной краевой задачи осуществляется методом ортогональной прогонки Годунова и сводится к вычислению собственных частот колебаний. Для этой цели используется сочетание пошаговой процедуры с последующим уточнением найденных значений в полученном диапазоне методом Мюллера. Достоверность получаемых результатов подтверждена сравнением с известными численными решениями. Для оболочек с различными углами конусности и комбинациями граничных условий (свободное опирание, жесткое и консольное закрепления) исследованы зависимости низших частот колебаний, полученных при степенном (линейном и квадратичном, имеющих симметричную и несимметричную формы) и гармоническом (с положительной и отрицательной кривизной) изменении толщины. Оценено влияние граничных условий на возможность существования конфигураций (угол конусности, закон изменения толщины, отношение максимальной и минимальной толщины профиля), обеспечивавших повышение фундаментальной частоты по сравнению с оболочками постоянной толщины при ограничениях на вес конструкции.

The article presents the results of numerical studies of natural vibrations of truncated straight conical shells of revolution completely filled with an ideal compressible fluid. The shell thickness is not constant along the generatrix and changes according to various laws. The behavior of the elastic structure and liquid medium is described in the framework of the classical shell theory, which is based on the Kirchhoff–Love hypotheses and the Euler equations. The equations of shell motion together with the corresponding geometric and physical relations are reduced to a system of ordinary differential equations with respect to new unknowns. The acoustic wave equation written with respect to the hydrodynamic pressure is transformed to a system of differential equations using the method of generalized differential quadrature. The solution of the formulated boundary value problem is developed by the Godunov orthogonal sweep method and is reduced to the calculation of natural vibrational frequencies. To this end, a step-by step computational procedure is applied in combination with the subsequent refinement of the found values in the obtained range by the Muller method. The validity of the results obtained is verified by comparison with the known numerical solutions. For shells with different cone angles and combinations of boundary conditions (free support, rigid clamping and cantilevered support), the dependence of the lowest vibration frequencies obtained with a power (linear and quadratic, having symmetric and asymmetric forms) and harmonic (with positive and negative curvature) thickness change were investigated. The influence of boundary conditions on the possibility of the existence of configurations (cone angle, law of thickness variation, ratio of maximum or minimum cross-section thickness) that ensured an increase in the fundamental frequency compared to shells of constant thickness with restrictions on the weight of the structure was estimated.

Проведено математическое моделирование сложного теплообмена в замкнутой области, заполненной диатермичной средой. Область решения представляет собой замкнутую полость с теплопроводными стенками конечной толщины, имеющими диффузно-серые внутренние поверхности. Краевая задача сформулирована в безразмерных переменных «функция тока–завихренность–температура» и решена методом конечных разностей. Установлены масштабы влияния числа Рэлея, степени черноты внутренних поверхностей и коэффициента теплопроводности материала ограждающих твердых стенок на режимы течения и теплопереноса.

Complex heat transfer in an enclosure filled with diathermanous medium has been numerically analyzed. The domain of interest is a gas cavity bounded with the heat-conducting solid walls of finite thickness having diffuse grey inner surfaces. The boundary problem has been formulated in dimensionless variables such as «stream function–vorticity–temperature» and it has been solved by finite difference method. The effect levels of the Rayleigh number, the surface emissivity and the thermal conductivity ratio on flow patterns and heat transfer modes have been determined.