Применительно к структуре информационно-управляющей системы «Экология» рассмотрены вопросы физико-математической формализации газодинамических процессов, протекающих в струе и облаке продуктов сгорания твердотопливных зарядов при их огневой утилизации на открытом стенде с применением водной экологической защиты. По мнению авторов, сложная картина и многофакторность процессов не позволяет достоверно формализовать их детерминированными методами, поэтому предлагается информационные потоки по параметрам процессов разделить по аналогии с радиотехникой на «сигнал» и «шум», используя для описания сигнала инженерные модели струи и облака продуктов сгорания, а все виды неопределенностей вынести в «шумовую» область, величину которой определять статистической обработкой результатов сжиганий зарядов и использовать эти данные при оценке экологического риска. Исходя из этого в статье предложены аналитические зависимости для определения параметров струи и облака продуктов сгорания, выбраны контрольные параметры и разработаны схемы идентификации этих зависимостей по результатам статических сжиганий заряда, исследована чувствительность выбранных моделей к управляющему воздействию – расходной характеристике водной экологической защиты по воде, даны определения экологических рисков. Показано, что выбранные аналитические модели струи и облака продуктов сгорания отвечают требованиям управляемости, идентифицируемости, адаптивности и могут использоваться в структуре информационно-управляющей системы «Экология».

Ключевые слова: экологическая безопасность, экологический риск, статическое сжигание, огневая утилизация, физико-математическая модель, многофакторные процессы, энергетическая установка, информационно-управляющая система, системный анализ, техническая система, проектирование информационных систем.

Попова Мария Владиславовна (Бийск, Россия) – кандидат физико-математических наук, ведущий инженер, ОАО ФНПЦ «Алтай», popova.maria.v@gmail.com.

Литвинов Андрей Владимирович (Бийск, Россия) – кандидат технических наук, заместитель генерального директора – директор – главный конструктор по НИОКР, ОАО ФНПЦ «Алтай», post@frpc.secna.ru.

Козлов Станислав Николаевич (Бийск, Россия) – кандидат технических наук, профессор, Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, magistrus@city.biisk.ru.

1. Попова М.В., Литвинов А.В., Козлов С.Н. Информационная структура контроля и обеспечения экологической безопасности при огневой утилизации крупногабаритных зарядов РДТТ на открытом стенде // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2013. – № 35. – С. 5–20.

2. Шевырин А.Ю., Лебедев А.С. Оценка параметров струи продуктов сгорания твердого топлива крупногабаритных ракетных двигателей при их ликвидации методом открытого сжигания // Высокоэнергетические материалы: демилитаризация, антитерроризм и гражданское применение: материалы IV Междунар. конф. «HEMS – 2008» (Белокуриха, 3–5 сентября 2008 г.). – Бийск, 2008. – С. 189.

3. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. – М.: Гостехиздат, 1953. – 736 с.

4. Гинзбург И.П. Прикладная гидрогазодинамика – Л.: Изд-во Ленинград. гос. ун-та, 1958. – 338 с.

5. Особенности процессов при запуске энергетических установок без выходных блоков / В.И. Марьяш, В.С. Аверин, А.А. Назаров [и др.] // Материалы всерос. науч.-практ. конф. ФГУП ФНПЦ «Алтай» (Бийск, 26–28 сентября 2001 г.). – Бийск, 2003. – С. 28–33.

6. Гребенкин В.И., Павлов А.Д., Шмачков Е.А. Итоги экспериментальных бессопловых сжиганий РДТТ и перспективы исследований в обеспечение отработки технологии их утилизации // Материалы всерос. науч.-практ. конф. ФГУП ФНПЦ «Алтай» (Бийск, 26–28 сентября 2001 г.). – Бийск, 2003. – С. 21–24.

7. Определение температурных параметров факела продуктов сгорания и его воздействия на элементы конструкции двигателя и стенда при бессопловом сжигании / В.И. Гребенкин, А.Д. Павлов, Е.А. Шмачков [и др.] // Материалы всерос. науч.-практ. конф. ФГУП ФНПЦ «Алтай» (Бийск, 26–28 сентября 2001 г.). – Бийск, 2003. – С. 57–60.

8. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача: учеб. пособие для неэнергетич. специальностей вузов. – М.: Высшая школа, 1975. – 496 с.

9. Мамонтов М.А. Вопросы термодинамики тела переменной массы. – М.: Оборонгиз, 1962. – 102 с.

10. Жигульский А.И., Крюков В.Г., Литвинов А.В. Интенсификация процессов абсорбции при водном орошении струи продуктов сгорания РДТТ // Высокоэнергетические материалы: демилитаризация, антитерроризм и гражданское применение: материалы IV Междунар. конф. «HEMS – 2008» (Белокуриха, 3–5 сентября 2008 г.). – Бийск, 2008. – С. 193.

11. Диментова А.А. Таблицы газодинамических функций: справ. пособие. – М.: Машиностроение, 1966. – 138 с.

12. Газодинамические параметры струи при внешнем орошении ее водой / С.Н. Козлов, М.В. Попова, А.В. Литвинов, А.В. Скворцов // Материалы всерос. науч.-техн. конф. «Информационные технологии в науке, экономике и образовании» (Бийск, 22–23 сентября 2011 г.). – Бийск, 2011. – С. 36–41.

13. Математическое моделирование горения и взрыва высокоэнергетических систем: монография / под ред. И.М. Васенина. – Томск: Изд-во Том. ун-та, 2006. – 322 с.

14. Полуэмпирическая модель процессов, происходящих при образовании и распространении высокодисперсных аэрозолей окислов алюминия при открытом сжигании крупногабаритных РДТТ / С.Э. Пащенко, А.Е. Осоченко, В.Е. Зарко [и др.] // Материалы всерос. науч.-практ. конф. ФГУП ФНПЦ «Алтай» (Бийск, 26–28 сентября 2001 г.). – Бийск, 2003. – С. 83–97.

15. Динамика подъема облака продуктов сгорания при огневой утилизации зарядов твердотопливных энергоустановок на открытом стенде. Процессы и их идентификация / В.П. Лушев, А.В. Литвинов, Н.Ю. Демидов, С.Н. Козлов, В.В. Рейно // Оптика атмосферы и океана. – Новосибирск, 2014. – Т. 27, № 10. – С. 917–924.

16. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. – Л.: Гидрометеоиздат, 1985. – 272 с.

17. Воздействие на окружающую среду кратковременных выбросов большой мощности: учеб. пособие / В.М. Суслонов, Н.Г. Максимович, В.Н. Иванов, В.А. Шкляев; Перм. гос. ун-т. – Пермь, 2005. – 126 с.

18. Ситуационный анализ экологических рисков при сжигании твердотопливных зарядов энергетических установок на открытом стенде / М.В. Попова, А.В. Литвинов, С.Н. Козлов, В.П. Лушев // Известия Том. политехн. ун-та. – 2013. – Т. 322, № 1. – С. 157–161.

Представлены результаты работ по созданию и вводу в эксплуатацию экспериментального стенда для исследования аэродинамических характеристик лопаток турбин в ОАО «Авиадвигатель». Установка представляет собой аэродинамическую трубу с комплексом конструктивных мероприятий по обеспечению требуемых граничных условий на объекте испытаний. Она позволяет проводить исследования как дозвуковых, так и сверхзвуковых профилей сопловых и рабочих лопаток газовых турбин. Применение аддитивных технологий при изготовлении объектов испытаний позволяет в сжатые сроки создавать и испытывать большое количество вариантов, а также упрощает процесс препарирования лопаток за счет возможности создания каналов под трубки давления любой сложности на этапе изготовления модели.

На стенде используется широкий спектр измерительного оборудования, что обеспечивает максимальную информативность исследований применительно к поставленным задачам. К основным средствам измерений относятся: датчики давлений (более 300 шт.), лазерный доплеровский анемометр (ЛДА), поворотно-погружной механизм. Ведется разработка измерительной системы на базе промышленного робота-манипулятора и пятиточечного приемника давления.

В ходе первого этапа испытаний обеспечен выход на расчетный режим работы для сектора сопловых лопаток перспективной газовой турбины. Выполнен анализ распределений статического давления по каналу и лопаткам, который показал удовлетворительное совпадение результатов эксперимента с расчетными данными.

В ходе второго этапа испытаний на стенд смонтирован ЛДА с системами питания, охлаждения и подвода трассирующих частиц (дым). Выполняются измерения скорости и завихренности потока за сопловыми лопатками. Результаты испытаний будут взяты за основу при последующей оптимизации лопаток.

Ключевые слова: экспериментальный стенд, испытание, аэродинамика, лопатка газовой турбины, вторичные течения, лазерный доплеровский анемометр.

Саженков Алексей Николаевич (Пермь, Россия) – кандидат технических наук, помощник генерального конструктора, ОАО «Авиадвигатель», office@avid.ru.

Самохвалов Николай Юрьевич (Пермь, Россия) – инженер-конструктор-расчетчик отдела турбин, ОАО «Авиадвигатель», samohvalov@avid.ru.

Соловьев Максим Николаевич (Пермь, Россия) – начальник лаборатории оптических методов, ОАО «Авиадвигатель», soloviyevm@avid.ru.

1. Венедиктов В.Д. Газодинамика охлаждаемых турбин. – М.: Машиностроение, 1990. – 240 с.

2. Самохвалов Н.Ю. Установка для аэродинамического исследования лопаток турбин [Электронный ресурс] // Электронный журнал «Труды МАИ». – 2014. – № 74. – URL: http://www.mai.ru/science/trudy/ published.php?ID=49297 (дата обращения: 10.03.2015).

3. Иноземцев А.А., Нихамкин М.А., Сандрацкий В.Л. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. – М.: Машиностроение, 2008. – Т. 2. – 368 с.

4. Иноземцев А.А., Самохвалов Н.Ю., Тихонов А.С. Повышение эффективности решеток сопловых и рабочих лопаток газовых турбин применением неосесимметричных торцевых поверхностей межлопаточных каналов // Теплоэнергетика. – 2012. – № 9. – С. 22–26.

5. Nonaxisymmetric turbine end wall design / N.W. Harvey, M.G. Rose, M.D. Taylor [et al.] // ASME Journal of Turbomachinery. – 2000. – Vol. 122, № 2. – P. 278–293.

6. Yan J., Gregory-Smith D.G., Walker P.J. Secondary flow reduction in a nozzle guide vane by nonaxisymmetric end wall contouring // ASME Paper. – 1999. – 99-GT-339.

7. Оценка влияния шероховатости поверхности лопаток на параметры турбины высокого давления / В.Т. Хайрулин, Н.Ю. Самохвалов, А.С. Тихонов, С.И. Сендюрев // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2014. – № 37. – C. 99–111.

8. Анализ влияния низких чисел Рейнольдса на потери в решетке турбины низкого давления / В.Т. Хайрулин, Н.Ю. Самохвалов, А.С. Ти­хонов, С.В. Бажин, А.А. Швырев [Электронный ресурс] // Электронный журнал «Труды МАИ». – 2014. – № 73. – URL: http://www.mai.ru/ science/trudy/published.php?ID=48545 (дата обращения: 10.03.2015).

9. Тихонов А.С., Самохвалов Н.Ю. Анализ использования профилированных отверстий перфорации для повышения качества пленочного охлаждения спинки сопловых лопаток // Вестник УГАТУ. – 2012. – № 5. – С. 20–27.

10. Оптические методы исследования потоков / Ю.Н. Дубнищев, В.А. Арбузов, П.П. Белоусов, П.Я. Белоусов. – Новосибирск: Сиб. университетское изд-во, 2003. – 418 с.

Оптико-электронный спектрометрический комплекс представляет собой инновационное инструментальное средство, предназначенное для бесконтактного дистанционного контроля процессов горения в модельных установках, камерах сгорания газотурбинных двигателей, газотурбинных установках.

Комплекс обеспечивает непрерывное преобразование электромагнитной энергии излуче­ния пламени в заданном спектральном диапазоне в электрические сигналы для после­дующей передачи в реальном масштабе времени этих сигналов к автоматизированной системе испытаний. Комплекс позволяет с высокой разрешающей способностью контролировать спектральное распределение, интенсивность излучения пламени, в том числе на участках спектра, где имеет место собственное излучение 2–4 атомных газов (NO, NO2, NO3, CN, CO, СО2).

Возможности данного инструментального средства получать объективную информацию, характеризующую эмиссию вредных веществ в зависимости от изменения режима работы каме­ры сгорания, представляются исключительно полезными при экспериментальном исследовании малоэмиссионных камер сгорания.

В статье изложены основные результаты работ по созданию экспериментального образца спектрометрического комплекса.

Ключевые слова: спектрометрический комплекс, процессы горения, камера сгорания, газотурбинный двигатель, мониторинг процессов горения.

Губайдуллин Ирек Тимерьянович (Уфа, Россия) – ведущий инженер-конструктор, АО УНПП «Молния», molniya@molniya-ufa.ru.

Андреева Татьяна Петровна (Уфа, Россия) – кандидат технических наук, начальник сектора, АО УНПП «Молния», molniya@molniya-ufa.ru.

Гумеров Артур Римович (Уфа, Россия) – инженер-конструктор, АО УНПП «Молния», molniya@molniya-ufa.ru.

Саженков Алексей Николаевич (Пермь, Россия) – кандидат технических наук, помощник генерального конструктора, ОАО «Авиадвигатель», office@avid.ru.

1. Фаворский О.Н. Проблемы разработки технологий малоэмиссионного горения и создания малоэмиссионных камер сгорания в газотурбостроении // Двигатель. – 2012. – № 6(84). – С. 6–9.

2. Кузнецов Н.Д., Токарев В.В. Многогорелочные камеры сгорания – одно из перспективных направлений развития двигателей // Проблемы машиностроения и надежности машин. – 1995. – № 2. – С. 312.

3. Борщанский В.М. Анализ возможных конструкторских решений при создании камер сгорания для обеспечения высоких экологических характеристик конвертированных ГТУ // Двигатель. – 2009. – № 4(64). – С. 14–16.

4. More Intelligent Gas Turbine Engines. RTO Technical Report TR-AVT-128 / RTO NATO. – France, 2009. 178 p.

5. Иноземцев А.А. О программе создания авиационных газотурбинных двигателей пятого поколения для семейства самолетов МС-21 // Вестник Перм. науч. центра. – 2010. – № 4. – С. 28–46.

6. Организация горения в низкоэмиссионной камере сгорания ГТУ АЛ-31СТ / В.М. Чепкин, Е.Ю. Марчуков, В.В. Куприк, С.А. Федоров // Газотурбинные технологии. –1999. – № 09–10. – С. 14–17.

7. Травников Р.И., Попов Н.А. Метод и аппаратура оптической диагностики факела ракетного двигателя при стендовых испытаниях [Электронный ресурс] // Электронный журнал «Труды МАИ». – 2012. – № 51. – URL: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=29136 (дата обращения: 10.03.2015).

8. Rapiere: An innovation industrial optical measurement system for scramjet flows / J-P. Minard, M. Bouchez, O. Legras [et al.] // AIAA Papers. – 2002. – AIAA-2002-5156.

9. Приборы для исследования сажеобразования в вихрекамере дизельного двигателя / В.В. Бразовский, Г.М. Кашкаров, Д.Н. Титов, Н.П. Тубалов // Ползуновский вестник. – 2009. – № 1. – C. 188–191.

10. Магунов А.Н. Спектральная пирометрия объектов с неоднородной температурой // Журнал технической физики. – 2010. – Т. 80, вып. 7. – С. 78–82.

Проведено численное моделирование собственных резонансных частот канала перепуска воздуха авиационного двухконтурного двигателя. Получены результаты численных расчетов собственных частот полости перепуска в ANSYS CFX. В расчетах для возбуждения полости канала перепуска на входной границе задавался широкополосный шум (120 дБ), фильтрованный в диапазоне частот от 200 до 1000 Гц, и поток со скоростью 60 м/с, что приводит к проявлению резонанса на собственной частоте полости. В расчете вдоль всей проточной части были установлены микрофоны, в которых записывалось статическое давление. На основании полученных сигналов было сделано Фурье-преобразование и построены спектры. Анализируя полученные спектры при различных граничных условиях по температуре, сделали вывод, что расчеты в ANSYS CFX позволяют получить физически правильные результаты. В работе представлены результаты расчетов мероприятий для изменения собственной частоты канала перепуска за компрессором низкого давления (КНД). Мероприятия, главным образом, сводятся к изменению объема полости. Было предложено сделать четыре отверстия, соединяющих канал перепуска с проточной частью КНД. В статье дана оценка эффективности данного мероприятия. Результаты численных расчетов в ANSYS CFX собственной частоты хорошо согласуются с аналитическими и экспериментальными данными.

Ключевые слова: каналы перепуска, резонансные явления в каналах авиационного двухконтурного двигателя, собственная частота, авиационный двигатель, компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, уравнения Навье – Стокса, преобразование Фурье.

Колегов Руслан Николаевич (Пермь, Россия) – инженер-конструктор-расчетчик, ОАО «Авиадвигатель», kolegov@avid.ru.

Синер Александр Александрович (Пермь, Россия) – кандидат технических наук, начальник отдела систем инженерного анализа, ОАО «Авиадвигатель», siner@avid.ru.

1. Нихамкин М.А., Зальцман М.М. Конструкция основных узлов двигателя ПС-90А: учеб. пособие. – 2-е изд., испр. и доп. / Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 2002. – 108 с.

2. Алексенцев А.А., Саженков А.Н., Сухинин С.В. Акустические резонансные явления в каналах перепуска воздуха авиационных двухконтурных двигателей // Прикладная механика и техническая физика. – 2015. – № 2. (В печати).

3. Двигатель ПС-90А. Моделирование частот акустических колебаний в каналах перепуска за КНД ПС-90А. Техн. отчет № 55198 / ОАО «Авиадвигатель». – Пермь, 2014.

4. Морз Ф. Колебания и звук. – М.; Л.: Гостехиздат, 1949. – 496 с.

5. Стрэтт Дж.В. (Лорд Рэлей). Теория звука: в 2 т. – М.: Гостехизд, 1955. – Т. 1. – 503 с.; Т. 2. – 475 с.

6. Babu S.V., Barakos G.N. Prediction of acoustics of transonic cavities using DES and SAS // 49th International Symposium of Applied Aerodynamics: Aerodynamics and Environment, Lille, France, 24–26 March 2014. – Lille, 2014.

7. Bijl H., de Jong A.T. Experimental and numerical investigation of the flow-induced resonance of slender deep cavities that resemble automotive door gaps // 16th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference. – AIAA 2010-3863.

8. Shieh C.M., Morris P.J. Comparison of two- and three-dimensional turbulent cavity flows // 39th AIAA Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, 8–11 January 2001. – AIAA-2001-0511.

9. Generation of tones due to flow past a deep cavity: Effect of streamwise length / Y. Yang, D. Rockwell, K. Lai-Fook Cody, M. Pollack // Jornal of Fluids and Structures. – 2009. – Vol. 25, iss. 2. – P. 364–388.

10. Двигатель ПС-90А. Разработка и проверка мероприятий по устранению акустических колебаний в канале перепуска за КНД. Техн. отчет № 55976 / ОАО «Авиадвигатель». – Пермь, 2014.

Турбомашины авиационных газотурбинных двигателей работают в широком диапазоне режимов. При изменении режима работы в проточной части изменяются значения числа Рейнольдса и параметров турбулентности. Совместное влияние этих режимных параметров приводит к изменению потерь при обтекании лопаточных решеток. Кроме прямого независимого влияния на потери эти параметры оказывают влияние друг на друга. Это усложняет анализ их независимого воздействия на структуру течения. В статье рассмотрены вопросы численного исследования комплексного воздействия режимных параметров на конфузорное течение. Дано обоснование применяемой математической модели задачи обтекания и объекта исследования с точки зрения адекватности и достоверности. Рассчитанные количественные характеристики профильных потерь свидетельствуют о наличии критических значений режимных параметров. Результат численного исследования соответствует известным критическому и автомодельному значениям числа Рейнольдса. Выявлено существование, по крайней мере в пределах вычислительного эксперимента, критического значения уровня турбулентности. Критическое значение уровня турбулентности Tu зависит от числа Рейнольдса Re и относительной скорости диссипации ω. В диапазоне Re = 2,09·105…1,17·106 и ω = 0,04…0,1 критический уровень турбулентности меняется в широком диапазоне от 0,03 до 0,08. Это значение уменьшается при увеличении числа Рейнольдса и при уменьшении относительной скорости диссипации турбулентной энергии. Предложен и обоснован комплексный параметр Mt режима турбулентности, оценивающий совместное влияние числа Рейнольдса, уровня турбулентности и скорости диссипации турбулентной энергии на профильные потери в конфузорных решетках турбомашин. Показано существование постоянного критического значения параметра режима турбулентности Mtкр ≈ 1,5·105. До­критическая область Mt < Mtкр для профильных потерь является автомодельной.

Ключевые слова: турбомашины, турбулентность, потери энергии, численные исследования, режим турбулентности, область автомодельности.

Матюнин Владимир Павлович (Пермь, Россия) – доцент, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, ad@pstu.ru.

1. Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред. – М.: Наука, 1984. – 520 с.

2. Августинович В.Г., Иноземцев А.А., Шмотин Ю.Н. Нестационарные явления в турбомашинах (численное моделирование и эксперимент) / Ин-т механики сплошных сред УрО РАН; Перм. гос. техн. ун-т. – Екатеринбург; Пермь, 1999. – 280 с.

3. Шмотин Ю.Н., Егоров М.Ю. Численное моделирование нестационарного течения в турбине ГТД // Турбины и компрессоры. – 1997. – № 3–4. – С. 7–11.

4. Иванов М.Я., Крупа В.Г., Нигматуллин Р.З. Неявная схема С.К. Годунова повышенной точности для интегрирования уравнений Навье – Стокса // Журнал вычислительной математики и математической физики. – 1989. – Т. 29, № 6. – С. 888–901.

5. Давыдов Ю.М. Расчет обтекания тел произвольной формы методом «крупных частиц» // Журнал вычислительной математики и математической физики. – 1971. – Т. 11, № 4. – С. 1056–1063.

6. Белов И.А., Исаев С.А. Моделирование турбулентных течений: учеб. пособие / Балт. гос. техн. ун-т. – СПб., 2001. – 108 с.

7. Фрик П.Г. Турбулентность: модели и подходы. Курс лекций: учеб. пособие / Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 1998. – Ч. I. – 108 с.

8. Фрик П.Г. Турбулентность: модели и подходы. Курс лекций: учеб. пособие / Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 1999. – Ч. II. – 136 с.

9. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. – 4-е изд. – М.: Наука, 1976. – 888 с.

10. Венедиктов В.Д. Газодинамика охлаждаемых турбин. М.: Машиностроение, 1990. – 240 с.

11. Копелев С.З. Основы проектирования турбин авиадвигателей. – М.: Машиностроение, 1988. – 328 с.

12. Атлас экспериментальных характеристик плоских турбинных решеток / В.Х. Абианц, В.Д. Венедиктов [и др.]; Центр. ин-т авиац. машиностроения. – М., 1976. – 189 с.

13. Бунимович А.И., Святогоров А.А. Аэродинамические характеристики плоских компрессорных решеток при большой дозвуковой скорости // Лопаточные машины и струйные аппараты: сб. ст. – М.: Машиностроение, 1967. – Вып. 2. – С. 5–35.

Разработана численная стационарная трехмерная модель рабочего процесса в многозонной камере сгорания (КС) с компонентами воздух – топливный газ. Приведена система уравнений в частных производных, описывающая трехмерное турбулентное течение с горением. Дискретные аналоги уравнений сохранения получены методом контрольного объема с использованием шахматной сетки. Система дискретных аналогов решается с использованием алгоритма типа SIMPLER методом прогонок по осевому, радиальному, окружному направлениям. Для обеспечения устойчивости численной процедуры используется нижняя релаксация. В качестве критерия сходимости процесса итерации используется величина невязки дискретных аналогов уравнений сохранения. Для реализации граничных условий введена система фиктивных ячеек по всем границам трехмерной расчетной области. На головке, стенках и оси симметрии КС реализуются значения переменных или их производных. На выходе из КС граничные условия восстанавливаются в процессе итераций. В качестве турбулентной модели используется подсеточная модель Смагоринского. Скорость горения определяется выбором минимального значения из скорости турбулентного горения и скорости реакции по модели Аррениуса. Для верификации модели проведена серия экспериментальных исследований по изучению рабочего процесса в зоне горения многозонной камеры. Максимальное отличие расчетных и экспериментальных данных по температуре составило 0,9 %, что свидетельствует о работоспособности предложенной модели.

Ключевые слова: камера сгорания, зона горения, уравнения сохранения, модель турбулентного горения, граничные условия, дискретный аналог, коэффициент избытка воздуха.

Бачев Николай Леонидович (Пермь, Россия) – кандидат технических наук, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, bnl54@yandex.ru.

Бетинская Оксана Андреевна (Пермь, Россия) – аспирант, ассистент, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, oksanochka_zueva@mail.ru.

Бульбович Роман Васильевич (Пермь, Россия) – доктор технических наук, профессор, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, dekan_akf@pstu.ru.

1. Лебединский Е.В., Калмыков Г.П., Мосолов С.В. Рабочие процессы в жидкостном ракетном двигателе и их моделирование / под ред. А.С. Коротеева. – М.: Машиностроение, 2008. – 512 с.

2. Волков К.Н. Моделирование крупных вихрей взаимодействия круглой турбулентной струи с преградой // Математическое моделирование. – 2007. – Т. 19, № 2. – С. 3–22.

3. Юрокина Ю.В. Метод крупномасштабной турбулентности по модели Смагоринского // Математическое моделирование. – 1999. – Т. 11, № 4. – С. 83–99.

4. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 152 с.

5. Численное моделирование рабочего процесса в камере сгорания жидкостных ракетных двигателей с дожиганием генераторного газа при сверхкритических параметрах / Н.Л. Бачев, О.О. Матюнин, А.А. Козлов, Н.Ю. Бачева // Вестник МАИ. – 2011. – Т. 18, № 2. – С. 108–116.

6. Выбор геометрических и режимных параметров камеры сгорания для утилизации попутного нефтяного газа / О.А. Зуева, Н.Л. Бачев, Р.В. Бульбович, А.М. Клещевников // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2013. – № 34. – С. 40–51.

7. Выбор геометрических, режимных и тепловых параметров высокоресурсной камеры сгорания для утилизации ПНГ / О.А. Зуева, Н.Л. Бачев, Р.В. Бульбович, А.М. Клещевников // Газовая промышленность. – 2013. – № 698. – С. 94–97.

8. Разработка газотурбинной установки для утилизации нефтяного газа с выработкой электрической и тепловой энергии на малодебитных месторождениях / О.А. Зуева, Н.Л. Бачев, Р.В. Бульбович, А.М. Кле­щевников // Нефтяное хозяйство. – 2014. – № 1084. – С. 98–101.

9. Кондратьев В.Н., Никитин Е.Е. Кинетика и механизм газофазных реакций. – М.: Наука, 1974. – 558 с.

10. Основы практической теории горения / В.В. Померанцев [и др.]. – Л.: Энергоатомиздат, 1986. – 309 с.

Проведено аналитическое исследование стратификационного распределения температурного напора в трубах с диафрагмами, на основании которого даны исчерпывающие рекомендации, на каких режимах течения оптимальнее всего интенсифицировать определенные подслои. Главной установленной в аналитическом исследовании зависимостью следует признать выявленную закономерность влияния поверхностных поперечно расположенных турбулизаторов потока на распределение среднеинтегрального температурного напора по подслоям: перераспределение температурного напора из вязкого подслоя (в меньшей степени) и из турбулентного ядра (в большей степени) как в промежуточный подслой, так и в вихревое ядро во впадине. Установлено, что влияние геометрической формы турбулизаторов на распределение среднеинтегрального температурного напора по подслоям для различных относительных высот и чисел Рейнольдса при одинаковых относительных шагах между турбулизаторами в подавляющем числе случаев довольно незначительно и снижается при увеличении числа Прандтля. Установлено, что влияние профиля поперечного сечения турбулизаторов на распределение среднеинтегрального температурного напора по подслоям в трубах с турбулизаторами для различных относительных шагов между турбулизаторами при прочих равных условиях почти для всех случаев достаточно невелико. Установлено более рациональное распределение среднеинтегрального температурного напора по подслоям для труб с турбулизаторами по отношению к гладким трубам для всех режимов течения и геометрических характеристик труб с турбулизаторами.

Ключевые слова: анализ, тепловой поток, плотность теплового потока, температурный напор, интенсификация, турбулентность, течение, круглая труба, турбулизатор, теплообмен.

Лобанов Игорь Евгеньевич (Москва, Россия) – доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), lloobbaannooff@live.ru.

1. Эффективные поверхности теплообмена / Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер, И.З. Копп [и др.]. – М.: Энергоатомиздат, 1998. – 408 с.

2. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. – М.: Машиностроение, 1990. – 208 с.

3. Дрейцер Г.А., Лобанов И.Е. Моделирование изотермического теплообмена при турбулентном течении в каналах в условиях интенсификации теплообмена // Теплоэнергетика. – 2003. – № 1. – С. 54–60.

4. Лобанов И.Е. Моделирование теплообмена и сопротивления при турбулентном течении в каналах теплоносителей в условиях интенсификации теплообмена // Тр. Третьей Рос. нац. конф. по теплообмену: в 8 т. Т. 6. Интенсификация теплообмена. Радиационный и сложный теплообмен. – М.: Изд-во МЭИ, 2002. – С. 140–143.

5. Лобанов И.Е. Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в каналах: дис. …
д-ра техн. наук. – М., 2005. – 632 с.

6. Мигай В.К. Повышение эффективности современных теплообменников. – Л.: Энергия, 1980. – 144 с.

7. Мигай В.К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования. – Л.: Энергоатомиздат, 1987. – 263 с.

8. Лобанов И.Е., Штейн Л.М. Перспективные теплообменные аппараты с интенсифицированным теплообменом для металлургического производства. (Общая теория интенсифицированного теплообмена для теплообменных аппаратов, применяемых в современном металлургическом производстве). – М.: АСВ, 2009. – Т. I. – 405 с.

9. Лобанов И.Е., Штейн Л.М. Перспективные теплообменные аппараты с интенсифицированным теплообменом для металлургического производства. (Общая теория интенсифицированного теплообмена для теплообменных аппаратов, применяемых в современном металлургическом производстве). – М.: АСВ, 2010. – Т. II. – 290 с.

10. Лобанов И.Е., Штейн Л.М. Перспективные теплообменные аппараты с интенсифицированным теплообменом для металлургического производства. (Общая теория интенсифицированного теплообмена для теплообменных аппаратов, применяемых в современном металлургическом производстве). – М.: МГАКХиС, 2010. – Т. III. – 288 с.

11. Лобанов И.Е., Штейн Л.М. Перспективные теплообменные аппараты с интенсифицированным теплообменом для металлургического производства. (Общая теория интенсифицированного теплообмена для теплообменных аппаратов, применяемых в современном металлургическом производстве). – М.: МГАКХиС, 2011. – Т. IV. – 343 с.

12. Лобанов И.Е., Парамонов Н.В. Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена при течении в каналах на основе сложных моделей турбулентного пограничного слоя. – М.: Изд-во МАИ, 2011. – 160 с.

13. Лобанов И.Е. Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в круглых трубах с турбулизаторами с применением четырехслойной модели турбулентного пограничного слоя для относительно невысоких выступов // Актуальные проблемы российской космонавтики: материалы XXXVI акад. чтений по космонавтике, Москва, январь 2012 г. / под общ. ред. А.К. Медведевой; Комиссия РАН по разработке науч. наследия пионеров освоения космич. пространства. – М., 2012. – С. 198–199.

14. Лобанов И.Е. Точное решение задачи об интенсифицированном теплообмене при турбулентном течении в каналах с относительно невысокими турбулизаторами потока на базе четырехслойной схемы турбулентного пограничного слоя // Техника и технология. – 2012. – № 2. – С. 26–37.

15. Лобанов И.Е. Теория интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в круглых трубах с турбулизаторами с применением четырехслойной модели турбулентного пограничного слоя для выступов различной относительной высоты // Фундаментальные проблемы техники и технологии – Технология – 2012: сб. тез. и аннотаций науч. докл. XV Междунар. науч.-техн. конф., г. Орел, 5–8 июня 2012 / под ред. А.В. Киричека и А.В. Морозовой; Технол. ин-т им. Н.Н. Поликарпова «Госуниверситет–УНПК». – М.; Орел: Спектр, 2012. – С. 226–227.

16. Лобанов И.Е., Низовитин А.А., Парамонов Н.В. Теоретическое исследование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в круглых трубах с турбулизаторами с применением четырехслойной модели турбулентного пограничного слоя для относительно невысоких выступов // Авиация и космонавтика – 2013: тез. докл. 12-й Междунар. конф., 12–15 ноября 2013 г., Москва. – СПб.: Мастерская печати, 2013. – С. 364–366.

17. Лобанов И.Е. Общая теория интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в круглых трубах с относительно высокими турбулизаторами с применением четырехслойной модели турбулентного пограничного слоя // Отраслевые аспекты технических наук. – 2013. – № 10. – С. 7–13.

18. Лобанов И.Е. Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в круглых трубах с очень высокими турбулизаторами с применением четырехслойной модели турбулентного пограничного слоя для широкого диапазона чисел Рейнольдса и Прандтля // Актуальные проблемы российской космонавтики: материалы XXXVIII акад. чтений по космонавтике, Москва, январь – февраль 2014 г. / под общ. ред. А.К. Медведевой; Комиссия РАН по разработке науч. наследия пионеров освоения космич. пространства. – М., 2014. – С. 182–183.

Обеспечение механической работоспособности ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ) связывается с разгрузкой зон повышенной концентрации напряжений и деформаций в заряде при помощи конструктивных элементов. Несмотря на использование мощных методов структурного анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) зарядов РДТТ сложной формы, таких как метод конечных элементов (МКЭ), численные методы всё же остаются приближенными. Вопросы точности расчетов по определению НДС реальных конструкций вблизи концентраторов напряжений до сих пор отдаются на откуп расчетчику, зависят от его опыта. В этой связи для повышения эффективности расчетов и увеличения их достоверности разработаны алгоритмы, позволяющие совместно с методами структурного анализа использовать методы анализа сингулярных краевых задач. В основу методики положено совместное использование МКЭ с методами механики разрушения. Двуединость анализа обеспечивается сращиванием решений в области, где достоверность решений, выполненных по МКЭ, не вызывает сомнений. Эффективность методики демонстрируется на примере анализа вариантов схем крепления зарядов к корпусу при термосиловом нагружении РДТТ. Оценка поля НДС у вершины замка манжетного раскрепления (ЗМР) в зависимости от доли скрепления заряда с корпусом осуществляется с использованием прямых и энергетического методов механики разрушения. Критерием опасности варианта раскрепления служат условия прочности и локальной устойчивости или неустойчивости материала у вершины замка манжетного раскрепления. В результате расчетов скорости освобождения энергии показано, что для заряда с нависающими торцами наибольшую опасность представляет 0,4-я часть раскрепления торца заряда от корпуса. При частичном раскреплении заряда возможно динамическое развитие отслоения у ЗМР. Протяженность отслоения прогнозируется по эпюре изменения скорости освобождения энергии. Наименьший уровень НДС реализуется у ЗМР при полном раскреплении торца заряда от корпуса. При трехполосовой схеме крепления заряда к корпусу наиболее рациональным вариантом является доля скрепления по углу ~ 18°. При этом в случае возникновения силового отслоения у ЗМР динамического развития отслоения ожидать не следует. Условием продвижения отслоения является непрерывное увеличение нагрузки.

Ключевые слова: ракетный двигатель твердого топлива, заряд, метод конечных элементов, доля раскрепления, механика разрушения, скорость выделения энергии, коэффициенты интенсивности напряжений, термосиловое нагружение, напряженно-деформированное состояние, манжетное раскрепление.

Казанцев Владимир Георгиевич (Бийск, Россия) – доктор технических наук, профессор, Бийский технологический институт (филиал) Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, wts-01@mail.ru.

Карпутин Максим Петрович (Бийск, Россия) – аспирант, Бийский технологический институт (филиал) Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, mkarputin@mail.ru.

1. Фахрутдинов И.Х., Котельников А.В. Конструкция и проектирование ракетных двигателей твердого топлива. – М.: Машиностроение, 1987. – 328 с.

2. Казанцев В.Г., Жаринов Ю.Б., Карпутин М.П. Динамика и прочность ракетных двигателей на твердом топливе. – Бийск: Изд-во Алтай. гос. техн. ун-та им. И.И. Ползунова, 2014. – 379 с.

3. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. – М.: Наука, 1974. – 640 с.

4. Райс Дж. Математические методы в механике разрушения // Математические основы теории разрушения: пер. с англ. – М.: Мир, 1975. – Т. 2. – С. 204–335.

5. Bowie O.L., Neal D.M. The effective crack length of an edge notch in a semi-infinite sheet under tension // International Journal of Fracture Mechanics. – 1967. – Vol. 3, № 2. – Р. 111–119.

6. Казанцев В.Г., Мишичев А.И. Конечно-элементный анализ поля напряжений в окрестности трещин прямыми и энергетическим методами // Прикладная механика. – 1982. – Т. 18, № 3. – С. 77–81.

7. Griffith A.A. The phenomenon of rupture and flow in solids // Phil. Trans. Roy. Soc. Ser. A. – 1920. – Vol. 221. – Р. 35–38.

8. Морозов Е.М., Никишков Г.П. Метод конечных элементов в механике разрушения. – М.: Наука, 1980. – 254 с.

9. Аликин В.Н., Милехин Ю.М., Пак З.П. Методы математического моделирования для исследования зарядов твердого топлива. – М.: Химия, 2003. – 214 с.

10. Казанцев В.Г. Метод конечных и граничных элементов в механике твердого тела. – Бийск: Изд-во Алтай. гос. техн. ун-та им. И.И. Ползунова, 2010. – 206 с.

11. Перельмутер М.Н. Анализ напряженного состояния в концевой области трещин на границе раздела материалов методом граничных элементов // Вычислительная механика сплошных сред. – 2012. – Т. 5, № 4. – С. 415–426.

12. Goldstein R.V., Perelmuter M.N. Modeling of bonding at an interface crack // International Journal of Fracture. – 1999. – Vol. 99, № 1–2. – Р. 53–79.

13. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. – М.: Наука, 1966. – 216 с.

14. Rice J.R. Elastic fracture mechanics concepts for interfacial cracks // Journal of Applied Mechanics. – 1988. – Vol. 55. – Р. 98–103.

Предложен подход к исследованию кинетических закономерностей теплового старения энергетических конденсированных систем (ЭКС) на основе наполненного полидивинилэпокси­дуретанового каучука и к прогнозу механических характеристик изделий на их основе по изменению структурных характеристик связующего, определенных методом равновесного набухания образцов в органическом растворителе. Закономерности теплового старения ЭКС установлены в ускоренных экспериментах в диапазоне температур термостатирования 60–80 °С.

За развитием при тепловом старении изучаемых процессов (деструкции и структурирования) следили по изменению механических характеристик, определенных в результате одноосного растяжения стандартных образцов в виде лопаточек и по изменению структурных характеристик полимерного связующего (а именно: молекулярной массе участка цепи, заключенного между поперечными связями, и плотности поперечных связей), установленных по величинам предела набухания согласно уравнению Флори – Ренера.

Обработка экспериментальных данных выполнена с помощью кинетического уравнения первого порядка, температурная зависимость констант скоростей изучаемых процессов установлена в виде зависимости Аррениуса. При этом показана удовлетворительная корреляция изменений при старении механических и структурных характеристик полимерного связующего.

Предложена и апробирована методика изучения закономерностей деструктивных процессов, развивающихся при старении ЭКС, необходимых для прогноза механического состояния изделий при их эксплуатации в теплонапряженных климатических условиях.

Подтверждена возможность выполнения прогнозов механического состояния ЭКС при эксплуатации изделий на их основе с использованием кинетических закономерностей, установленных по изменению плотности поперечных связей связующего.

Ключевые слова: энергетические конденсированные системы (ЭКС), ускоренное тепловое старение, деструкция, структурирование, золь-гель анализ, механические характеристики, плотность поперечных связей связующего, кинетические закономерности старения, температурные зависимости констант скоростей, прогноз изменения характеристик ЭКС во времени.

Амарантов Георгий Николаевич (Пермь, Россия) – доктор технических наук, заместитель генерального директора по ОКР – главный конструктор, АО «Научно-исследовательский институт полимерных материалов», профессор, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, niipm@pi.ccl.ru.

Новоточинова Екатерина Алексеевна (Пермь, Россия) – кандидат технических наук, начальник отдела, АО «Научно-исследова­тель­ский институт полимерных материалов», niipm@pi.ccl.ru.

Одинцов Юрий Тимофеевич (Пермь, Россия) – кандидат технических наук, заместитель начальника отдела, АО «Научно-исследова­тельский институт полимерных материалов», niipm@pi.ccl.ru.

Ерышканов Станислав Владимирович (Пермь, Россия) – старший научный сотрудник, АО «Научно-исследовательский институт полимерных материалов», аспирант, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, niipm@pi.ccl.ru.

Зиновьев Василий Михайлович (Пермь, Россия) – доктор технических наук, начальник отдела, АО «Научно-исследова­тельский институт полимерных материалов», профессор, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, niipm@pi.ccl.ru, niipm@pi.ccl.ru.

Гуров Даниил Сергеевич (Пермь, Россия) – инженер, АО «Научно-исследовательский институт полимерных материалов», niipm@pi.ccl.ru.

1. Одинцов Ю.Т., Новоточинова Е.А. Физико-химическая стабильность составов типа ПД и сохраняемость механических характеристик изделий на их основе: науч.-метод. пособие / Науч.-исслед. ин-т полимер. материалов. – Пермь, 2009. – 104 с.

2. ГОСТ 9.707–81. Единая система защиты от коррозии и старения. Материалы полимерные. Методы ускоренного испытания на климатическое старение. – М.: Изд-во стандартов, 1990.

3. Тагер А.А. Физикохимия полимеров. – М.: Химия, 1978. – 544 с.

4. Flory P., Renher J. Statistical mechanics of cross-linked polymer networks II. Swelling // Journal of Chemical Physics. – 1943. – Vol. 11, iss. 11. – Р. 521–526.

5. Поляков Б.С. Исследование процессов старения смесевых твердых топлив на основе полиэфируретанового и тиокольного связующих: дис. канд. ... техн. наук. – Пермь, 1970. – 171 с.

6. Одинцов Ю.Т., Новоточинова Е.А., Хименко Л.Л. О стабилизации механических свойств при старении традиционных СРТТ на основе полидивинилуретанэпоксидного каучука // Энергетические конденсированные системы: материалы V Всерос. конф., 26–28 октября 2010, Черноголовка / Ин-т проблем хим. физики. – М., 2010. – С. 173–174.

7. ГОСТ 16350–80. Районирование и статистические параметры климатических факторов для технических целей. Климат СССР / Гос. комитет СССР по стандартам. – М., 1986. – 139 с.

8. Анализ возможных путей обоснованного увеличения сроков служебной пригодности изделий из смесевых составов / С.В. Ерышканов, Ю.Т. Одинцов, Е.А. Новоточинова, В.М. Зиновьев // Материалы и технологии XXI века: докл. III Всерос. науч.-практ. конф. Мол. ученых и специалистов, 18–20 сентября 2013, г. Бийск. – Бийск: Изд-во Алтай гос. техн. ун-та, 2013. – С. 159–164.

9. ГОСТ 24482–80. Микроклиматические районы земного шара с тропическим климатом. Районирование и статистические параметры климатических факторов для технических целей / Гос. комитет СССР по стандартам. – М., 1981. – 94 с.

На основе разработанной компьютерной программы исследована оптимизация основных структурных параметров трехмерно сшитого эластомерного композита по энергии механического разрушения в условиях одноосного растяжения. Методом численного моделирования, варьированием структурных параметров по заданному значению энергии разрушения получены требуемые основные структурные параметры. В качестве исследуемого материала выбран полимерный композитный материал, созданный на основе двух сополимеризующихся каучуков, удовлетворяющих этому условию – СКД-КТР (с карбоксильными группами) и ПДИ-3Б (с эпоксидными группами). В качестве трехмерно сшивающего агента использовалась смола ЭЭТ-1 (с эпоксидными группами). Пластификатором являлся дибутилфталат. Исследование влияния эффективной степени объемного наполнения φ/φm при φ = const на энергию механического разрушения эластомерного композита проведено с использованием в качестве наполнителя диоксида кремния двух фракционных составов. Удельная поверхность контакта частиц наполнителя и связующего в обоих случаях была примерно равной. Рассмотренные задачи могут быть использованы в инженерной практике создания морозоустойчивых гидроизоляционных полимерных композитных материалов, применяемых в аэрокосмической технике.

Ключевые слова: наполненный эластомер, энергия разрушения, структурный параметр, трехмерно сшитый полимер, композитный материал, каучук, наполнитель, оптимизация, объемная доля, пластификатор.

Нуруллаев Эргаш Масеевич (Пермь, Россия) – кандидат физико-математических наук, доцент, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, ergnur@mail.ru.

Ермилов Александр Сергеевич (Пермь, Россия) – доктор технических наук, профессор,  Пермский национальный исследовательский политехнический университет, ermilov@tpmp.perm.ru.

1. Ermilov A.S., Nurullaev E.M. Mechanical properties of elastomers filled with solid particle // Mechanics of composite materials. – 2012. – Vol.  48, № 3. – Р. 243–252.

2. Ermilov A.S., Nurullaev E.M. Energy of the mechanical destruction of an elastomer filled with solid particles // Mechanics of composite materials. – 2015. – Vol. 50, № 6. – Р. 757–762.

3. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. – М.: Наука, 1970. – С. 575–576.

4. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. – М.: Мир, 1975. – 536 с.

5. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. – М.: Мир, 1985. – 509 с.

6. Хемди А. Таха. Введение в исследование операций. – М.: Вильямс, 2005. – 903 с.

7. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии. – М.: Высшая школа, 1985. – 327 с.

8. Ермилов А.С., Нуруллаев Э.М. Концентрационная зависимость усиления каучуков и резин дисперсными наполнителями // Журнал прикладной химии. – 2012. – Т. 85, вып. 8. – С. 1371–1374.

9. Ермилов А.С., Нуруллаев Э.М. Научные основы создания морозогидроустойчивого покрытия. Физико-химические исследования в области создания морозогидроустойчивого покрытия асфальта автомобильных дорог. – Gamburg: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, P., 2012.