ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ПРИОРИТЕТНЫМ НАПРАВЛЕНИЯМ В 2005 ГОДУ
-
Гидродинамика высокоскоростных и нестационарных процессов.
Экспериментально и численно изучены особенности взаимодействия горизонтального потока тяжелой жидкости с поперечной струйной преградой. Установлена возможность эффективного управления напором жидкости в канале с помощью струйной завесы.
Экспериментально исследовано влияние положения сливных отверстий на формирование нестационарных воронок и величину расхода при свободном истечении первоначально покоившейся жидкости из цилиндрической емкости.
Завершено экспериментальное исследование кинематических и динамических характеристик автоколебательных режимов обтекания свободных круговых цилиндров, сильно загромождающих поток в плоском канале.
(Лаборатория экспериментальной гидродинамики)
С использованием скоростной видеокамеры продолжены исследования волн, развивающихся на неустойчивой по Релею-Тейлору границе вентилируемой каверны с отрицательным числом кавитации. Смонтирована новая установка для изучения трехмерных волн на неустойчивой поверхности каверны.
На гидроканале введена система регистрации характеристик волн, генерируемых волнопродуктором.
(Лаборатория нестационарной гидродинамики)
Экспериментально обнаружено, что при опускании сферической частицы вдоль наклонной стенки в обычной ньютоновской жидкости между стенкой и частицей может возникать кавитационный пузырек, наличие которого качественно изменяет гидродинамику пристенных течений.
(Лаборатория общей аэродинамики)
-
Устойчивость гидродинамических течений и турбулентность.
Выполнено экспериментальное исследование зависимости минимального значения критического числа Рейнольдса от условий на входе в цилиндрическую трубу, при котором вдали от входа реализуется установившееся турбулентное течение. Показана его зависимость не только от амплитуды, но и от структуры начальных возмущений.
(Лаборатория экспериментальной гидродинамики)
При трехмерной конвективной неустойчивости в горизонтальном слое раствора теоретически установлена возможность самозарождения переменных во времени магнитных полей конечной амплитуды и обнаружена их концентрация вблизи границ слоя.
(Лаборатория общей аэродинамики)
Механика сред, взаимодействующих с электрическими
и магнитными полями.
В рамках Программы фундаментальных исследований Президиума РАН N20 по теме: "Взаимодействие плазмы с высокоскоростными потоками газа" выполнено экспериментальное исследование формы дугового разряда при токах до ста ампер, горящего между двумя электродами в свободном воздушном пространстве при отсутствии обдува. Исследовано влияние материала электродов на форму разряда. Установлено, что использование электродов из различных материалов, хотя и не изменяет качественной формы разряда, может приводить к существенному изменению распределения параметров в разрядном промежутке.
(Лаборатория общей гидромеханики)
Обнаружено самозарождение колебаний натянутой струны с прилипшими к ней каплями жидкости в электрическом поле и объяснен механизм этой неустойчивости, связанный с резонансом между собственными колебаниями струны и частотой колебания капель в электрическом поле.
Экспериментально обнаружено явление электризации кавитирующего высокоскоростного течения диэлектрической жидкости в узком диэлектрическом канале, сопровождающееся электрическими разрядами.
(Лаборатория общей аэродинамики)
Впервые в полной постановке численно решена задача об электризации многокомпонентных слабопроводящих жидкостей при их течении в каналах со стенками, находящимися под постоянным потенциалом. Установлены два основных механизма электризации – электрохимический и диффузионный.
Дано объяснение свечению слабопроводящих жидкостей при течении в канале в отсутствие приложенных электрических полей.
Создана новая лабораторная установка для генерирования бегущего магнитного поля специальной структуры с частотой от 1 до 100 Гц в цилиндрическом канале. Установка предназначена для изучения влияния магнитного поля на свойства и поведение ограниченных объемов намагничивающихся сред в переменных полях.
Продолжалась разработка комплексных магнитоуправляемых противоопухолевых препаратов и их испытания.
(Лаборатория физико-химической гидродинамики)
Движение сплошных сред с физико-химическими превращениями.
Разработана методика численного моделирования химически и термически неравновесных течений в индукционном плазмотроне. Результаты расчетов внедрены в методику обработки экспериментальных данных, получаемых на установке ВГУ-4 (ИПМ РАН).
(Лаборатория физико-химической газодинамики)
Проанализированы СВЧ-измерения электронной концентрации в следах за алюминиевыми сферическими моделями, летящими в смесях воздуха с ксеноном со скоростями 2-5 км/с. Найдена константа прилипания электронов к микрочастицам оксида алюминия, зависящая от содержания ксенона в смеси, и дано физическое объяснение этой зависимости.
(Лаборатория гиперзвуковой аэродинамики)
Создана база данных для химических реакций в водородно-кислородной плазме с участием компонент О, ОН, О2. Выполнено ее тестирование путём расчета времён задержки воспламенения кислородно-водородных смесей и сравнения данных расчета и эксперимента, показавшее удовлетворительные результаты.
Расширена база данных по константам скорости реакций в воздушной неравновесной плазме с учетом реального содержания окислов азота и водяных паров.
Построена кинетическая модель образования и разрушения диоксинов в продуктах сгорания органических топлив под действием ионизирующего излучения. Проведено численное моделирование воспламенения углеводородно-воздушных смесей при воздействии на них ионизирующего излучения.
Исследовано поведение соединений ртути в продуктах сгорания угля. Разработана кинетическая модель и проведен численный анализ процесса радиационно-химического образования озона в кислородосодержащей газовой среде.
Сформулированы кинетические уравнения для заселенности колебательных уровней в реакциях диссоциации, распада и образования двухатомных и многоатомных молекул, а также реакций обмена. Построена база данных для реализации алгоритмов вычисления модельных коэффициентов. Все модели оформлены в виде вычислительной системы, которая может быть использована как в исследовательских работах, так и в учебном процессе.
(Лаборатория кинетических процессов в газах)
Продолжено исследование способов инициирования и распространения волн детонации в плоских каналах сложной формы, заполненных покоящейся стехиометрической водородно-воздушной смесью при нормальных условиях, с учетом реальной кинетики химических реакций.
Рассмотрено инициирование детонации в плоском канале с параллельными стенками несколькими электрическими разрядами. В случае подвода докритического количества энергии установлена возможность восстановления детонации посредством дополнительных разрядов небольшой мощности за (или перед) фронтом лидирующего скачка и снижения суммарной энергии инициирования.
Установлено, что при инициировании детонации разрядом в форме плоского слоя, примыкающего к торцу канала, возникающий после подвода энергии плоский фронт детонации постепенно искривляется и в канале формируется детонационная волна с ячеистой структурой.
Исследовано влияние расположенного поперек канала препятствия (стенки) с высотой, меньшей ширины канала, на процесс распространения волны детонации. Установлено существование критической высоты препятствия, при превышении которой происходит срыв детонационного режима горения в канале.
Исследован выход детонационной волны в резко расширяющийся канал. Определены параметры расширения, обеспечивающие сохранение детонации.
На установке "Ударная труба "Квадрат" изучено воздействие импульсного дугового электрического разряда в воздухе на дифракцию ударной волны с числом Маха от 2 до 2,5 на конусе. Исследована эволюция ударно-волновой конфигурации в области разряда сформированного вдоль образующей конуса. Обнаружено формирование крупномасштабной трехударной конфигурации на выходе ударной волны из области разряда.
Численно исследовано воспламенение сверхзвукового потока керосино-воздушной смеси в плоском канале с обратным уступом с помощью локального теплоподвода, моделирующего электрический разряд. Расчеты проведены с использованием однокомпонентной модели газообразного керосина С12Н24. Рассмотрена одна схема инжекции керосина и две схемы подвода тепла: перед уступом и в отрывной области за уступом. Определены предельные значения мощности теплоподвода, при которых происходит воспламенение керосина. Изучена зависимость полноты сгорания топлива от локализации и мощности теплоподвода.
(Лаборатория газодинамики взрыва и реагирующих систем)
Газовая динамика и теплообмен.
Проведены расчеты пограничного слоя на пластине в сверхзвуковом потоке, состоящей из непроницаемого и проницаемого (пористого) участка, через который осуществляется вдув инородного газа. Полученная расчетная зависимость коэффициента восстановления температуры стенки от чисел Маха, Прандтля и Рейнольдса может быть использована для расчета тепловых потоков в камерах ЖРД с завесным охлаждением.
(Лаборатория общей гидромеханики)
На основе полученного ранее асимптотического решения уравнений метеорной физики в сочетании с результатами независимого численного эксперимента показано, что известное Тунгусское падение, было гигантским метеором, отличающимся от обычных ежедневных микрометеоров лишь масштабом.
Проведены аэродинамические испытания модели ледового дворца спорта на Ходынке. Определены ветровые и снеговые нагрузки, необходимые на этапе проектирования дворца.
(Лаборатория общей аэродинамики)
Разработан и верифицирован новый численный метод решения двумерных нестационарных уравнений Навье-Стокса в лагранжевых координатах – метод вязких вихревых доменов. Метод позволил решить ряд задач о нестационарном обтекании проницаемых и непроницаемых авторотирующих тел с учетом взаимного влияния вихрей, генерируемых острыми кромками и вязким отрывом с гладкой поверхности этих тел. Создан программный комплекс – "виртуальный полигон", позволяющий проводить отработку феноменологических и инженерных моделей нестационарных аэродинамических нагрузок на тела в потоке.
Исследованы закономерности турбулентного смешения нагретых газов в осесимметричных каналах с предварительной закруткой потока. Установлены условия формирования внутренней рециркуляционной зоны вблизи оси потока.
Разработан новый способ сушки диспергируемых термолабильных материалов с сохранением природных свойств продукта. Действующий макет установки экспонировался и получил высокую оценку на выставке "Агропрод-2005".
Выполнен цикл экспериментальных и расчетных исследований аэродинамических характеристик и устойчивости моделей перспективных артиллерийских снарядов с несущими поверхностями, результаты внедрены в практику.
(Лаборатория аэромеханики и волновой динамики)
Теоретически и экспериментально обнаружено существование "вихревой" особенности Ферри внутри ударного слоя над одной из консолей V-образного крыла при несимметричном сверхзвуковом обтекании. Показано, что "вихревая" особенность Ферри преобразуется в особенность классического типа при стремлении к нулю интенсивности контактного разрыва, исходящего из точки ветвления ударных волн над смежной консолью крыла.
Экспериментально изучено распределение равновесной температуры теплоизолированной стенки сверхзвукового сопла при обтекании его аргон-водородной смесью с низким значением числа Прандтля (Pr=0.36-0.38). Показано, что известные зависимости для определения коэффициента восстановления температуры, обоснованные для воздуха (Pr=0.72), дают заниженные результаты при малых значениях числа Прандтля. Полученные экспериментальные данные позволяют уточнить методики расчета перспективных устройств, использующих эффект газодинамической температурной стратификации.
Успешно идет работа по вводу в строй новой установки для исследования теплопередачи в каналах с различной формой поверхности стенок по договору с компанией Siemens.
(Лаборатория гиперзвуковой аэродинамики)
Исследована устойчивость отрывной зоны, возникающей перед телом при воздействии на набегающий сверхзвуковой поток посредством энерговклада в малую область. Предложен способ обеспечения устойчивости схемы течения, основанный на переходе к импульсно-периодическим режимам энерговклада. Показано, что возможно подавление развития процесса вихреобразования на разделяющей линии тока, но не развитой неустойчивости.
Численно исследовано тепловое экранирование сферического объекта в задаче о дифракции плоской ударной волны. Изучено влияние подвода энергии на картину взаимодействия ударных волн со сферой. Показано, что увеличение подводимого тепла, особенно за счет увеличения области теплоподвода, приводит к ослаблению силового воздействия набегающей ударной волны на сферу.
Выполнены расчеты конвективного и радиационного нагрева поверхности аппарата, моделирующего Марсианский спускаемый космический аппарат экспедиции возвращения.
(Лаборатория газодинамики взрыва и реагирующих систем)
Механика природных процессов.
На основе полных уравнений Навье-Стокса построена модель неизотермического течения магмы в канале вулкана с осевой симметрией с учетом вязкой диссипации. Проведены расчеты влияния расхода магмы на рост температуры в пристеночной области.
Проведены экспериментальные исследования циклических режимов извержения на установке "Вулкан", результаты которых хорошо согласуются с расчетами на основе модели, описывающей истечение жидкости с вязкостью зависящей от температуры по охлаждаемому каналу.
Изучены разрывы между областями фильтрации чистых фаз и областью пароводяной смеси при наличии теплопроводности. Рассмотрена структура фронтов и из условия существования структуры разрыва найдены дополнительные условия, необходимые для корректной постановки задач.
В рамках уравнений тонкого слоя найдено аналитическое решение задачи о течении вязкой жидкости на неосесимметричной конической поверхности для формы свободной поверхности и картины линий тока вблизи переднего фронта течения.
(Лаборатория общей гидромеханики)
Выполнена обобщающая работа по механике землетрясений, содержащая постановку и оценочное решение проблем зарождения очага землетрясения, его эволюции во времени, достижения в нем неустойчивого по механической прочности состояния, возникновения процесса динамического разрушения в нем и освобождения накопленной упругой энергии горных пород, уносящейся от очага в упругих сейсмических волнах. Сформулирована теоретическая схема организации мониторинга предвестниковых полей для прогноза сильных землетрясений.
Построено количественное описание процесса движения в реке и смешения с речной водой некоторого объема "загрязняющей" жидкости. Полученные соотношения позволяют рассчитывать рост объема загрязненной воды и падения концентрации в нем загрязняющих веществ вниз по течению реки.
Проведено обобщающее теоретическое исследование явления формирования устойчивых вихревых образований в океане – соляных линз и порождаемых океаническими течениями рингов. Построенные точные решения соответствующих нелинейных гидродинамических задач позволяют рассчитать конфигурацию, динамику и дрейф в океане этих образований.
(Лаборатория механики природных процессов)
Биомеханика.
Разработана и исследована модель транспорта водянистой влаги в переднем отделе глаза, учитывающая активный транспорт ионов, приток жидкости в заднюю камеру за счет фильтрационного и осмотического механизмов, ее фильтрационный отток из передней камеры и упругие свойства оболочки глаза. Полученная система уравнений дает возможность анализировать динамику течения и формирование внутриглазного давления как в стационарных, так и в нестационарных процессах. Выполнены оценки параметров модели и продемонстрировано ее хорошее соответствие экспериментальным данным.
Предложена математическая модель роста растяжением в корне растения с учетом кинетики химических связей в клеточной стенке, основанная на учете спонтанного образования химических связей и их распада под действием механических напряжений. Модель позволила оценить влияние различных механизмов на формирование зоны растяжения и получить количественное совпадение с экспериментально наблюдаемыми фактами.
(Лаборатория общей гидромеханики)
В результате численного моделирования процесса взаимодействия основных сократительных белков мышцы – актина и миозина - предложена новая молекулярная модель структуры их комплекса.
Определены реологические характеристики крови на начальных стадиях экспериментальной ишемизации мозга и при ее коррекции, а также биомеханические параметры, характеризующие текучесть крови при локальном ограничении кровоснабжения.
(Лаборатория биомеханики)
Разработана трехкомпартментная модель вестибулярного механорецептора.
(Лаборатория навигации и управления)
Динамические воздействия на сплошные среды и конструкции.
На баллистических установках при скоростях от 100 до 400 м/с и от 0,6 до 6 км/с исследована прочность ряда композитных материалов, изготовленных на основе эпоксидной смолы с наполнителями, при ударном сжатии.
(Лаборатории нестационарной гидродинамики и гиперзвуковой аэродинамики)
Аттестована модель упругопластического тела Соколовского-Мальверна на результатах динамических испытаний по сложному нагружению ряда материалов со скоростями деформации порядка от 10 до 5000 обратных секунд. Для нужд промышленности проведена серия экспериментов по определению влияния на прочностные характеристики наполненных полимерных систем их структурных свойств, температуры и скорости нагружения.
(Лаборатория динамических испытаний)
Предложен экспериментально-вычислительный метод решения задач прочности при ударном нагружении. Использование этого метода позволило создать экспертную оценку пробиваемости корпуса газотурбинного двигателя при обрыве лопатки турбины.
(Лаборатория упругости и пластичности)
Механика упруго-пластических сред и конструкций.
Определены оптимальные режимы облучения инструментальных сталей, приводящие к их упрочнению.
(Лаборатория ползучести и длительной прочности)
Исследована сходимость и даны оценки точности решения упругопластической задачи о растяжении пластины с круговым отверстием.
Аналитически построено решение задачи о пространственном распределении напряжений около трещины в тонкой пластине.
(Лаборатория упругости и пластичности)
Ползучесть, длительная и высокотемпературная прочность материалов и элементов конструкций.
Предложен метод измерения поврежденности металлов, накапливаемой в процессе высокотемпературного испытания на ползучесть при растяжении вплоть до разрушения. Метод основан на измерении удлинения растягиваемого образца и его электрического сопротивления и сопоставлении этих данных.
Отработана методика экспериментального исследования кессонного разрушения полимерных материалов при быстром сбросе гидростатического давления. Показано, что циклическое нагружение гидростатическим давлением с его быстрым сбросом приводит к снижению сопротивления деформированию наполненных эластомеров.
(Лаборатория ползучести и длительной прочности)
Сконструированы и изготовлены принципиально новые экспериментальные установки для изучения механических характеристик композитов на основе фосфатов кальция, максимально приближенных по составу и структуре к костной ткани. Эти установки позволяют проводить испытания на сжатие и кручение малых образцов с учетом особенностей твердых биоматериалов.
(Лаборатория прочности и ползучести при высоких температурах)
Механика многокомпонентных и многофазных сплошных сред.
Получил дальнейшее развитие смешанный лагранжево-эйлеров подход для описания аэродисперсных систем, при котором параметры несущей фазы рассчитываются на эйлеровой сетке, а параметры дисперсной фазы находятся с использованием полного лагранжева метода. Рассмотрены задачи о влиянии дисперсной фазы на структуру пограничного слоя за ударной волной, движущейся вдоль эродирующего слоя полидисперсного осадка. Обнаружен и исследован эффект стратификации дисперсной примеси вблизи критических точек, возникающих при столкновении под произвольными углами двух различных вязких потоков. Проведено численное моделирование эффекта аэродинамической фокусировки инерционных частиц за точкой пересечения плоских ударных волн в запыленном газе.
Исследована гидродинамическая устойчивость пограничного слоя в запыленном газе с учетом стратификации дисперсной фазы в основном течении и подъемных сил, действующих на частицы в сдвиговых потоках.
Исследована задача о линейной устойчивости осесимметричного термокапиллярного течения в мелком круглом бассейне при наличии внешнего горизонтального перепада температур. Показано, что наличие слабого вращения приводит к дестабилизации течения, а увеличение скорости вращения стабилизирует течение.
(Лаборатория механики многофазных сред)
Проблемы управления движением мобильных роботов и мехатронные системы.
Рассмотрены задачи синтеза управления двухзвенным маятником. Управление обеспечивает перевод маятника из устойчивого положения в одно из трех возможных неустойчивых положений равновесия. Для каждой из этих задач построено импульсное управление моментом, приложенным в точке подвеса.
Решена задача стабилизации неустойчивого положения равновесия пятизвенного двуногого аппарата, стоящего на одной ноге. Управление осуществляется моментами, приложенными во внутренних суставах – коленных и тазобедренных.
Исследовано плоское движение одноколесного робота по неровной поверхности. Моделью аппарата служит колесо с шарнирно закрепленным в его центре маятником. При любом наперед заданном движении центра колеса строится алгоритм решения обратной задачи определения управляющего момента.
Разработан комплекс регистрации, обработки и анализа параметров витальных функций человека. Комплекс решает задачу управления мехатронными модулями перфузии и обеспечивает жизнедеятельность человека в условиях отсутствия квалифицированного врачебного контроля.
(Лаборатория общей механики)
Создана современная система управления мобильным роботом, включающая средства программирования и отладки с использованием беспроводного канала связи с внешним компьютером.
На основе новых элементной базы и алгоритмов проведена аппаратная и программная модернизация мобильных роботов и системы управления полигоном.
Для проводных систем с большим количеством датчиков и исполнительных механизмов разработаны новые высокоскоростные контроллеры.
Для беспроводных систем, используемых при решении медико-биологических задач, разработаны малоэнергопотребляющие контроллеры в паре с миниатюрными радиопередатчиками.
Совместно с ЦКБ РАН разработана робототехническая мехатронная система восстановления движения послеинсультных больных и больных с травматическим повреждением спинного мозга, проходящая испытания в клинических условиях.
(Учебно-научная лаборатория механики и электроники)
Динамика твердого тела, взаимодействующего со средой.
Проведен анализ задачи стабилизации платформы Стюарта – сегмента активной поверхности зеркала радиотелескопа - с тремя опорными стержнями изменяемой длины при наличии ветровых возмущений. Решена задача Булгакова о накоплении возмущений, построена оценка максимальных отклонений платформы от заданного положения.
(Лаборатория навигации и управления)
- Методы качественного анализа, оценивания и управления нелинейными механическими системами.
По разделу "Теория неголономных систем" выделены новые классы стационарных движений, сформулированы и доказаны новые теоремы об устойчивости и стабилизации этих движений. В качестве приложения теории получены условия устойчивости и условия возможности стабилизации стационарных движений в рамках новых моделей перспективных транспортных колесных роботов: моноцикла и трицикла.
(Лаборатория навигации и управления)
С использованием метода, позволяющего аналитически описывать конфигурацию границы области устойчивости в многопараметрическом пространстве, выполнен цикл исследований по проблеме устойчивости модельных механических систем, испытывающих воздействия различной природы.
(Лаборатория механики природных процессов)
Телекоммуникационные и информационно-вычислительные технологии в механике.
Расширен экспериментальный GRID-полигон в г. Москве за счёт включения в его состав вычислительных установок ряда институтов РАН и МГУ. Разработаны и апробированы на практике новые динамические механизмы и модели управления вычислениями.
На основе анализа функциональных свойств системы автоматического динамического распараллеливания программ, с учётом перспектив её использования в составе слабосвязанных архитектур типа GRID, разработаны и реализованы две версии системы с новой функциональностью. Проведена их апробация на задачах аэродинамики и поиска в больших хранилищах слабоструктурированных данных.
Разработаны и частично реализованы в виде программ новые математические модели, описывающие процессы компьютерного противоборства в распределённых информационно-вычислительных системах.
(Лаборатория автоматизации экспериментальных исследований)