Архив

Итоги 2009 года

ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ПРИОРИТЕТНЫМ НАПРАВЛЕНИЯМ В 2009 г.

Гидродинамика высокоскоростных и нестационарных процессов

Лаборатория экспериментальной гидродинамики. Экспериментально и численно исследован процесс фонтанирования плоских затопленных струй жидкости в прямоугольных установках с придонным стоком. Его особенностью является совпадение, начиная с некоторого значения числа Фруда, частоты автоколебаний фонтанов с собственной частотой свободных колебаний жидкости в сосуде.

Изучена фильтрация малоконцентрированной суспензии в пористом пласте. Дано объяснение известного из экспериментов отставания границы продвижения частиц от границы распространения несущей жидкости.

Проведена модернизация и автоматизация измерительных систем на гидродинамической трубе для обеспечения экспериментальных исследований моделей с вентилируемой кавитацией.

Одновременно на рабочем участке гидротрубы с круговым сечением подготовлена задача студенческого практикума по "Определению коэффициента сопротивления диска при развитой кавитации".

Лаборатория нестационарной гидродинамики. Проведены экспериментальные исследования нестационарных режимов струйного течения с образованием полости с отрицательным числом кавитации в условиях поддува газа в каверну. Получены данные для средних величин параметров и их пульсационных характеристик.

В гидроканале проведены экспериментальные исследования движения наклонной пластины, закрепленной на подвижной тележке, под действием обрушивающихся волн. Показано, что при постоянном угле наклона пластины в зависимости от глубины погружения скорость движения пластины против волн имеет максимум, соответствующий режиму опрокидывания волн точно за кромку пластины.

Лаборатория механики природных процессов. Даны постановки задач для гидрогазодинамических процессов, возникающих при разрушении подводных магистральных газопроводов, и найдены их точные решение. Исследование связано со строительством подводного газопровода "Голубой поток".
Устойчивость гидродинамических течений и турбулентность

Лаборатория экспериментальной гидродинамики. При числах Рейнольдса, меньших 2000, экспериментально определены пульсационные характеристики потока, возникающие в диффузорах и цилиндрических трубах с различного типа внутренними источниками возмущений, вносимых в ламинарный поток.

Лаборатория нестационарной гидродинамики. Проведены экспериментальные исследования влияния начальных периодических возмущений и ускорения силы тяжести на характер развития неустойчивости Релея-Тейлора в ячейке Хеле-Шоу для двух жидкостей с различной плотностью.

Лаборатория механики природных процессов. Построено точное решение задачи о течении тонкой пленки жидкости по наклонной поверхности при зависящих от времени вязкости и массовой силе.

Лаборатория общей аэродинамики. Обнаружена универсальность в скорости расходимости изначально близких полей скорости в пристенных турбулентных течениях. Определены универсальные (не зависящие от числа Рейнольдса и вида течения) коэффициенты расходимости в пространстве и во времени.
Механика сред, взаимодействующих с электрическими и магнитными полями

Лаборатория физико-химической гидродинамики. Установлена причина наблюдавшегося систематического расхождения теоретических и экспериментальных значений тока на электрический зонд, используемый для диагностики частично ионизованных реагирующих газовых смесей при высоких давлениях. Показано, что оно связано с неучтенной ранее в теории ионизацией электронно-возбужденных нейтральных молекул смеси сильным электрическим полем в окрестности зонда. Получено экспериментальное доказательство непосредственного влияния сильных электрических полей на процесс ионизации в плотных высокотемпературных газовых смесях.

Построена модель двумерной намагничивающейся сплошной среды для описания слоя, образованного ферромагнитными наночастицами в тонких пленках жидкости или поверхностно-активного вещества на границе раздела между объемными фазами. Показано, что при сильном дипольном взаимодействии между частицами в магнитном поле может происходить образование двумерных магнитных коллоидных кристаллов - поверхностных структур с периодическим расположением частиц.

Предложена модель тонкого намагничивающегося цилиндрического тела из композита, содержащего ферромагнитные частицы нано- или микро-размеров. Учитываются упругие и вязкие свойства такого композита и нелинейная зависимость намагниченности от магнитного поля. На основе предложенной модели аналитически решены задачи о собственных колебаниях композитного тела и о распространении поперечных и продольных возмущений в случае неограниченной длины тела.

Выполнена полная групповая классификация наноструктурных материалов, в описание которых помимо закона движения входит аффинный репер, описывающий как ориентацию, так и деформирование наночастиц. В частности, выведены диссипативные модели новых видов жидких и молекулярных кристаллов - кубических жидких кристаллов и фуллеренов.

Лаборатория общей аэродинамики. Установлено, что при течении слабопроводящей жидкости в тонком коаксиальном канале с диэлектрическими стенками небольшие каверны в стенках канала приводят к электризации жидкости в этих областях. Электрический потенциал жидкости при этом может достигать 100 и более кВ. Показано, что свечение жидкости связано с электрическими разрядами и сопровождается электромагнитной помехой в радиодиапазоне.

Лаборатория механики природных процессов. Проведено теоретическое исследование устойчивости поверхности раздела между идеально проводящей и слабопроводящей жидкостями в электрическом поле плоского конденсатора.
Движение сплошных сред с физико-химическими превращениями

Лаборатория кинетических процессов в газах. Измерена колебательная температура диссоциирующего кислорода при температурах газа за фронтом ударной волны от 4000 до 11000К. Полученные данные позволяют тестировать существующие или создавать новые модели констант скорости диссоциации в условиях термической неравновесности.

В экспериментах на ударной трубе измерены времена индукции воспламенения стехиометрических, бедных и богатых водородо-кислородных смесей в интервале температур от 900 до 3000К. Получена универсальная зависимость времени индукции от температуры.

Лаборатории физико-химической газодинамики и кинетических процессов в газах. Методами квантовой механики и молекулярной динамики изучен процесс гетерогенной рекомбинации атомов кислорода на поверхности окиси алюминия (Al2O3). Получены вероятности рекомбинации в широком температурном диапазоне. Показано хорошее согласие расчетных и имеющихся экспериментальных данных.

Лаборатория газодинамики взрыва и реагирующих систем. Разработан вычислительный комплекс с графическим интерфейсом для решения широкого круга задач двумерной нестационарной физико-химической газовой динамики. В его основу положена схема С.К. Годунова, реализованная на блочных подвижных сетках для уравнений Эйлера, дополненных уравнениями для кинетики химических реакций. Особенностью комплекса является использование "минимально достаточной химической кинетики", позволяющей проводить "сквозные" расчеты процессов горения и детонации (в том числе ячеистой) в каналах сложной формы, загроможденных препятствиями, и во внутренних трактах различных технических устройств, содержащих движущиеся элементы. Проведен широкий круг численных экспериментов по инициированию детонации. Обнаружен ряд неизвестных типов течений с детонацией. Статьи с этими результатами приняты в печать и будут опубликованы в текущем году.

Численно изучено детонационное горение смеси водорода с воздухом, поступающей в осесимметричное сопло Лаваля, выполняющее роль сверхзвуковой прямоточной камеры сгорания. Предложена форма сопла, обеспечивающая стационарное детонационное горение стехиометрической смеси при числах Маха набегающего потока выше 6. Установлено, что для стабилизации детонации при меньших значениях числа Маха содержание водорода должно быть уменьшено. Показано, что неоднородность содержания водорода на входе в сопло предложенной геометрии приводит к уменьшению тяги.
Газовая динамика и теплообмен

Лаборатория физико-химической газодинамики. Разработана новая модель для решения задач сверх- и гиперзвукового обтекания затупленных тел в широком диапазоне чисел Рейнольдса на основе обобщенных уравнений вязкого ударного слоя с учетом скольжения и скачка температуры на обтекаемой поверхности и обобщенных условий Ренкина-Гюгонио на головной ударной волне.

Создан континуальный метод решения задач гиперзвукового обтекания затупленных тел во всем диапазоне чисел Рейнольдса. Метод основан на сопряжении решений, получаемых в рамках моделей тонкого и вязкого ударных слоев.

Впервые проведено численное моделирование течений воздушной плазмы в установке ВАТ-104 –плазмотроне ЦАГИ, а также плазмы углекислого газа в установке ВГУ-4 (ИПМ РАН). Исследована структура сверхзвуковых и недорасширенных струй, истекающих из разрядных каналов двух установок, а также изучены каталитические свойства материалов обтекаемых моделей, установленных в рабочих частях двух плазмотронов.

На основе молекулярно-динамического моделирования разработан численный метод для изучения процессов аккомодации при взаимодействии газа с поверхностью с учетом теплового движения атомов твердого тела. Получены количественные оценки для массы водорода адсорбированного в массиве углеродных нанотрубок при различных термодинамических условиях. Найдена оптимальная для адсорбции водорода геометрия массива.

Лаборатория аэромеханики и волновой динамики. Экспериментально определены аэродинамические характеристики и ударно-волновые конфигурации течения при обтекании моделей космического аппарата "Фобос-Грунт" потоком воздуха с числом Маха от 0.4 до 1.8. Установлено, что на всех исследованных режимах обтекания модель обладает достаточным запасом статической устойчивости.

Экспериментально обнаружен гистерезис структуры сверхзвукового обтекания и волнового сопротивления заостренного конического тела с кольцевой каверной при изменении угла атаки.

Получено экспериментальное подтверждение существования одномодового (высокочастотного) панельного флаттера.

Разработаны способы учета влияния ветрового воздействия на внутренние течения в зазоре между проницаемым экраном и телом, позволившие создать обоснованные прикладные методики расчета термогазодинамики навесных вентилируемых фасадных систем высотных сооружений.

Лаборатория гиперзвуковой аэродинамики. Выполнен анализ тормозных систем для полета на Марс и возвращения спускаемых аппаратов на Землю. Даны эмпирические зависимости аэродинамических коэффициентов тормозных систем от угла атаки для разных конфигураций спускаемого аппарата.

Проведено экспериментальное исследование гиперзвукового обтекания осесимметричных тел с тепловым элементом в донной области. При числе Маха М = 6 исследована новая конфигурация модели, сочетающая нагретый до 2000 градусов тепловой элемент с кормовым перфорированным отражателем. Экспериментально обнаружен вариант компоновки, обеспечивающий увеличение донного давления до 60%.

В результате специального типа глобальной вариации формы плоского или осесимметричного тела, в частности тела со степенным продольным контуром, показано, что их волновое сопротивление может быть уменьшено как при слабых, так и при сильных вариациях, которым сопутствует возникновение интенсивных скачков уплотнения в ударном слое.

На базе аэродинамической установки А-11 создан экспериментальный стенд для исследования проблем термо-гидродинамики поверхностей с вихреобразующими рельефами при сверхзвуковом обтекании. Стенд оснащен тепловизорным и тензометрическим оборудованием и позволяет проводить сравнительные испытания гладких и рельефных поверхностей одновременно. Установлено, что при числе Маха 2,8 на поверхности с упорядоченно расположенными сферическими углублениями коэффициент восстановления температуры меньше на 4,5 % по сравнению с гладкой поверхностью, при этом коэффициент теплоотдачи увеличивается на 20%, а коэффициент сопротивления на 70%.

Лаборатория газодинамики взрыва и реагирующих систем. Проведено теоретическое исследование двумерной дифракции ударных волн на температурных неоднородностях различной геометрической конфигурации в идеальном совершенном газе. Установлено, что в зависимости от величины дефекта плотности может наблюдаться как регулярное преломление скачка уплотнения на области неоднородности, так и нерегулярная дифракция с многократно преломленными скачками уплотнения и контактными разрывами, локальными струями, вихрями и грибовидными структурами.
Механика природных процессов

Лаборатория общей гидромеханики. Разработана программа для моделирования фильтрационных течений воды с совместным расчётом её двухфазного термодинамического равновесия в широком диапазоне термобарических условий. Проведено моделирование фильтрационных течений воды в реальных геотермальных системах.

Построена модель роста одиночного кристалла плагиоклаза из магматического расплава, основанная на решении уравнений многокомпонентной диффузии с учетом наличия подвижной границы с нелинейными соотношениями для концентрации компонент. Показано, что из- за конкуренции процессов роста и диффузии при линейном по времени падении температуры, состав кристалла может меняться немонотонно.

Исследовано влияние теплообмена с окружающими породами, неравновесной кристаллизации и смены граничного условия на стенке канала (прилипание-проскальзывание) на расход магмы. На базе построенной квазидвумерной модели извержения показано, что профиль скорости может сильно отличатся от параболического, однако циклические режимы извержения возможны.

Лаборатория общей аэродинамики. Впервые дана классификация катастрофических метеоритных событий на Земле в переменных "баллистический коэффициент – параметр уноса массы".

Лаборатория механики природных процессов. Построено решение задачи о движении тайфуна как целого - жидкого гироскопа. Получена динамически равновесная форма тайфуна - неосесимметричный однополостный гиперболоид, наклоненный к горизонту.

Построено точное решение для равновесного состояния атмосферы планет с пограничным слоем между тропосферой и стратосферой.

Построена простая математическая модель, описывающая процесс турбулентного перемешивания попавшего в реку объема загрязненной воды в процессе его переноса течением. Получены явные соотношения, по которым можно рассчитать эволюцию объема и поля концентраций загрязнения.
Биомеханика

Лаборатория общей гидромеханики. Установлено, что данные, получаемые при эластометрии глаза, зависят не только от упругих свойств его оболочки, но и от внутриглазного давления. Предложена корректная методика оценки упругих характеристик оболочки глаза на основании этой процедуры.

Показано, что механизм, основанный на активном транспорте ионов и пассивном переносе воды, достаточен для объяснения возможности течения через корень растения в отсутствие перепадов гидростатического и осмотического давлений между внутренней и внешней средами.

Лаборатория общей гидромеханики и гиперзвуковой аэродинамики. На основе сопоставления расчетов с опытными данными показано, что регистрируемые при форсированном выдохе трахеальные звуки связаны с отрывным течением вблизи динамического сужения трахеи, что должно учитываться при разработке диагностических методов, основанных на форме зависимости интенсивности звука от величины объема выдоха.

Лаборатория нестационарной гидродинамики и аэромеханики и волновой динамики. Предложен резонансно – частотный метод оценки готовности зубных имплантов к функциональным нагрузкам, основанный на измерении характеристик их продольных колебаний. Метод позволяет вести мониторинг процесса приживаемости зубного импланта к кости, не вскрывая слизистую оболочку. Это должно существенно повысить эффективность соответствующих восстановительных операций.

Лаборатория биомеханики. В результате исследования механических и структурных изменений в скелетной мышце, проводимого с помощью рентгеновской дифракции высокого временного разрешения (2 мсек) получено объяснение молекулярной природы псевдо-пластического поведения сокращающейся мышцы при растяжении.

Показано, что у больных системной красной волчанкой аномально высокая скорость образования крупных агрегатов эритроцитов не обязательно ведет к ухудшению их состояния. Уменьшение прочности этих крупных агрегатов ведет к их расщеплению и в результате – к улучшению состояния больных.

Лаборатория физико-химической гидродинамики. Осуществлен синтез новых магнитоуправляемых негативных магнитно-резонансных томографических (МРТ) контрастных противоопухолевых нанопрепаратов. Одновременное применение этих препаратов с обычными позитивными МРТ контрастными средствами привело к созданию новой перспективной методики ранней МРТ диагностики онкологических заболеваний. Методика отрабатывается в экспериментах на подопытных животных.
Динамические воздействия на сплошные среды и конструкции

Лаборатория динамических испытаний. Построены решения научно-краевых задач, описывающих переходные волновые процессы в ограниченных телах из термоупругого материала с учетом взаимосвязанности полей напряжений и температуры.

Лаборатория механики природных процессов. Получено решение задачи о напряженно-деформированном состоянии толстостенной многослойной трубы при динамическом изменении параметров течения жидкости в ней с учетом механико-химической реологии материала трубы.

Лаборатория упругости и пластичности. Сформирован виртуальный стенд и выполнены численные эксперименты по динамическому нагружению нанокомпозитных материалов. На основе полученных данных и с учетом имеющихся результатов натурных испытаний разработана и апробирована математическая модель нанокомпозитной жидкости, построены численные решения задач о пробивании многослойного пакета из тканого композита со связующим из нанокомпозитной жидкости.
Механика упруго-пластических сред и конструкций

Лаборатория упругости и пластичности. При исследовании сплавов с эффектом памяти формы предложен метод вычисления параметров, входящих в определяющие соотношения, с использованием данных системы экспериментов.

В ряде задач о плоской деформации упругопластических тел исследована зависимость вида решения от значения коэффициента Пуассона.

Предложена и реализована процедура использования численного эксперимента при исследовании деформирования тонкостенных конструкций с отверстиями.
Ползучесть, длительная и высокотемпературная прочность материалов и элементов конструкций

Лаборатория ползучести и длительной прочности. Построена модель для расчета силы трения, обусловленной диссипацией энергии при образовании и разрушении элементарных контактов между выступами при относительном перемещении поверхностей.

На основе результатов испытаний зернистого композита разработана модель разносопротивляющегося материала, основанная на обобщении упругого потенциала для изотропного тела.

Получены решения задач осадки сплошных и полых цилиндров в условиях ползучести при различных условиях на свободной границе. Проведен сравнительный анализ решений по их энергетической эффективности для определения оптимальной программы нагружения.

Предложена вероятностная модель ползучести. Проведено моделирование кривой ползучести с тремя стадиями на основе известных экспериментальных данных.

Предложен энергетический подход для интерпретация результатов воздействия рентгеновского излучения на физические и механические свойства материалов. Показано, что эффект воздействия заметен только в том случае, если удельная энергия рентгеновского излучения существенно превышает энергию связи электронов с ядром атома.

Лаборатория прочности и ползучести при высоких температурах. Построено обобщение кинетической теории ползучести Ю.Н. Работнова. Предложен новый экспериментальный метод построения функции поврежденности. Получено кинетическое уравнение для функции поврежденности, согласованное с экспериментальными кривыми ползучести.
Механика многокомпонентных и многофазных сплошных сред

Лаборатория механики многофазных сред. Исследовано регулярное (симметричное и несимметричное) взаимодействие плоских скачков уплотнения в стационарном газодисперсном потоке. Обнаружена возможность формирования волновых структур, в которых все, либо только некоторые из падающих или отраженных волн вырождаются в волны с полной дисперсией, т.е. зоны непрерывного изменения параметров фаз. Проведена классификация возможных волновых структур, включающих волны с полной дисперсией.

Предложена и исследована новая аэродинамическая схема формирования фокусированных пучков микрочастиц с помощью ударных волн, движущихся в микроканале по аэрозольной среде. Показано, что при определенных параметрах течения под действием подъемных сил сдвиговой природы частицы за ударной волной фокусируются на оси канала, что приводит к образованию коллимированного пучка микрочастиц на выходе из канала.

На основании результатов параметрических численных расчетов определены границы существования стационарного и нестационарного режимов пленочного кипения в окрестности плоскости симметрии сильно нагретого двумерного затупленного тела, движущегося с постоянной скоростью в жидкости. Исследованы структура паровой прослойки и тепловые потоки в критическую точку тела.
Проблемы управления движением мобильных роботов и мехатронные системы

Лаборатория общей механики. Разработан ряд модулей программного комплекса для решения задачи оптимального распределения по средствам выведения существующих и прогнозируемых к разработке космических аппаратов.

Построена виртуальная среда для синтеза алгоритмов управления различными походками шестиногого шагающего аппарата. Предложена новая версия системы управления на базе специализированных контроллеров, управляющих 18 двигателями робота, и образующих бортовую распределенную вычислительную сеть. Испытания подтвердили корректность предложенных алгоритмов.

Разработано программное обеспечение для управления беспроводной сенсорной сетью, предназначенной для обработки сейсмоакустических сигналов. Выбраны и обоснованы подходы к анализу сейсмоакустических сигналов, позволяющие синтезировать алгоритмы их классификации.
Динамика твердого тела, взаимодействующего со средой

Лаборатория навигации и управления. Для ветротурбины с вертикальной осью вращения на базе замкнутой математической модели получены аналитические и численные зависимости угловых скоростей ротационных режимов от момента инерции ротора, установлена возможность расширения зоны притяжения высокоскоростного режима за счет управления изменением момента инерции установки.

Получены условия устойчивости оси тела, находящегося в режиме прямолинейного установившегося торможения.

В задаче о движении системы "плохообтекаемое тело – малый безынерционный парашют" установлены условия существования стационарных режимов планирования. С помощью численного моделирования показано, что степень затухания колебаний системы в окрестности устойчивого режима планирования и возникновение его неустойчивости существенно зависят от длины строп
Методы качественного анализа, оценивания и управления нелинейными механическими системами

Лаборатория навигации и управления. Совместно с сотрудниками Харбинского технологического института получены достаточные условия устойчивости космической станции, содержащей деформируемые элементы.

Получены достаточные условия устойчивости стационарных движений колесных экипажей.

Лаборатория механики природных процессов. Изучена возможность стабилизации линейных статически неустойчивых систем с помощью вибрации. Решена задача о вибрационной стабилизации упругого стержня, находящегося под действием закритической осевой нагрузки.
Телекоммуникационные и информационно-вычислительные технологии в механике

Лаборатория автоматизации экспериментальных исследований. Разработаны новые математические модели и алгоритмы, позволяющие в автоматизированном режиме определять степень значимости слов в запросах пользователя на контекстный поиск информации в крупных корпоративных хранилищах и Интернете. В режиме экспериментальной эксплуатации на информационном пространстве МГУ запущен аппаратно-программный комплекс для тематического анализа научной информации.