Архив

ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ПРИОРИ-ТЕТНЫМ НАПРАВЛЕНИЯМ В 2007 г.

ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ПРИОРИТЕТНЫМ НАПРАВЛЕНИЯМ В 2007 г.

  1. Гидродинамика высокоскоростных и нестационарных процессов

    Лаборатория экспериментальной гидродинамики. Выполнены экспериментальные и численные исследования процесса образования воронки при нестационарном истечении под действием силы тяжести первоначально покоившейся воды через одно или пару отверстий в дне призматического сосуда. Предложен способ определения направления вращения жидкости в воронках.

    Создана и апробирована установка для изучения автоколебательных режимов течения в гидродинамической трубе, возникающих при создании искусственной кавитации с помощью встречных струй жидкости. Установлена зависимость периода авто-колебаний от основных определяющих параметров.

    Лаборатория нестационарной гидродинамики. На гидроканале изготовлен и смонтирован новый волнопродуктор, обеспечивающий широкий диапазон изменения параметров генерируемых волн, возможность регулирования как частоты, так амплитуды хода рабочего элемента.

    Предложена и апробирована методика исследования работы волнового движителя в режиме искусственной килевой качки на спокойной воде. Испытана модель катамарана с волнодвижителем типа «подводный парус». Получены патенты.

    Введена в строй струйная установка для изучения масштабного эффекта в течениях с образованием вентилируемой каверны с отрицательным числом кавитации. Подтвержден заявленный ранее закон уноса газа из каверны от числа Вебера.

    Лаборатория общей аэродинамики. Построено точное решение задачи о ползущем течении в подшипнике со свободным шипом, обобщающее классическое решение Жуковского-Чаплыгина.

  2. Устойчивость гидродинамических течений и турбулентность

    Лаборатория общей аэродинамики. Прямым численным моделированием показано сильное влияние условий на входе на турбулентное течение в цилиндрической трубе, распространяющееся на сотни калибров.

    Установлено хорошее соответствие результатов прямого численного моделирования и эксперимента в задаче о турбулентной конвекции в плоском горизонтальном слое при сверхвысоких значениях надкритичности при числах Релея, в сорок тысяч раз превышающих критическое значение. Выявлена трехмерная структура магнитных полей, генерируемых в слое раствора при конвективной неустойчивости.

  3. Механика сред, взаимодействующих с электрическими и магнитными полями

    Лаборатория физико-химической гидродинамики. Изучен механизм электризации пристеночных слоев при течении частично ионизованных газовых смесей, обусловленный большим различием коэффициентов диффузии положительных ионов и электронов. Наличие заряженных слоев в окрестности стенок приводит к образованию электродиффузионной разности потенциалов между ядром потока и стенками. Воздействие приложенного электрического поля, направленного вдоль стенки против потока, может вызывать в тонких пристеночных слоях возвратное течение.

    Изучена деформация намагничивающихся тел типа упругого магнитоэластика с различным модулем Юнга, движущихся в цилиндрическом канале под действием бегущего магнитного поля. Построена модель деформации и получена теоретическая оценка скорости тел, близкая к экспериментальным данным при малых частотах поля.

    Изучено влияние магнитных сил на капиллярную неустойчивость пленки магнитной жидкости малой относительной толщины, покрывающей ненамагничивающийся цилиндр. Найдена зависимость длины волны наиболее быстро растущей моды от параметра магнитнокапиллярного взаимодействия.

    Совместно с РОНЦ им. Н.Н. Блохина РАМН и Центром томографии МГУ продолжена разработка методики магнитогидродинамической термохимиотерапии и ранней диагностики злокачественных опухолей. Эффективность методики апробирует-ся в экспериментах при лечении онкологических заболеваний лабораторных мышей.

  4. Движение сплошных сред с физико-химическими превращениями

    Лаборатория общей гидромеханики. Выполнены зондовые измерения распределения концентрации заряженных частиц в межэлектродном пространстве атмосферной дуги при токе до 100 А. Показано, что концентрация заряженных частиц в ярко светящейся области имеет порядок 1015 см-3. В остальной светящейся области концентрация частиц на один-полтора порядка ниже. Таким образом, показано, что ток дуги примерно поровну распределяется между яркой центральной зоной высокой концентрации заряженных частиц и периферийной зоной их низкой концентрации.

    Лаборатория физико-химической газодинамики и лаборатория кинетических процессов в газах. С помощью разработанного вычислительного комплекса, методами молекулярной динамики исследована рекомбинация атомов кислорода на поверхности материалов (карбид кремния), используемых в качестве теплозащитного покрытия космических аппаратов.

    Лаборатория кинетических процессов в газах. Измерены времена индукции при исследовании горения кислородно-водородных смесей в ударных волнах в широком диапазоне составов, температур и давлений. Результаты являются основой для тестирования баз данных, описывающих процесс горения кислородо-водородных смесей.

    С целью выработки рекомендаций по снижению загазованности цехов в литейном производстве проведено исследование процесса теплообмена и газовыделения в капиллярно-пористых средах (литейные формы – песок-смола).

    Лаборатория газодинамики взрыва и реагирующих систем. Изучено инициирование электрическим разрядом в форме тонкого слоя самоподдерживающихся волн детонации в стехиометрической водородно-воздушной смеси, движущейся со сверхзвуковой скоростью в плоском канале с параллельными стенками. Установлена возможность снижения энергозатрат на формирование детонации при использовании модели разряда, плотность энергоподвода которого зависит от поперечной координаты по закону Гаусса.

    Исследованы способы стабилизации детонации в сверхзвуковом потоке в каналах и трубах. В двумерной постановке показано, что нестационарная пульсирующая волна детонации, распространяющаяся вверх по потоку, может быть локализована за счет подвода энергии электрическими разрядами малой интенсивности в определенные моменты времени.

    Разработаны модели и численно исследован процесс воспламенения разбавленных аргоном водородно-кислородных смесей в сферической камере под действием импульсного лазерного излучения. Теоретически показано, что плазменное пятно, формирующееся в результате импульсного воздействия лазерного излучения, служит надежным источником воспламенения смесей с различной концентрацией аргона.

  5. Газовая динамика и теплообмен

    Лаборатория физико-химической газодинамики. С использованием экспериментальных данных, полученных на 100-киловаттном плазмотроне ВГУ-4 (ИПМ РАН), и численного моделирования течений в дозвуковых потоках химически и термически неравновесной плазмы, реализована методика количественного моделирования теплообмена и определения каталитических свойств поверхности теплозащитных материалов по отношению к гетерогенной рекомбинации атомарных компонентов для смесей воздуха и CO2 для условий входа в атмосферу Земли и Марса перспективных спускаемых аппаратов.

    Численное моделирование в рамках уравнений Навье-Стокса гиперзвукового обтекания компоновки, состоящей из кругового конуса и треугольной пластины с затупленными кромками, подтвердило наличие особенностей в теплообмене на наветренной стороне, которые были ранее обнаружены в экспериментах и в численных расчетах при обтекании треугольной пластины с затупленными передними кромками. Установлены предельные значения чисел Маха и Рейнольдса, превышение которых не меняет пиковые значения относительных тепловых потоков к поверхности в зонах их усиления.

    Лаборатория аэромеханики и волновой динамики. Изучены асимптотические свойства свободной изобарической области в сверхзвуковом потоке, содержащем канал локализованной газодинамической неоднородности. Найден критерий, позволяющий отбирать единственную из совокупности возможных автомодельных конфигураций течения с областью застоя.

    Лаборатория гиперзвуковой аэродинамики. Теоретически и экспериментально установлено, что окрестность точки ветвления, где проявляется неравномерная зависимость возмущения сильной ударной волны от интенсивности падающего слабого скачка уплотнения, стремится к нулю вместе с интенсивностью скачка уплотнения.

    Продолжены исследования теплогидравлических характеристик поверхностей с вихреобразующим рельефом в щелевом канале в широком диапазоне чисел Рейнольдса. Определено влияние параметров рельефа стенки канала на характеристики теплообмена и гидравлического сопротивления.

    Лаборатория аэромеханики и волновой динамики и лаборатория гиперзвуковой аэродинамики. Численно исследовано влияние теплоподвода в донную область тел вращения при сверхзвуковом обтекании на структуру ближнего следа и донное давление. Получены зависимости для коэффициента донного сопротивления от длины тепловыделяющего элемента. Показано, что теплоподвод может приводить к снижению донного сопротивления до 20%. Расчетные данные качественно согласуются с экспериментом, в котором с использованием различных схем теплоподвода получено повышение донного давления на 15-17%.

    Разработан метод профилирования плоских и осесимметричных диффузоров со всюду предотрывным состоянием пограничного слоя. Построены и апробированы (в вычислительном и физическом экспериментах) формы диффузоров, обеспечивающие максимальное повышение давления на заданной длине при безотрывном течении внутри диффузора.

    Лаборатория механики многофазных сред. Установлены новые законы подобия для теплового турбулентного пограничного слоя на пластине со вдувом и отсосом. Универсальный закон теплопередачи в форме обобщенной аналогии Рейнольдса позволил представить распределения теплового потока, соответствующие различным числам Рейнольдса, скоростям вдува и отсоса, с помощью функции одной переменной.

    Лаборатория газодинамики взрыва и реагирующих систем. Для энергоисточников очень малого поперечного размера в расчетах обнаружено развитие неустойчивости при обтекании заостренных тел, которая проявляется в возникновении крупномасштабных вихревых структур. Ранее (2005) подобная неустойчивость отмечалась при обтекании затупленных тел. Неустойчивость развивается в сдвиговом слое между областью отрыва и областью сверхзвукового течения за косым скачком уплотнения. Ее можно трактовать как гидродинамическая неустойчивость Кельвина-Гельмгольца в стратифицированном сдвиговом течении.

  6. Механика природных процессов

    Лаборатория общей гидромеханики. Исследована гидродинамическая устойчивость фронтов фазового перехода между зонами фильтрации воды, пара и пароводяной смеси. В явном виде сформулировано достаточное условие неустойчивости разрыва. Построены численные решения задачи об инжекции пароводяной смеси в двумерный горизонтальный пористый слой пород. В случае неустойчивых фронтов обнаружено образование пальцев с повышенной водонасыщенностью, длина которых растет по автомодельному закону.

    Исследовано влияние теплообмена с окружающими породами на течение магмы в канале вулкана с учетом затвердевания. Найдено минимальное давление в очаге, при котором извержение не прекращается, а выходит на стационарный режим.

    Решена совместная задача двумерного течения магмы по каналу вулкана и распространения тепла в окружающих породах с учетом сильной зависимости вязкости магмы от температуры. Предложены формулы для корректировки силы сопротивления канала вулкана в простых одномерных моделях.

    Изучено влияние высоты вулканического конуса на динамику подъема магмы к поверхности Земли. Выявлены параметры системы, при которых магма не доходит до поверхности.

    Лаборатория механики природных процессов. Проведено моделирование процессов накопления энергии механических напряжений в горных породах и их разрушения при достижении критических неустойчивых состояний в сейсмоактивных зонах земной коры.

    Выполнено теоретическое исследование механического воздействия тайфуна на форму поверхности океана. Установлено, что это воздействие приводит к прогибу поверхности воды. В рамках приближенной теории установлено, что форма прогиба – имеет очертания эллиптического параболоида.

  7. Биомеханика

    Лаборатория общей гидромеханики. На основе разработанной модели течения жидкости через камеры глаза с учетом упругой деформации его оболочек построена теория, моделирующая различные принятые в офтальмологии методы измерения механических характеристик глазного яблока, связанные с приложением внешней нагрузки (тонометрия, тонография и др.). Предложены способы повышения информативности стандартных офтальмологических измерительных процедур и уточнены границы их применимости.

    Проанализированы различные режимы движения раствора солей через растительную ткань. Показано, что создание корневого давления невозможно в отсутствие барьера, перекрывающего транспорт во внеклеточной фазе.

    Показано, что использование математической модели форсированного выдоха существенно расширяет информативность результатов этого теста. Проведен анализ результатов трехлетнего исследования параметров легких пациента до и после прекращения курения. Расчеты позволили оценить изменения физических параметров легких в процессе выздоровления, которые не поддаются измерению.

    Лаборатория нестационарной гидродинамики и лаборатория аэромеханики и волновой динамики. Развиты методы моделирования напряженно-деформированного состояния неоднородных биологических объектов (костных тканей, зубов) при внедрении искусственных имплантатов. Численные исследования в рамках 3-мерной модели позволили определить распределения напряжений в окрестности имплантата и оценить его смещения под действием различных нагрузок. Результаты нашли применение в области экспериментальной медицины.

    Лаборатория биомеханики. Совместно с учеными Института иммунологиии и физиологии УрО РАН и Имперского колледжа Лондонского университета с использованием синхротронного источника рентгеновского излучения проведены исследования структурных изменений в актин-миозиновых белковых наномоторах сокращающихся мышечных клеток в ответ на их растяжение и укорочение. Результаты экспериментов согласуются с прогнозом ранее предложенной структурно-кинетической модели мышечного сокращения.

    Лаборатория механики природных процессов. Построена математическая модель новой процедуры измерения внутриглазного давления, позволяющая определить внутриглазное давление без его искажения самой процедурой измерения.

  8. Динамические воздействия на сплошные среды и конструкции

    Лаборатория динамических испытаний. Предложены соотношения, устанавливающие соответствие между ядрами релаксации, принадлежащими разным классам функций, но проявляющими себя в динамических задачах линейной вязкоупругости схожим образом. Эти соотношения позволяют выбирать наиболее простые выражения для ядер релаксации. Построены решения ряда задач, которые подтвердили эффективность предложенного подхода.

    На основе результатов однокомпонентных и многокомпонентных квазистатических и динамических испытаний ряда металлов со скоростью деформации в диапазоне от 10 до 5000 обратных секунд аттестована модель пластического тела Соколовского-Мальверна. Определены параметры модели и установлена их независимость от типа материала.

  9. Механика упруго-пластических сред и конструкций

    Лаборатория физико-химической газодинамики. Получено аналитическое решение задачи о напряженном состоянии упругого шара (кварц-стекло) под действием метеоритных аэродинамических и тепловых нагрузок, содержащее новые знания, которые могут быть использованы для объяснения так называемого "теплового взрыва" дробящихся метеоров.

    Лаборатория упругости и пластичности. Дана классификация определяющих соотношений теории упругопластических процессов, представленных в кинетической форме, по степени их сложности.

    Разработан алгоритм решения динамических контактных краевых задач с использованием комбинированной экспериментально-теоретической процедуры. Предлагаемый подход базируется на итерационной процедуре численного решения нелинейной краевой задачи в сочетании с системой специальных натурных и виртуальных экспериментов.

    Предложена методика исследования влияния круглого отверстия на напряженно-деформированное состояние и устойчивость сжатых цилиндрических оболочек.

    Получено аналитическое решение трехмерной задачи о растяжении бесконечной упругой пластинки с эллиптическим отверстием.

  10. Ползучесть, длительная и высокотемпературная прочность материалов и элементов конструкций

    Лаборатория ползучести и длительной прочности. Разработан метод расчета площади контакта, силы сжатия и коэффициента трения для трехмерной задачи о скольжении шероховатого тела по вязкоупругому основанию. Учитывается наличие двух масштабных уровней шероховатости.

    Проведено экспериментально-теоретическое исследование влияния предварительно внедренного водорода на характеристики высокотемпературной ползучести и длительной прочности титанового сплава. Показано, что увеличение концентрации водорода приводит к уменьшению скорости ползучести, увеличению времени разрушения и снижению предельной деформации в несколько раз.

    Решена задача о времени разрушения цилиндрической оболочки, находящейся в агрессивной окружающей среде при сложном напряженном состоянии.

    Проведено экспериментальное исследование влияния температуры на релаксационные свойства двух промышленных эластомеров. Испытания этих материалов при растяжении в условиях релаксации напряжений проведены в диапазоне температур 20–150 С. Установлено аномальное повышение напряжения в окрестности 100 С.

    Определен оптимальный режим облучения -электронами пластин твердого инструментального сплава (КUЗОТ), обеспечивающий минимальный износ их режущих кромок.

    Лаборатория прочности и ползучести при высоких температурах. Проведена модернизация высокотемпературного испытательного комплекса из пяти оригинальных установок, позволяющая определять механические свойства материалов при различных программах нагревания образцов до температуры 2200 С в нейтральной или окислительной средах в условиях растяжения или сжатия.

    Для описания реологии деформирования построены определяющие соотношения, содержащие функции от нелинейных интегральных операторов различного типа. Методика апробирована при описании результатов проведенных испытаний костной ткани, костезамещающего цемента, бетона, резины и других материалов при различных программах нагружения.

  11. Механика многокомпонентных и многофазных сплошных сред

    Лаборатория механики многофазных сред. Совместно с учеными из Стокгольмского Королевского технологического университета построена новая математическая модель поликристаллической структуры твердого ядра Земли, позволившая объяснить имеющиеся экспериментальные данные по сверхнизким значениям модулей сдвига в земном ядре.

    Совместно с учеными Казанского университета построена новая гидродинамическая модель пробоотборника аэрозолей, позволяющая рассчитывать коэффициенты аспирации, а также поля концентрации частиц для щелевых пробоотборников.

    Разработана математическая модель конического каплеуловителя, являющегося элементом перспективной системы охлаждения космических аппаратов для работы в открытом космосе.

    В рамках трехмерной кинетико-магнитогидродинамической модели проведены параметрические расчеты структуры гелиосферного интерфейса для различных величин напряженности межзвездного магнитного поля и его ориентации. Сравнение рассчитанных спектров поглощения в области гелиосферного интерфейса с данными наблюдений на Hubble Space Telescope показало, что наилучшее согласование теории и эксперимента достигается при относительно небольших значениях напряженности межзвездного магнитного поля и в некотором диапазоне отклонений поля от направления набегающего потока межзвездной среды.

  12. Проблемы управления движением мобильных роботов и мехатронные системы

    Лаборатория общей механики и учебно-научная лаборатория механики и электроники. Создан макет трехколесного автономного мобильного робота с избыточным числом управляющих воздействий, спроектирована и реализована система технического зрения, использующая видеосенсор кругового обзора, разработаны модули навигации и принятия решений.

    Лаборатория общей механики. Разработана интеллектуальная система управления минироботом для мониторинга окружающей среды. Создан образец миниробота. Проведенные испытания показали его высокую эффективность.

    Построена математическая модель движения ИСЗ на произвольной кеплеровой орбите, использующая (матричный аппарат кинематики) кватернионы. Выполнены численные эксперименты, получены аналитические условия возникновения хаотических колебаний спутника, оснащенного пассивной магнитной системой стабилизации на полярной круговой орбите. Предложены законы управления активной магнитной системой стабилизации, обеспечивающей ориентацию спутника вдоль местного вектора индукции геомагнитного поля. Работа выполнена в рамках междисциплинарного проекта МГУ.

  13. Динамика твердого тела, взаимодействующего со средой

    Лаборатория навигации и управления. В задаче о движении подвешенного на стержне тела с полостью, заполненной вязкой жидкостью найдены все стационарные движения, которые являются вращениями системы как целого вокруг неподвижной вертикали, и исследована их устойчивость. Построены бифуркационные диаграммы.

    На базе разработанной математической модели функционирования малой ветроэлектростанции исследованы вопросы существования и устойчивости установившихся режимов работы и описаны их области притяжения, а также варианты перестройки режимов, в частности сценарии появления периодических режимов изменения угловой скорости вращения ротора генератора и выходного тока. Комплекс проведенных исследований завершает построение инженерной теории малых ветроэнергетических установок.

    Лаборатория биомеханики и лаборатория механики природных процессов. Выполнены динамические расчеты и определена форма желоба первой в РФ санно-бобслейной трассы с искусственным намораживанием льда в деревне Парамоново Дмитровского района Московской области.

    Лаборатория механики природных процессов. Получены новые результаты по теории устойчивости многопараметрических механических систем. Решены: задача о бифуркации бимодальных положений равновесия нелинейных потенциальных систем общего вида с многими степенями свободы и задача В.Н. Челомея о стабилизации упругого стержня с помощью вибрации.

  14. Методы качественного анализа, оценивания и управления нелинейными механическими системами

    Лаборатория навигации и управления. Получены достаточные условия устойчивости стационарных движений свободной механической системы, содержащей деформируемые.

    Модифицирован предложенный ранее метод исследования нестационарных систем. Построены области устойчивости в задаче о параметрических колебаниях вращающегося вала, установленного на трех упругих амортизаторах.

  15. Телекоммуникационные и информационно-вычислительные технологии в механике

    Лаборатория автоматизации экспериментальных исследований. Построены и реализованы в виде программ формальные модели, описывающие язык распараллеливания прикладных программ, сочетающий императивные и функциональные механизмы, процедуры сбора "мусора" и планирования вычислений на распределенной среде.

    Создана версия дистрибутива программной поддержки процессов инсталляции, эксплуатации и модернизации отдельных сегментов GRID-полигона на основе как традиционных, так и новых технологий и инструментальных средств.

    Разработаны и программно реализованы новые математические модели и алгоритмы в составе автоматизированной системы тематического анализа информации в хранилищах корпоративного масштаба и в Интернет.