Архив

Итоги 2014 года

Наука

Научная работа велась в рамках 16 приоритетных научных направлений фундаментальных исследований.

Исследования осуществлялись за счет госбюджетного финансирования 32 тем, а также за счет 48 грантов РФФИ, 3 грантов РНФ, 2 грантов Президента для государственной поддержки ведущих научных школ, 2 стипендий Президента РФ молодым ученым и аспирантам. Получено 9 патентов на изобретения.

Наиболее значимые научные результаты

Сочи 2014

Экипировка спортсменов-саночников

Основание для проведения работы: обращение Федерации санно-бобслейного спорта РФ.

В аэродинамической трубе А-6 НИИ механики МГУ проведена серия аэродинамических испытаний шести вариантов экипировки спортсменов саночников. На основании полученных данных выбран оптимальный вариант экипировки для спортсменов олимпийской сборной РФ.

Сочинские санно-бобслейные трассы

В процессе строительства санно-бобслейной трассы в Сочи членом комиссии FIL по приемке трассы, сотрудником МГУ А. В. Остроумовым были замечены нарушения гладкости (нерегулярности) поверхности желоба на входах и выходах нескольких уже построенных виражей. Проектная документация не позволяла строителям выявить возможные ошибки проекта при отсутствии 3D-модели желоба трассы до начала строительных работ.

В НИИ механики МГУ была проведена экспертиза исходной документации, выполненной немецко-канадским проектным бюро, и на ее основе построена 3D-модель трассы, показавшая наличие многочисленных нерегулярностей поверхности желоба уже в самом проекте. Исправление этих ошибок позволило строителям без дорогостоящих переделок своевременно завершить строительство олимпийской трассы Сочи-2014.

Инициирование и распространение газовой детонации в каналах

Работы по исследованию газовой детонации выполняются в НИИ механики МГУ под руководством академика В. А. Левина уже более 40 лет. Сложность численного моделирования газовой детонации обусловлена необходимостью корректного разрешения быстропротекающих процессов химических реакций, сложностью кинетических механизмов этих реакций и неустойчивостью детонационных волн. Значительный прогресс в исследованиях наступил после введения в строй суперкомпьютера «Ломоносов» в МГУ. Разработан оригинальный комплекс программ, позволяющий выполнять расчеты газовой детонации в трехмерных каналах и в камерах сгорания с изменяемой во времени геометрией. Впервые решена задача о расчете ячеистой структуры детонации в щелевом зазоре между пластинами для условий классического эксперимента Р. И. Солоухина, выполнены расчеты инициирования детонации во вращающихся камерах сгорания, зафиксировано спонтанное развитие спиновой детонации в круглых каналах. Особый интерес для практического использования при разработке перспективных авиационных двигателей представляют новые результаты о развитии детонации при втекании со сверхзвуковой скоростью горючей газовой смеси в закрученные каналы и каналы с перегородками. За цикл исследований по газовой детонации академик В. А. Левин в 2014 г. удостоен премии имени Г. Г. Черного.

Методы расчета теплопередачи и трения при пространственном гиперзвуковом ламинарном обтекании тел во всем диапазоне чисел Рейнольдса

При спуске в атмосфере Земли космические аппараты последовательно проходят различные режимы сверх- и гиперзвукового обтекания: свободномолекулярный; переходный от свободномолекулярного к континуальному; «навье-стоксовский»; «погранслойный», характеризующиеся разными диапазонами изменения чисел Рейнольдса. Разработаны приближенные и аналитические методы расчета теплопередачи и трения на наветренной стороне затупленных тел. Получены формулы для теплового потока к идеально-каталитической поверхности тел, обтекаемых химически реагирующим газом. Разработан метод подобия, позволяющий решать трехмерные задачи вязкого обтекания в рамках упрощенных и полных уравнений Навье-Стокса с учетом неравновесных химических реакций и каталитических свойств поверхности, используя при этом программы расчета осесимметричных течений, что существенно расширяет возможности и экономит вычислительные ресурсы. Разработан нетрадиционный континуальный подход, основанный на предложенных континуальных моделях, для расчета теплового потока и трения на лобовой поверхности затупленных тел в переходном режиме обтекания, гораздо более простой и экономичный, чем используемый в настоящее время метод прямого статистического моделирования Монте-Карло. (По результатам работы защищена докторская диссертация)

Научные результаты по темам НИР

Гидродинамика высокоскоростных и нестационарных процессов

Лаборатория экспериментальной гидродинамики

В экспериментах по исследованию автоколебательных режимов проникания в воду тонкостенных турбулентных водяных струй установлен характер зависимости периода автоколебаний от ширины струи в выходном сечении кольцевого сопла и от угла конусности. Решена плоская задача о кавитационном обтекании пластинки потоком идеальной несжимаемой жидкости в канале с использованием новой схемы замыкания кавитационной полости на жидкую область, содержащую диполь.

Создана экспериментальная установка для исследования устойчивости упругого канала конечной длины при протекании по нему нелинейно-вязкой жидкости. Теоретически изучена статическая устойчивость стенок канала и получены нейтральные кривые.

Лаборатория нестационарной гидродинамики

На гидроканале НИИ механики МГУ проведены экспериментальные исследования движения судна-катамарана с прямоточным волновым движителем. Определены области значений параметров волнового движителя и волн, когда реализуется движение против волн или движение по волнам. Для параметров волн, соответствующих максимуму средней скорости движения против волн, средние скорости движения по волнам и против волн примерно одинаковы и близки, одновременно, к скорости жидкости на поверхности волны. Этот факт может служить подтверждением эффективности волнодвижителя. В зоне параметров, где происходит изменение направления движения судна, обнаружен сильный гистерезис: направление движения зависит от начальной скорости судна.

С помощью бессеточного вычислительного пакета X-Flow было проведено численное моделирование процесса образования волн в канале клиновидным волнопродуктором и одновременного воздействия этих волн на наклонную пластину, с плавучестью, соответствующей плавучести лабораторной модели катамарана. Тестовые расчеты показали хорошее соответствие с экспериментом. Численно обнаружен наблюдаемый также в эксперименте эффект зависимости направления движения катамарана (по волнам или против волн) от начальных условий (кратковременных внешних воздействий). Численно исследован механизм движения против волн.

Продолжены экспериментальные исследования автоколебательных режимов течения при образовании с помощью струйной завесы вентилируемой газовой полости повышенного давления. Проведено сравнительное изучение двух различных автоколебательных режимов. Показано, что наличие низко или высокочастотного режима колебаний сильно зависит от упругих свойств подводящей воду магистрали.

На гидроканале НИИ механики МГУ проведено исследование качения цилиндра со специальным поперечным сечением по свободной поверхности воды. Определена зависимость безразмерной глубины погружения («осадки») цилиндра от нагрузки на ось и числа Фруда. Проведены исследования движения вблизи поверхности воды модели подводного судна, снабженного волновыми движителями типа «Подводный парус». Результаты показали целесообразность использования волнодвижителей на некоторых режимах плавания подводных судов.

Устойчивость гидродинамических течений и турбулентность

Лаборатория общей аэродинамики

Путем численного решения уравнений Навье-Стокса рассчитаны локализованные в пространстве периодические по времени структуры, соответствующие сепаратрисе, разделяющей в фазовом пространстве области притяжения ламинарного и турбулентного режимов. Показана связь рассчитанных структур с турбулентными порывами, наблюдаемыми в круглых трубах на этапе перехода к турбулентности. Определены свойства стационарной и нестационарной составляющих. Установлен механизм самоподдержания колебаний.

Разработана и апробирована четырехуровневая модель распараллеливания вычислений для базовых операций линейной алгебры с разреженными матрицами. Предложена эффективная схема сопряжения вычислений на центральных процессорах и графических ускорителях. Реализация предложенных алгоритмов обеспечивает линейную масштабируемость свыше 100 узлов, а полученные результаты кратно превосходят аналоги из доступных свободно-распространяемых библиотек численных методов. При этом, за счет использования графических ускорителей, может быть дополнительное 2–3 кратное ускорение.

Лаборатория экспериментальной гидродинамики

Численно исследован переход к турбулентности в течениях вязкой несжимаемой жидкости в сферическом слое, вызванных встречными вращательными колебаниями сферических границ.

Механика сред, взаимодействующих с электрическими и магнитными полями

Лаборатория общей гидромеханики

Получены данные о воздействии магнитного поля на форму дуг электрического разряда и их устойчивость для случая горения дуги между стержневыми электродами с системой, создающей внешнее магнитное поле.

Решена одномерная стационарная задача о конвективных течениях, обусловленных джоулевым тепловыделением в поле силы тяжести, при прокачке через наклоненные электроды электропроводящей среды. Получены оценки спектров линейной задачи развития возмущений в горизонтальном плоском слое в электротепловом приближении, когда возмущения скорости отсутствуют.

Лаборатория общей аэродинамики

Проведено численное и аналитическое исследование явления электрокинетической неустойчивости, возникающей в микроканалах вблизи электроселективных поверхностей. Построена карта двумерных и трехмерных режимов, дана оценка условий перехода к турбулентности. Показано, что гидрофобность поверхности мембраны дестабилизирует баланс диффузии и электромиграции вблизи электрических мембран и приводит к интенсификации ионо-переноса.

Лаборатория физико-химической гидродинамики

Исследована структура слоя слабопроводящей жидкости в межэлектродном пространстве при наличии приложенной к электродам разности электрических потенциалов в условиях малых чисел Дебая, характерных для применяемых в био- и фармтехнологиях течений таких сред в микро- и наноканалах. Изучены физические механизмы, которые вызывают потерю устойчивости состояния покоя либо ламинарного

В рамках исследований процессов кипения изучена структура плоского межфазного слоя на границе магнитной жидкости и пара во внешнем магнитном поле в состоянии термодинамического равновесия. Решена задача о структуре движущейся плоской межфазной границы между суспензией магнитных частиц и паром. Найдена зависимость компонент тензора поверхностных натяжений и кинетических коэффициентов, определяющих скорость испарения или конденсации жидкости, от напряженности внешнего магнитного поля.

Экспериментально исследованы движение и деформация длинного осесимметричного тела из несжимаемого намагничивающегося полимера в неоднородном магнитном поле. Показана возможность создания направленного движения тела (движителя) из такого полимера во вращающемся магнитном поле.

Исследована проблема ускорения ударных волн и частиц в газах при падении начальной плотности среды, актуальная для процессов, происходящих в атмосферах планет и звезд, в частности Солнца, где наблюдаются выбросы частиц плазмы со скоростью, достигающей 0,8 скорости света. Учитывается наличие противодавления, гравитационного и поперечного магнитного полей, а также влияние релятивистских эффектов.

Для условий малых чисел Бонда исследовано влияние однородного осевого электрического поля на капиллярную неустойчивость осесимметричной пленки вязкой диэлектрической жидкости, покрывающей тонкий диэлектрический цилиндр.

В рамках программы работ по применению магнитных жидкостей в медицине разработаны способ раннего контрастного магнитно-резонансного томографического выявления предопухолевых и опухолевых образований центральной нервной системы с сосудами, питающими эти образования, и средство для его осуществления в эксперименте на подопытных животных. Подана заявка на изобретение, которое может быть использовано для ранней диагностики опухолей центральной нервной системы.

Движение сплошных сред с физико-химическими превращениями

Лаборатория физико-химической газодинамики

Параметры входа тела сферической формы в атмосферу Марса с гиперзвуковой скоростью пересчитаны из условий обтекания недорасширенной струей углекислого газа цилиндрической модели с торцевым затуплением в ВЧ-плазмотроне, что позволило экстраполировать измеренный в эксперименте тепловой поток в точке торможения модели с произвольной каталитичностью теплозащитного покрытия на условия гиперзвукового обтекания затупленных тел.

Лаборатория кинетических процессов в газах

В абсолютных единицах измерена интенсивность излучения линий кислорода, азота, аргона за фронтом сильных ударных волн в диапазоне спектра 200–1100 нм. Показано, что длительность излучения ударной волны увеличивается с увеличением начального давления. Создана четырехуровневая модель атома (аргона), с использованием ее выполнено моделирование кинетики возбуждения электронных уровней, излучение которых наблюдается в экспериментах.

Для модели диссоциирующего и рекомбинирующего двухатомного газа в условиях двухтемпературного режима получены общие формулы для скоростей реакций и колебательной релаксации. Показано, что учет неравновесности приводит к тому, что истинные скорости диссоциации и колебательной релаксации оказываются линейными комбинациями квазиравновесных скоростей. Таким образом, использование традиционной модели скорости релаксации при высоких температурах, когда диссоциация и рекомбинация играют существенную роль, некорректно.

Численно показано, что наличие центрального тела как в конвергентно-дивергентном сопле, так и в расширяющемся канале обеспечивает стационарное детонационное горение стехиометрической водородовоздушной смеси при числах Маха набегающего потока порядка 6.

Лаборатория газодинамики взрыва и реагирующих систем

Продолжена работа над созданием оригинального комплекса программ для численного моделирования в рамках уравнений Эйлера процессов детонации в газообразных смесях углеводородных топлив с окислителем. Отработана технология быстрой подготовки и запуска расчетов для трехмерных нестационарных задач, обеспечивающая равномерную загрузку процессоров на многопроцессорных кластерах (суперкомпьютерах), а также процедура визуализации результатов расчетов, представляющих собой большие массивы выходных данных.

С использованием оригинального комплекса программ исследовано развитие газовой детонации в углеводородных горючих смесях в камерах сгорания и в проточных каналах различной трехмерной конфигурации. Определены условия реализации режима галопирующей слоистой детонации для трехмерной конфигурации: канала прямоугольного сечения с уступом цилиндрической формы. Выполнен анализ формирования детонации в потоке горючей газовой смеси в цилиндрическом канале круглого сечения, внутри которого по центру расположен неподвижный стержень с семью лопатками пространственной формы. Изучен процесс спонтанного формирования пространственной трехмерной структуры ячеистой и спиновой детонации в каналах круглого поперечного сечения при инициировании детонации плоской ударной волной у закрытого торца канала. Расчеты выполнены на суперкомпьютере «Ломоносов» с числом расчетных ячеек от 0,1 до 10 миллиардов.

Газовая динамика и теплообмен

Лаборатория экспериментальной гидродинамики и лаборатория гиперзвуковой аэродинамики

Исследована возможность интенсификации теплообмена в коническом расширяющемся канале. Расчеты показали, что для теплоносителей с числом Прандля Pr = 0,7 число Нуссельта на участке расширения канала примерно в полтора раза выше, чем в круглой трубе при турбулентном течении для тех же чисел Рейнольдса. Проведенные расчеты продемонстрировали возможность повышения эффективности теплообменных аппаратов за счет увеличения коэффициента аналогии Рейнольдса в конических расширяющихся каналах, в особенности при малых числах Рейнольдса (меньше 2000), где реализуется подтвержденный экспериментом турбулентный режим течения.

Лаборатория физико-химической газодинамики

Получены асимптотические решения уравнений тонкого вязкого ударного слоя для числа Стантона и коэффициентов трения на поверхности в переходном режиме гиперзвукового обтекания пространственных тел разреженным газом, соответствующим полету космических аппаратов на больших высотах, переходящие в решения в свободномолекулярном режиме обтекания.

Лаборатория аэромеханики и волновой динамики

Выполнен цикл экспериментальных исследований обтекания сверхзвуковым потоком газа кольцевых каверн на конусно-цилиндрических телах. Выявлен диапазон параметров, в котором наблюдается аэродинамический гистерезис, характеризующийся неоднозначной зависимостью структуры отрывного течения в каверне от физических параметров внешнего потока и конфигурации границ тела. В диапазоне параметров аэродинамического гистерезиса течение газа является метастабильным. Показана возможность управления перестройкой течения от одного метастабильного состояния к другому за счет искусственного кратковременного возмущения (локализованного механического или теплового воздействия). При этом аэродинамическое сопротивление тела может уменьшаться на десятки процентов.

Лаборатория гиперзвуковой аэродинамики

В результате численного и экспериментального исследований структуры течения при симметричном обтекании V-образных крыльев с присоединенными ударными волнами на передних кромках установлено, что структура течения при реализации маховской конфигурации ударных волн с увеличением угла атаки может претерпевать скачкообразное изменение. В отличие от классического случая с одной особенностью Ферри узлового типа, расположенной в точке излома поперечного контура крыла, возникают еще две критические точки: растекания и стекания – вторая особенность Ферри, которая может быть как узлового, так и седлового типа. Во втором случае в вершинах контактных разрывов, выходящих из критической точки по обе стороны от плоскости симметрии, образуются невязкие вихревые структуры (вихревые особенности Ферри). Получены сведения о положении критических точек относительно излома контура крыла в зависимости от его геометрических параметров и числа Маха потока, а также о трансформации топологической картины течения в ударном слое при несимметричном обтекании. Определена область изменения углов атаки и скольжения, где имеет место удовлетворительное согласие результатов расчетов в рамках модели Эйлера и экспериментальных данных о структуре течения в ударном слое, полученных с использованием специального оптического метода для визуализации сверхзвуковых конических течений.

Выполнено исследование морфологических характеристик крупных осколков, образующихся при ударном разрушении полимерных мишеней с наполнителем. Установлено, что между максимальными размерами крупных осколков выполняется соотношение, справедливое также при разрушении горных пород. Установлена формула для определения характерного размера крупного осколка в зависимости от параметров задачи.

Разработаны и обоснованы конструктивные схемы донных тепловых генераторов (ДТГ), способных создавать донную тягу по схеме частичного подвода тепловой энергии на боковую поверхность кормовой части тела вращения. Предложены и экспериментально исследованы при числе Маха М1 = 3 модели ДТГ с установленными магнитами-кольцами (в полости либо на кормовой части) и горением высокоэнергетической смеси металлических порошков (ВСМП). Изучены теплофизические свойства продуктов горения ВСМП — термической пылевой плазмы. Установлено, что при вдуве термитной пылевой плазмы в донную область тела вращения при наличии магнитного поля наблюдается увеличение донного давления в 3 раза по сравнению ДТГ с ТВЭЛ. Отмечено, что зона рециркуляции для модели ДТГ с магнитами-кольцами, установленными на торце, существенно больше, чем зона рециркуляции для модели ДТГ с магнитами-кольцами, установленными в полости тела вращения.

Получены экспериментальные результаты по влиянию формы сверхзвукового канала и поверхности теплообмена на эффективность безмашинного способа энергоразделения высокоскоростных воздушных потоков. С использованием трехпараметрической дифференциальной модели турбулентности проведено численное исследование течения и теплообмена в пограничном слое на пластине и в трубе. Для коэффициента восстановления температуры получена зависимость от интенсивности вдува, аппроксимирующая результаты расчетов, которая согласуется с известными экспериментальными данными.

Лаборатория газодинамики взрыва и реагирующих систем

Выполнено численное исследование взаимодействия ударных волн и затупленных тел, движущихся со сверхзвуковой скоростью, с атмосферными неоднородностями — газовыми пузырями пониженной или повышенной плотности. Обнаружен новый эффект фокусировки сходящихся поперечных ударных волн на конечном участке оси симметрии течения внутри ударного слоя. Показано, что эффект является результатом быстропротекающих процессов изменения ударно-волновой структуры при взаимодействии головной ударной волны с газовым пузырем. Фокусировка ударных волн приводит к резкому увеличению давления и плотности — «взрыву» в локальной области ударного слоя, что является причиной возникновения резких положительных всплесков давления и плотности на «осциллограммах», построенных для точки торможения потока на поверхности тела. При числе Маха набегающего потока 2 для пузырей пониженной плотности зафиксированы 2–3 кратные пиковые значения давления, а для пузырей повышенной плотности — почти 100 кратные. Обнаруженный эффект может быть использован для целенаправленного воздействия на тела, движущиеся в атмосфере с высокими скоростями.

Механика природных процессов

Лаборатория общей гидромеханики

Построена модель и проведено сравнение деформации земной поверхности во время вулканического извержения от двух различных источников: щелевого канала с заданным распределением избыточного давления и геотермальной системы, прогрев которой осуществлялся за счет течения магмы. Показано, что вертикальные деформации за счет наличия геотермальной системы могут в разы превосходить деформации связанные с течением магмы. Установлено, что влияние геотермальной системы необходимо учитывать при интерпретации данных мониторинга активных вулканов.

Разработан новый метод моделирования разработки газоконденсатных месторождений, основанный на расчете термодинамического потенциала углеводородной смеси. Метод позволяет эффективно моделировать фильтрацию при до- и закритических термодинамических условиях. Разработаны численные методы совместного моделирования течений в проницаемом пласте и в скважине. Проведены расчеты стандартных для нефтяной промышленности тестов, которые показали хорошее совпадение с коммерческими пакетами программ.

Лаборатория экспериментальной гидродинамики

Получены точные аналитические решения задач об обтекании сферы и цилиндра в пористой среде. Построены решения задачи о стационарном течении несжимаемой жидкости во вращающемся недеформируемом пористом теле с учетом сил инерции, анизотропии и неоднородности пористой среды, нелинейности закона фильтрации.

Лаборатория физико-химической газодинамики

Проведена работа по выводу коэффициентов уравнений физической теории метеоров (ФТМ) с учетом их изменения вдоль траектории полета естественных космических тел (метеороидов). На основании этих данных и собственных расчетов получены явные выражения для коэффициента сопротивления, коэффициентов конвективной и радиационной теплопередачи и эффективной энтальпии уноса массы при метеорных скоростях.

На основании полученных аналитических решений ФТМ определена доля уноса первоначальной массы метеороида любого размера: до появления вспышки – для мелких частиц и до начала дробления — для крупных.

Определены рамки применимости предложенной ранее двухстадийной модели разрушения метеороидов, объясняющей результаты наблюдений — кривые светимости крупных болидов.

Лаборатория механики многофазных сред

В рамках современной кинетической модели распределения межзвездных атомов гелия в локальной межзвездной среде (ЛМС) впервые проведен анализ данных, полученных с аппаратов Ulysses и IBEX. Показано, что данные Ulysses свидетельствуют о постоянстве вектора скорости ЛМС за все время измерения (17 лет), в то время как новые данные о векторе скорости ЛМС, полученные IBEX в 2009 г., противоречат данным Ulysses по положению максимума потоков на карте неба. Показано, что это противоречие в скорости можно разрешить, если увеличить температуру ЛМС в период измерения IBEX с 6400 К до 9000 К. К такому увеличению температуры могут приводить дополнительные физические эффекты, такие как наличие вторичных атомов гелия, а также упругие столкновения с протонами солнечного ветра.

Лаборатория механики природных процессов

Завершена работа по исследованию влияния профиля скорости на коэффициенты в осредненных по сечению дифференциальных уравнениях, описывающих гидродинамические течения в трубках с гибкими стенками. Показано, что незначительное отличие в коэффициенте может качественно и количественно изменить решения конкретных задач.

Биомеханика

Лаборатория общей гидромеханики

Для используемых в офтальмологической практике тонометров оценены ошибки, возникающие при стандартных методиках обработки данных в случае значительных отклонений упругих характеристик глазного яблока от средних значений, и предложен алгоритм их устранения.

В рамках разработанной математической модели активно перестраивающейся эмбриональной ткани проанализирован механизм генерации активных напряжений в ответ на механическое воздействие, имеющий принципиальное значение для биологического формообразования.

Лаборатория нестационарной гидродинамики

По теме «Механика в проблемах стоматологии» для винтовых имплантатов, закрепленных в различных аналогах костной ткани, проведено сравнение коэффициентов демпфирования, определенных с помощью последней версии прибора Periotest M (Medizintechnik Gulden, Германия), с соответствующими значениями коэффициентов податливости, полученными по методике лазерного тестирования. Установлена зависимость между этими коэффициентами, позволяющая для данного имплантата на основании показаний прибора определять величину его перемещения в зависимости от поперечной нагрузки.

Лаборатория биомеханики

Обнаружено, что прочность агрегатов эритроцитов, которая сильно влияет на течение крови в микроциркуляторном русле и в норме определяется исключительно неспецифическими механизмами, при патологии может аномально увеличиваться в отсутствие тромбоцитов, но при наличии в крови аутоантител. Таким образом, выявлена одна из возможных точек приложения для медикаментозной коррекции прочности этих агрегатов.

Построена механическая модель миокардиальной ткани как анизотропной несжимаемой сплошной среды с активными механическими напряжениями, определяемыми механохимическими реакциями. Это модель применена для расчета насосной функции левого желудочка сердца в рамках упрощенного описания его геометрии.

Лаборатория ползучести и длительной прочности и лаборатория навигации и управления

Предложено устройство для определения упругих свойств мягких тканей человека, которое может быть применено в процессе проведения хирургической малоинвазивной операции. На основе математической модели с учетом получаемых данных о деформации наконечника датчика и размера области контакта удается рассчитать искомое значение модуля упругости испытываемого материала. Проведены экспериментальные испытания на трех материалах, отличающихся по жесткости. Показано, что устройство позволяет определять модуль упругости материалов в диапазоне значений менее 250 кПа с высокой достаточной точностью (ошибка ниже 5 %). Получен патент РФ на полезную модель.

Динамические воздействия на сплошные среды и конструкции

Лаборатория динамических испытаний

Построена новая модель нестационарных процессов в сплошных средах с учетом различных взаимодействующих между собой полей: механических, тепловых, электрических, магнитных и диффузионных. Проведено исследование связанных нестационарных механических и электромагнитных полей для упругих полуплоскости и толстостенной сферы. Получены решения новых нестационарных задач механодиффузии.

Проведено исследование нестационарных осесимметричных задач о действии поверхностных нагрузок на упруго-пористое полупространство.

Построены разрешающие системы функциональных уравнений для нестационарных контактных задач с подвижными границами для случая контакта двух тонких упругих оболочек и контакта тонкой упругой оболочки с упругим полупространством. Найдены функции влияния упругих цилиндрических и сферических оболочек без заполнителя.

Исследована задача о переходных волновых процессах в линейно-вязкоупругой круговой цилиндрической оболочке конечной длины при динамическом воздействии осевой нагрузки на один из ее торцов. Исследование проведено в рамках теории Тимошенко при учете осевой симметрии. Сформулированы условия, при которых решение нестационарной задачи для вязкоупругой оболочки с течением времени будет стремиться к решению статической задачи для соответствующей упругой оболочки, где упругими константами являются длительные модули.

Лаборатория динамических испытаний и лаборатория упругости и пластичности

Проведено экспериментально-вычислительное исследование динамических свойств и критерия разрушения титанового сплава ВТ3-1 при повышенных температурах в экспериментах по модифицированной методике.

Механика упруго-пластических сред и конструкций

Лаборатория упругости и пластичности

Для линейных определяющих соотношений вязкоупругости с произвольными функциями ползучести и релаксации аналитически исследованы качественные свойства кривых ползучести при характерных видах нагружения и условия затухания памяти материала. Эти результаты позволяют уточнить область применимости линейной теории вязкоупругости.

Исследована зависимость диссипативных свойств легких композитных преград на основе арамидных волокон от дополнительных факторов: поперечной прошивки и наличия тонкого металлического несущего слоя.

Аналитически исследованы собственные формы осесимметричного изгиба ортотропных круговых пластин и оболочек вращения с использованием обобщенных преобразований Ломеля-Ватсона.

Численно решена задача о равноканальном угловом прессовании с использованием реологической модели материала, учитывающей изменение его микроструктуры. Исследовано влияние маршрута прессования на характер эволюции микроструктуры. В программный комплекс QForm 7, использованный в расчетах, встроена модель вязкопластичности, учитывающая эволюцию размеров зерен.

Разработана методика для описания поведения мерзлых грунтов обобщенной моделью Бингама.

Предложена теория эксперимента и реализованы новые методики экспериментального исследования механических свойств морского льда в натурных условиях.

Ползучесть, длительная и высокотемпературная прочность материалов и элементов конструкций

Лаборатория ползучести и длительной прочности

Предложено моделирование виброползучести тонкостенных образцов при одноосном и сложном напряженных состояниях, основанное на кинетической теории. В случае добавления циклического напряжения малой амплитуды к базовому постоянному напряжению скорость ползучести возрастает только при смене вида напряженного состояния. Получено хорошее соответствие экспериментальных и теоретических кривых ползучести.

Решен цикл задач о ползучести и длительном разрушении растягиваемых стержней в присутствии агрессивной окружающей среды. С помощью введения диффузионного фронта показана зависимость времени до разрушения стержней от формы их поперечного сечения.

Проведена серия испытаний наполненных эластомерных композитов при конечных деформациях при двух программах нагружения: релаксации напряжений и растяжении с постоянной скоростью деформации. Сформулированные определяющие соотношения показали хорошее соответствие экспериментальных и теоретических результатов.

На основе решения уравнения теплопроводности решена задача управления процессом пластического течения поверхностных слоев материала при технологических процессах, связанных с воздействием лазерного луча на элементы конструкций. Предложены и теоретически обоснованы механизмы подавления нежелательных побочных эффектов (внутреннее растрескивание, изменение формы поверхности и др.) при лазерном воздействии.

Лаборатория прочности и ползучести при высоких температурах

На основе интегрального представления проведено осреднение краевых задач моментной теории упругости, связанной нестационарной задачи термоупругости неоднородного упругого тела, электроупругости пьезокомпозитов. Интегральные формулы позволили разработать теорию концентрации напряжений в теле с множеством концентраторов.

Механика многокомпонентных и многофазных сплошных сред

Лаборатория механики многофазных сред

Построены новые решения уравнений медленного пленочного течения вдоль горизонтальных и наклонных супергидрофобных поверхностей в поле силы тяжести, соответствующие автомодельным режимам течения при заданном локализованном массоподводе в пленку. Определены законы распространения пятна смачивания при различных законах массоподвода и параметров скольжения поверхности. Изучено также стекание пленки жидкости с супергидрофобной поверхности горизонтального цилиндра в поле силы тяжести.

Исследовано ламинарное сдвиговое течение вязкой жидкости над анизотропной супергидрофобной стенкой с прямоугольными углублениями, заполненными газовой фазой. Рассчитаны зависимости локальной длины скольжения на газовых участках и тензора эффективной длины скольжения от размеров канавок и отношения вязкости двух фаз. Полученные решения могут быть использованы для оптимизации рельефа супергидрофобных поверхностей, а также для экспериментального определения коэффициентов скольжения супергидрофобных поверхностей по измеренным законам распространения пятна смачивания.

Лаборатория гиперзвуковой аэродинамики и лаборатория механики многофазных сред

В рамках двухконтинуальной модели сжимаемого газокапельного пограничного слоя в сверхзвуковом двухфазном потоке проведены расчеты полей параметров фаз, а также потоков массы и энергии дисперсной фазы на обтекаемой плоской поверхности. В межфазном обмене импульсом помимо силы аэродинамического сопротивления учитывается подъемная сила Сэфмана, приводящая к осаждению капель на стенку. В широком диапазоне безразмерных определяющих параметров исследовано влияние испаряющихся капель на равновесную температуру теплоизолированной стенки. Показано, что наличие даже очень малой концентрации капель может приводить к значительному снижению температуры адиабатичекой стенки, что делает перспективным использование испаряющейся конденсированной фазы в различных схемах энергоразделения газовых потоков.

Проблемы управления движением мобильных роботов и мехатронные системы

Лаборатория общей механики

Построена математическая модель ходьбы человека на костылях. При помощи системы визуализации записаны зависимости от времени углов в суставах человека при ходьбе на костылях. При помощи силоизмерительной платформы найдены силы реакции опоры, приложенные к стопам человека. На основе построенной математической модели решена обратная задача динамики: найдены моменты в суставах ног и в плечевом суставе, развиваемые мышцами человека, а также соответствующие мощности. Полученные результаты (траектории движения человека на костылях, развиваемые в суставах моменты) могут быть использованы при конструировании медицинского экзоскелета.

Динамика твердого тела, взаимодействующего со средой

Лаборатория экспериментальной гидродинамики

Численно изучено поведение коротких волн в упругой пластине, находящейся в сверхзвуковом потоке с пограничным слоем. Показано, что дестабилизующее влияние пограничного слоя для профилей с обобщенной точкой перегиба имеет место для коротких волн, не исследованных ранее.

Лаборатория навигации и управления

Разработана новая версия универсального компьютерного комплекса для проведения экспресс-анализа задач внешней баллистики. На базе этого комплекса построено анимационное представление спуска системы СПАРС и определены основные характеристики динамики аппарата в процессе спуска. Развит соответствующий интерфейс для пользователя. Полученные результаты и пользовательская программа внедрены в практику работы создателя системы.

Изучены асимптотические свойства траекторий свободного полета массивного оперенного тела в сопротивляющейся среде. В пространстве параметров задачи построена область устойчивости вертикального спуска тяжелого авторотирующего оперенного тела.

Разработана методика определения оптимальной «крутки» лопасти горизонтально-осевой ветроэнергетической установки (ВЭУ). Для конкретного профиля построен закон изменения крутки и определена угловая скорость вращения, на которых достигается наибольшая выходная мощность установки.

Произведена оценка влияния нелинейности (по току) генератора на рабочие режимы ВЭУ. Выявлены особенности перестройки этих режимов при изменении внешней нагрузки.

Построен закон управления дифференциальной планетарной передачей, обеспечивающий стабилизацию неустойчивого стационарного режима ВЭУ. Дана оценка дополнительных расходов мощности на реализацию этого управления.

В задаче о торможении неоднородного шара в среде описаны автоколебательные и авторотационные режимы, их перестройки, а также траектории установившегося полета шара в зависимости от эксцентриситета центра масс.

Исследованы условия формирования предельных циклов в маятниковых (аэроупругих) системах с одной степенью свободы при различных значениях конструктивных параметров и различных аэродинамических характеристиках элементов, взаимодействующих с потоком. Осуществлено разбиение пространства параметров на области существования предельных циклов колебательного и ротационного типов, возникающих в этих системах.

В задаче Жуковского о полете летательного аппарата с тягой описаны перестройки фазового портрета: режимов автоколебаний, авторотаций и т. д.

Построена модель воздействия среды на твердое тело с передней конусообразной частью поверхности. Для задачи о свободном торможении получены достаточные условия устойчивости прямолинейного поступательного торможения. Получено новое семейство фазовых портретов в пространстве квазискоростей. Каждый типичный портрет полученного семейства абсолютно груб. Данное семейство состоит из бесконечного числа топологически неэквивалентных фазовых портретов.

Методы качественного анализа, оценивания и управления нелинейными механическими системами

Лаборатория навигации и управления

Рассмотрена математическая модель механической системы с распределенными параметрами, представляющей собой твердое тело, закрепленное на конце вращающегося массивного упругого стержня. Получены аналитические достаточные условия устойчивости положений относительного равновесия на основании условий положительной определенности второй вариации функционала потенциальной энергии системы.

Сформулированы теоремы об устойчивости линейных нестационарных механических систем определенного класса, которые остаются справедливыми как теоремы об устойчивости по первому приближению нулевого решения соответствующих нелинейных систем. Показано, что влияние как диссипативных, так и гироскопических сил на потенциальную линейную нестационарную систему определенного класса может привести к дестабилизации в отличие от случая стационарных систем.

Построено стабилизирующее управление движением космического аппарата силами светового давления в окрестности коллинеарной точки либрации пространственной ограниченной круговой задачи трех тел (системы Земля — Луна — космический аппарат), математическая модель которой относится к определенному классу нестационарных систем.

Исследовано множество стационарных движений моноцикла, движущегося по горизонтальной ледяной поверхности. Полученные достаточные условия устойчивости этих движений сопоставлены со случаем движения моноцикла по горизонтальной плоскости без проскальзывания.

Лаборатория механики природных процессов

Проведен анализ мультипликаторов Флоке в задаче об устойчивости вращающегося несимметричного вала в несимметричном упругом подвесе. Выполнено исследование задачи Николаи о динамической устойчивости упругого консольного стержня, нагруженного осевой сжимающей силой и касательным крутящим моментом в непрерывной формулировке. Исследована роль коллапса в спектре развитой турбулентности для каскадных моделей. Исследованы бифуркации регулярных движений маятника переменной длины.

Телекоммуникационные и информационно-вычислительные технологии в механике

Лаборатория автоматизации экспериментальных исследований

Разработаны, реализованы в виде программного комплекса и прошли тестовые испытания методы, включая натурное, виртуальное и дискретно-событийное моделирование, позволяющие объединить различные подходы к исследованию, включая натурное, виртуальное и дискретно-событийное моделирование распределенных систем сбора и хранения больших объемов мультимедийных данных, а также передачи и обработки интенсивных потоков таких данных с использованием сетей связи общего пользования.

По тематике развития математического и программного обеспечения систем управления данными, сосредоточенными в больших (корпоративных) и сверхбольших (Интернет) хранилищах, включая текстовую информацию и другие слабоструктурированные данные, разработаны и внедрены в виде сервисов информационно-аналитической системы «Наука МГУ» («ИСТИНА»):

  • модели хранения данных для построения итоговых отчетных форм в информационно-аналитической системе «Наука МГУ» («ИСТИНА»);
  • подсистема генерации отчетных форм, которая позволяет сформировать гипертекстовый документ по заданному запросу на языке SQL, реализует язык предварительной обработки SQL-запроса, в том числе подстановку параметров, условное включение запросов;
  • алгоритм эффективного распределения вычислительной нагрузки при выполнении сложных аналитических запросов;
  • методы редактирования данных в табличной форме;
  • модели и алгоритмы защиты информации на уровне базы данных и на уровне приложения;
  • модуль подготовки сводного научного отчета подразделения, включая программные интерфейсы, способствующие повышению качества данных в системе ИСТИНА.

Наномеханика

Лаборатория наномеханики

Проведено исследование физико-химических процессов и свойств материалов при течении газов в микро/нано структурах со сложной геометрией и подвижными стенками с учетом молекулярного строения сред и структурно-топологических особенностей материала, явлений адсорбции и гетерогенных каталитических реакций. Разработаны многомасштабные модели, интегрирующие несколько уровней рассматриваемых процессов, созданы эффективные алгоритмы для современных многоядерных вычислительных комплексов.

На основе разработанного оригинального метода молекулярно динамического моделирования со стохастическим шагом по времени создан программный комплекс, обеспечивающий квантово-механическое и молекулярно-динамическое событийное моделирование неравновесных физико-химических процессов на границе раздела фаз. С его помощью проведено исследование горения в порах угольного кокса в зависимости от формы и размеров пор. Для выбора критических элементарных стадий и последующей редукции кинетических механизмов разработан автоматизированный программный модуль, а также созданы программные модули расчета простейших моделей неравновесных течений применительно к задачам горения авиационных топлив и сажеобразования.

Методом среднего времени жизни метастабильного состояния на основе молекулярно-динамических расчетов исследовано влияние примесей меди на процесс зарождения дислокаций в сплавах с алюминием. Найдены зависимости скоростей зарождения дислокаций от сдвиговых напряжений в алюминии, в твердом растворе алюминия с медью и в алюминии с зоной Гинье — Престона. Показано, что с увеличением концентрации примесей уменьшаются значения активационных параметров в этих зависимостях. Обнаружено, что активационные параметры скорости зарождения дислокаций в алюминии с зоной Гинье — Престона имеют более слабую зависимость от температуры, чем в других рассмотренных случаях.

Учебная работа

Ученые НИИ механики МГУ продолжали преподавательскую работу по механическим и смежным дисциплинам на механико-математическом, физическом, наук о материалах, биологическом и геологическом факультетах МГУ. Экспериментальная и вычислительно-информационная базы Института традиционно используются для проведения многочисленных студенческих лабораторных практикумов. В 2014 г. студенты 3 и 4 курсов механико-математического факультета прошли обучение на 24 общих и 30 специальных лабораторных практикумах, при проведении которых использовалось уникальное в системе высшей школы экспериментальное оборудование для исследования процессов механики жидкостей и газов, механики твердого деформируемого тела и мехатроники. С 2014 г. были введены новые правила оценки качества выполнения лабораторных работ студенческих физико-механических практикумов, что повысило уровень требований к освоению экспериментальных методов исследования. Высококвалифицированные специалисты Института, имеющие большой опыт научно-исследовательской и преподавательской деятельности, прочитали в 2014 г. 36 курсов лекций, руководили 19 регулярными научными семинарами. Под руководством ученых НИИ механики МГУ выполняли курсовые, дипломные и диссертационные работы 61 студент и 21 аспирант механико-математического факультета (отделения механики и кафедры вычислительной математики), а также ряд студентов из других университетов Москвы. В Центре компьютерных технологий НИИ механики студенты, аспиранты и молодые сотрудники получали консультации по использованию современных вычислительных пакетов инженерного анализа в научных исследованиях.

В 2014 г. НИИ механики МГУ организовал и провел VIII Международную летнюю научную школу для российских и тайваньских студентов и молодых ученых. Институт принял активное участие в Фестивале науки. Успешно прошла очередная ежегодная открытая конференция-конкурс молодых ученых НИИ механики с присуждением стипендий победителям. Проведен финал конкурса «У.М.Н.И.К.—2014» по направлению «машиностроение». Состоялся юбилейный XVII школа -семинар, посвященный памяти академика Г. Г. Черного и 55-летию со дня основания НИИ механики МГУ, на котором в торжественной обстановке прошла церемония посвящения в ученые молодых участников школы. Продолжена традиция проведения «дней открытых дверей» для школьников Москвы и абитуриентов МГУ с посещением лабораторных установок экспериментального комплекса НИИ механики. Состоялся заключительный очный этап олимпиады школьников «Ломоносов» по мехатронике. В мемориальном кабинете-музее академика Л. И. Седова были проведены встречи молодых ученых Института с выдающимися учеными. Экспериментальные залы аэродинамического комплекса НИИ механики МГУ неоднократно использовались для съемок сюжетов научно-популярных фильмов телеканала «НАУКА 2.0».

Конференции

Организованы и проведены:

  • Ломоносовские чтения. Секция «Механика» (14–23 апреля). Сборник тезисов докладов конференции издан и размещен на сайте института.
  • Конференция-конкурс молодых учёных НИИ механики (13–14 октября). Издан сборник трудов конференции 2012 г., готовится к изданию — 2013 г.
  • XVII Всероссийская школа-семинар «Современные проблемы аэрогидродинамики», посвященная памяти академика Г. Г. Черного и 55-летию НИИ механики (20–30 августа).
  • XXI Международная конференция «НеЗаТеГиУс — 2014», посвященная памяти академика Горимира Горимировича Черного (25 февраля — 4 марта).
  • Биомеханика 2014 (5–7 февраля), проводит НИИ механики совместно с Институтом физиологии им. И. П. Павлова РАН.
  • Конференция, посвященная 80-летию профессора Алексея Алексеевича Бармина (29 декабря).
  • VIII Международная летняя научная школа «Компьютерные технологии анализа инженерных проблем механики — 2014» (25 июня — 1 августа).
  • Олимпиада школьников по робототехнике в НИИ механики МГУ (22 марта).

Проводится еженедельный видеосеминар по аэрогидромеханике в режиме телемоста ЦАГИ (г. Жуковский) — ИТПМ СО РАН (Новосибирск) — СПбГПУ (Санкт-Петербург) — НИИМ МГУ (Москва).

Институт принимал участие в организации:

  • Четырнадцатой международной школы-семинара «Модели и методы аэродинамики» (4–13 июня);
  • 40-й Научной ассамблеи Международного Комитета по космическим исследованиям COSPAR (2–10 августа).

Доктора и кандидаты наук 2014 г.

Докторскую диссертацию защитила вед. н. с. лаборатории физико-химической газодинамики Брыкина Ирина Григорьевна («Методы расчета теплопередачи и трения при пространственном гиперзвуковом ламинарном обтекании тел во всем диапазоне чисел Рейнольдса»).

Кандидатские диссертации защитили:

  • мл. н. с. лаборатории общей гидромеханики Горохова Наталья Владимировна («Динамика роста кристалла в очагах и каналах вулкана»);
  • вед. инженер лаборатории общей механики Митрофанов Иван Евгеньевич («Информационно-управляющая человеко-машинная система для высокоманевренной четырехколесной платформы с податливым манипулятором на борту»);
  • мл. н. с. лаборатории гиперзвуковой аэродинамики Макарова Мария Сергеевна («Численное исследование тепловых и динамических процессов в элементах устройств энергоразделения газов»);
  • н. с. лаборатории физико-химической гидродинамики Пелевина Дарья Андреевна («Изучение деформаций поверхности магнитной жидкости в магнитном поле, вызывающих направленное движение»).

Персоналии

Почетное звание «Заслуженный профессор Московского университета» присвоено академику РАН, зав. лабораторией газодинамики взрыва и реагирующих систем В. А. Левину.

Почетное звание «Заслуженный научный сотрудник Московского университета» присуждено вед. н. с. лаборатории навигации и управления В. И. Каленовой и вед. н. с. лаборатории упругости и пластичности Е. З. Королю.

Почетное звание «Заслуженный работник Московского университета» присуждено вед. инженеру лаборатории упругости и пластичности А. И. Жукову и вед. инженеру лаборатории гиперзвуковой аэродинамики Т. А. Немировой.

Публикации

Опубликовано 5 монографий, 3 главы в монографиях, 2 учебных пособия, 3 сборника трудов, около 660 статей и тезисов докладов.