Details

Category: Наука

Published: 28 April 2015

Hits: 10910

Важнейшие результаты фундаментальных и прикладных исследований,
выполненных в Учреждении Российской академии наук
Институте механики сплошных сред Уральского отделения РАН
в 2011 году

1. Разработан впервые аналитический метод построения полной системы собственных решений для различных вариантов круговых конических тел: однородный конус с одной боковой поверхностью (сплошной конус), однородный конус с двумя боковыми поверхностями (полый конус), составной конус при различных вариантах граничных условий на боковых поверхностях.Подробнее Скрыть подробности
   Разработан впервые аналитический метод построения полной системы собственных решений для различных вариантов круговых конических тел: однородный конус с одной боковой поверхностью (сплошной конус), однородный конус с двумя боковыми поверхностями (полый конус), составной конус при различных вариантах граничных условий на боковых поверхностях.
   
   
   Разработан аналитический метод построения полной системы собственных решений для различных вариантов круговых конических тел: однородный конус с одной боковой поверхностью (сплошной конус), однородный конус с двумя боковыми поверхностями (полый конус), составной конус при различных вариантах граничных условий на боковых поверхностях. Получены численные результаты о характере сингулярности напряжений в вершине сплошного конуса при граничных условиях в перемещениях, напряжениях, смешанного типа и в вершине полого конуса при различных вариантах граничных условий на боковых поверхностях для различных геометрических параметров задач и механических характеристик материалов. В качестве одного из приложений построенных собственных решений рассматривается их использование для оценки характера сингулярности напряжений в вершине конических тел.
   
   Рук. акад. РАН Матвеенко В.П., т. (342) 237-84-61
2. Исследована диффузионная природа высокопластичного состояния компенсированных аустенитных сплавов. Подробнее Скрыть подробности
   
   Объектом исследования являлась микроструктура и пространственное распределение химического состава по цилиндрическому образцу из аустенитной нержавеющей стали Н12Х22, подвергнутому большим деформациям кручения. Целью работы являлась проверка гипотезы о диффузионной природе высокопластичного состояния скомпенсированных по химическому составу аустенитных нержавеющих сплавов при квазистатическом деформировании. Работа проводилась методом электронно-микроскопического и масс-спектрометрические экспериментального исследования полированных микрошлифов, вырезанных из деформированного образца. Сканирование проводилось на макроуровне на сетке с характерным размером 0.5 мм и на микроуровне на сетке с характерным размером 1 мкм. В результате обнаружены "концентрационные волны" - волокнистое пространственное распределение основных компонент химического состава образца, повторяющее рельеф спиралей локализации пластической деформации на поверхности цилиндра с периодами 1 мм, 2 мм и 4 мм; выявлено микроскопическое пространственно-периодическое распределение подобных зон с периодом около 12 мкм, установлена уплощенная структура кривых гистерезиса пространственных колебаний компонент хрома, никеля и железа на макро- и микроуровне, а также подобие ориентации плоскостей, экстраполирующих эти данные, установлен рост концентраций хрома и никеля и убывание концентрации железа вдоль радиальной координаты, зарегистрированы случаи попадания пучка электронов в места с аномальной концентрацией компонент, вероятно, являющиеся выделениями фаз. Полученные данные могут свидетельствуют в пользу диффузионного механизма высоких пластических свойств материалов исследуемого типа.
   
   Рук. к.ф.м.н. Келлер И.Э. т.(342) 237-84-59
3. В соответствие с представлениями о структурно-скейлинговых переходах - новом типе критических явлений в мезоскопических системах с дефектами, экспериментально исследована статистика фрагментации хрупких материалов (стекол) при интенсивных (динамических) воздействиях. Установлен пространственно-временной скейлинг, сопровождающий кинетику фрагментации, подтвердивший теоретически обоснованный результат о развитии процесса фрагментации как проявление самоорганизованной критичности.Подробнее Скрыть подробности
   
   Развиваемые представления о закономерностях разрушения как структурно-скейлинговых переходах в ансамблях дефектов, роли многомасштабных мод дефектов в механизмах локализации разрушения явились основой для реализуемой экспериментальной программы по исследованию статистических закономерностей фрагментации, обнаруживающих признаки самоорганизованной критичности. Реализованная экспериментальная программа по динамическому нагружению цилиндрических образцов плавленого кварца с реализацией методик сохранения позволила установить масштабную и временную инвариантность (скейлинг), который связывается в теории структурно-скейлинговых переходов с групповыми свойствами уравнений, определяющих нелинейную динамику развития дефектов в соответствие с установленными типами многомасштабных коллективных мод ансамблей дефектов. Последовательность данных масштабов, которые применительно к структуре материалов характеризует масштабы локализации пластической деформации и разрушения, и, как показывают теоретические соотношения, может обнаруживать свойства, характерные для явлений самоорганизованной критичности.
   Установленные закономерности масштабного и временного скейлинга, наблюдаемые при динамике процесса фрагментации, находятся в соответствии с представлениями о структурно-скейлинговых переходах - новом типе критических явлений для твердых тел с дефектами. Исследования процесса фрагментации в широком диапазоне интенсивностей нагружения представляют фундаментальный интерес в контексте исследования поведения неравновесных систем, обнаруживающих длинно-корреляционные взаимодействия, а также прикладное значение применительно к постановкам высокоскоростного удара.
   
   Рук. д.ф.м.н. Наймарк О.Б. т.(342) 237-83-12

1. Впервые показано, что режимы крупномасштабной циркуляции со спонтанными инверсиями, разделенными длительными периодами квазистационарной циркуляции, возникают при турбулентной конвекции Релея-Бенара в прямоугольных полостях различной геометрии как в ограниченном диапазоне значений числа Релея, так и в ограниченном диапазоне аспектного соотношения, определяющего отношение толщины полости к стороне в плоскости циркуляции. В толстом слое устанавливается режим без инверсий, а в тонком слое возникает режим, характеризуемый многочисленными сменами направления циркуляции, не разделенными интервалами с устойчивым направлением крупномасштабного течения.Подробнее Скрыть подробности
   
   
   Спонтанные перебросы потока происходят в различных гидродинамических системах, включая крупномасштабные потоки в океанах, атмосфере, конвектиыных оболочках звезд или в жидком ядре Земли, где смена направления движения может приводить и к инверсии магнитного поля. Выполненные экспериментальные исследования крупномасштабной циркуляции (КМЦ) жидкости при турбулентной конвекции Релея-Бенара в прямоугольных областях различной геометрии (от тонкого слоя до кубической полости) показали, что в зависимости от значений числа Релея и аспектного соотношения могут реализоваться три различных режима КМЦ.
   Первый режим характеризуется устойчивой циркуляцией, интенсивность которой демонстрирует стохастические колебания, но направление циркуляции остается неизменным. Второй режим режим с инверсиями, для которого характерно чередование интервалов с КМЦ в том или ином направлении. Длительность этих интервалов случайна, а в пределах каждого интервала КМЦ ведет себя подобно режиму 1. Третий, смешанный режим характеризуется многочисленными сменами направления КМЦ, которые не разделяются интервалами с квазиустойчивой циркуляцией в одном направлении (см. рис.). Выявлена высокая чувствительность характера КМЦ к поперечному размеру полости (толщине слоя с квадратным в плоскости циркуляции сечением). Показано, что в полостях с близкими размерами всех сторон инверсии не наблюдаются, а в тонком слое режим с инверсиями сменяется смешанным режимом циркуляции.
   Васильев А.Ю., Фрик П.Г. Инверсии крупномасштабной циркуляции при турбулентной конвекции в прямоугольных полостях // Письма в ЖЭТФ, 2011. T.93. N.6. C.363-367.
   
   Рук. д.ф.м.н. Фрик П.Г., т.(342) 237-83-22
2. Выяснена природа стрикционного эффекта в мягком магнито-эластомерном композите. Предложенная концепция согласуется со всеми имеющимися экспериментальными данными; построенные 2D модели открывают возможность проектировать слой магнитного эластомера с заданными величиной и знаком магнитострикции.Подробнее Скрыть подробности
   
   
   Исследована природа магнитострикционного эффекта в мягком магнитом эластомере. С помощью численного моделирования показано, что приложенное поле "запускает" два механизма стрикции: макроскопический и мезоскопический, причем последний существенно зависит от наличия ближнего порядка в расположении магнитных частиц. Впервые дан способ вычисления магнитодипольной стрикции - параметра, имеющего первостепенное значение для нахождения макроскопической деформации магнитоэластомерного образца любой формы. Показано, что предложенное описание хорошо согласуется со всеми имеющимися экспериментальными данными. разработанные модели открывают возможность проектировать магнитные эластомеры с заданными величиной и знаком магнитострикции.
   Результаты опубликованы в журнале Soft Matter (Великобритания, импакт-фактор 2010 г. = 4.46); редакция которого выбрала нашу работу в качестве "горячей" статьи месяца.
   
   Рук. д.ф.-м.н. Райхер Ю.Л., т.(342) 237-83-23
3. Экспериментально определены изменения модуля сжимаемости и коэффициента проницаемости экструдата рапса в процессе отжима масла, когда образец ведет себя как пористая упругопластическая среда. Установлено, что изменение массовой концентрации в узком диапазоне (0,45 - 0,23) приводит к уменьшению коэффициента проницаемости на полтора-два десятичных порядка. Найдена аппроксимирующая поверхность, описывающая зависимость коэффициента проницаемости от уровня приложенного давления и массовой концентрации масла, позволяющая использовать ее при математическом моделировании процесса плунжерного и шнек-прессового отжима.Подробнее Скрыть подробности
   
   
   Ограниченность мировых запасов органических топлив вызывает интерес к поиску других источников. Одним из заменителей может служить биотопливо, полученное из масличных культур, в частности, семян рапса. Наиболее современным способом получения масел является процесс с использованием шнек-пресса. Выбор конструктивных параметров шнек-пресса и технологических режимов отжима связан с адекватным описанием, как самого процесса, так и свойств перерабатываемого материала. Целью работы являлось экспериментальное определение коэффициента проницаемости и модуля сжимаемости экструдата рапса в процессе отжима масла, когда образец ведет себя как пористая пластически деформируемая среда. Отжим жидкой фазы изменяет структуру смеси и массовое соотношение между компонентами, в результате чего изменяются реологические и фильтрующие свойства смеси. При всей простоте традиционных методов определения проницаемости в случае изменяющейся структуры пористого массива в процессе отжима выполнить это значительно сложнее. Экструдат предлагается рассматривать как двухкомпонентную среду, представляющую смесь жидкости (масла) и деформируемую пористую основу, состоящую в основном из клетчатки. Отжим жидкой фазы изменяет структуру смеси и массовое соотношение между компонентами, и тем самым ее реологические и фильтрующие свойства. В процессе отжима одновременно протекают несколько процессов, определяющих фиксируемую в эксперименте деформацию: - упругая деформация образца смеси; - необратимая деформация, связанная с пластической деформацией "растительного" скелета; условная сжимаемость, обусловленная отжимом масла. Необратимая деформация, связанная с пластической деформацией "растительного" скелета не велика, но существенно меняет коэффициент фильтрации. В исследованном диапазоне концентраций 0,45 - 0.23 коэффициент проницаемости изменяется на полтора - два десятичных порядка, снижаясь при малых концентрациях.
   Можно было предположить, что концентрация масла, как косвенный показатель структуры смеси, однозначно определяет коэффициент проницаемости и модуль сжимаемости смеси. Однако, как показал эксперимент, эти показатели интенсивности процесса отжима и упругого сопротивления смеси зависят не только от соотношения компонент, но и от предшествующей истории нагружения образца. Изменение коэффициента проницаемости зависит от уровня приложенного давления. Найдена аппроксимирующая поверхность, описывающая зависимость коэффициента проницаемости от уровня приложенного давления и массовой концентрации масла, позволяющая использовать ее при математическом моделировании процесса плунжерного и шнек-прессового отжима.
   
   Рук. д.т.н. Славнов Е.В., т.(342) 237-83-99
4. Решена задача о влиянии собственных полей на пространственное распределение частиц в магнитной жидкости, заполняющей прямоугольную полость. Показано, что собственное поле магнитной жидкости (при однородном внешнем поле) приводит к сегрегации частиц с двух - трехкратным перепадом по концентрации в зависимости от энергии магнитодипольных взаимодействий.Подробнее Скрыть подробности
   
   
   Вплоть до последнего времени в научной литературе встречались лишь единичные работы, посвященные расчету собственных полей, создаваемых магнитными жидкостями. Считалось, что эффекты, связанные с этими полями, малы, за исключением ситуации, когда магнитная жидкость имеет свободную поверхность, на которой формируется магнитный скачок давления (работы А.О. Цеберса с соавторами). Мы впервые рассмотрели в деталях один их таких эффектов, состоящий в пространственном перераспределении коллоидных частиц в жидкости, заполняющей прямоугольную полость, под действием собственного (размагничивающего) поля, и показали, что этот эффект не мал. Более того, это очень сильный нелинейный эффект. Он приводит к неоднородности концентрационного поля в жидкости, сопоставимой со средней концентрацией частиц в полости. Решение задачи оказалось возможным только сейчас, после вывода уравнений, описывающих магнитофорез и диффузию частиц в концентрированных ферроколлоидах (Pshenichnikov A.F., Elfimova E.A., Ivanov A.O. // J. Chem. Phys. 2011. Vol. 134.). Задача решена в двумерной постановке, на примере прямоугольной полости, заполненной первоначально однородной магнитной жидкостью. В случае вытянутой полости ее центральная часть обогащается частицами при продольной ориентации магнитного поля и обедняется - при поперечной ориентации. Концентрация частиц вблизи торцов полости изменяется в противоположном направлении.
   На прилагаемом слайде в качестве примера приведены изолинии равной концентрации в полости с отношением сторон 1:5 при продольной ориентации магнитного поля. Степень расслоения магнитной жидкости определяется двумя безразмерными параметрами (приведенными энергиями): параметром Ланжевена - отношением энергии взаимодействия отдельной частицы с внешним полем к энергии теплового движения и параметром агрегирования - отношением энергии магнитодипольного межчастичного взаимодействия к тепловой энергии. Расчеты проведены для однородного внешнего поля с параметром Ланжевена, равным шести, для различных параметров агрегирования. Прежняя теория, не учитывающая собственное магнитное поле жидкости, предсказывает однородное распределение концентрации. Из рисунка хорошо видно, что реальное распределение концентрации далеко от однородного. Степень неоднородности характеризуется коэффициентом разделения - отношением максимальной концентрации к минимальному значению за вычетом единицы. Зависимость коэффициента разделения от параметра агрегирования приведена на втором рисунке. Приведенный график означает, что перепад концентрации в полости может в два - три раза превышать среднюю по объему концентрацию. Ясно, что обнаруженный эффект очень сильный, и пренебрегать им нельзя.
   
   Рук. д.ф.м.н. Пшеничников А.Ф. т.(342) 237-83-25
5. Экспериментально обнаружено и исследовано формирование систем капель феррожидкости под влиянием вертикального магнитного поля. Возникновение капель происходит в результате деформации горизонтального слоя феррожидкости, расположенного на жидкой подложке. Действие однородного вертикального магнитного поля приводит к созданию системы капель, равноудаленных друг от друга, а воздействие неоднородного осесимметричного поля вызывает появление разрыва слоя в виде правильного круга, вдоль границы которого располагается система капель, равноудаленных от центра.Подробнее Скрыть подробности
   
   
   Экспериментальное изучение поведения горизонтального слоя феррожидкости на жидкой подложке под действием магнитного поля привело к обнаружению ряда новых явлений, включая формирование упорядоченных капельных структур. Причиной подобной эволюции достаточно толстого (~1 - 4 мм) слоя феррожидкости стала жидкая подложка - с ее появлением слой получил способность деформироваться одновременно с двух сторон. В результате, под влиянием однородного вертикального магнитного поля слой феррожидкости распадается на отдельные капли, частично погруженные в жидкость подложки и равноудаленные друг от друга. Действие вертикального неоднородного осесимметричного поля вызывает возникновение разрыва слоя в виде правильного круга. При этом, если двухслойная система жидкостей помещена в кювету конечных размеров, то при достижении определенной напряженности магнитного поля граница разрыва испытывает неустойчивость, что также приводит к формированию системы капель. В этом случае капли равноудалены от центра разрыва.
   Определены критические значения напряженности магнитных полей, при которой происходит разрушение слоя, в зависимости от его исходной толщины и магнитной восприимчивости феррожидкости. Прослежена эволюция капельных структур при изменении напряженности поля, в частности, обнаружен гистерезис в поведении системы "феррожидкость-подложка", связанный со сменой ее топологии. Для слоев феррожидкости с малой исходной толщиной при снятии поля наблюдалось формирование устойчивых разрывов поверхности.
   
   Рук. д.ф.м.н. Костарев К.Г., т.(342) 237-83-14
6. Исследовано влияние ПАВ, адсорбированного в поверхностном слое жидкости, на свободные капиллярные колебания сферической жидкой капли. В приближении малой сдвиговой вязкости в объеме капли, рассмотрены случаи малой, конечной и большой поверхностных вязкостей. Для случая малых поверхностных вязкостей и конечной упругости Гиббса найдена поправка к собственным частотам незатухающих колебаний капли. Для случая конечной поверхностной вязкости получено уравнение, определяющее главный порядок частот колебаний. Исследован переход к апериодическим колебаниям.Подробнее Скрыть подробности
   
   
   Одним из распространенных методов измерения поверхностного натяжения и вязкости жидкостей является анализ колебаний формы жидких капель. Для малых колебаний формы сферических капель со свободной поверхностью существуют классические формулы Релея и Ламба, связывающие поверхностное натяжение и вязкость с частотой и коэффициентом затухания колебаний. Во многих случаях, однако, поверхность жидкости бывает покрыта пленкой поверхностно-активного вещества (ПАВ), проявляющей реологические свойства, отличные от свойств жидкости в объеме. В настоящей работе исследовано влияние ПАВ, адсорбированного в поверхностном слое жидкости, на свободные капиллярные колебания сферической жидкой капли. Результаты получены в приближении малой сдвиговой вязкости жидкости в объеме капли для случаев малой, конечной и большой сдвиговой и дилатационной поверхностных вязкостей.
   Для случая малых поверхностных вязкостей и конечной упругости Гиббса найдена поправка к собственным частотам незатухающих колебаний капли. Поправка оказалась величиной порядка корня квадратного от сдвиговой вязкости в объеме жидкости, в отличие от случая отсутствия ПАВ, где имеет место линейный закон. Такой рост вязкой диссипации был известен ранее. Если упругость Гиббса мала, то поправка становится линейной по сдвиговой вязкости в объеме жидкости. Получен критерий перехода между этими двумя случаями. Для случая конечной поверхностной вязкости получено кубическое уравнение, которое определяет главный порядок частот колебаний. Рассмотрен ряд предельных случаев для данного уравнения, включая случай большой поверхностной вязкости.
   Найдены области в пространстве параметров, где существуют периодическое и апериодическое решения, либо три различных апериодических решения. Выяснено, что в случае малой или конечной упругости Гиббса, переход к апериодическим решениям определяется совместным действием сдвиговой и дилатационной поверхностных вязкостей и невозможен, если одна из поверхностных вязкостей мала. D.Lyubimov, V.Konovalov, T.Lyubimova, I.Egry. Small amplitude surface oscillations of a spherical liquid drop with surface viscosity. J. Fluid Mechanics. 2011. V. 667. P. 204-217.
   
   Рук. д.ф.м.н. Любимова Т.П., т.(342) 239-66-46
7. Численно исследована динамика свободного от гидрата вертикального канала, пронизывающего слой гидрата, пребывающего в стабильном состоянии. Показано, что при достаточно большом значении коэффициента проницаемости пористой среды возможно разрастание канала. Начальный избыток газовой фазы приводит к движению вверх газовой и водной фазы, при этом, вследствие наличия геотермального градиента, происходит нагрев и таяние гидрата. В ходе диссоциации гидрата выделяется большое количество газа, что способствует усилению вертикального движения фаз. Подробнее Скрыть подробности
   
   
   Гидрат метана представляет собой похожее на лёд вещество, в котором молекулы метана содержатся в пространственной решётке, сформированной молекулами воды. Он стабилен при низких температурах и высоких давлениях. Интерес к исследованиям гидратов связан с возможностью развития технологий, позволяющих использовать газовые гидраты в виде альтернативного углеводородного сырья и облегчить решение экологических проблем, возникающих при диссоциации природных газовых гидратов. В последние годы появилось много работ, посвящённых моделированию поведения гидратов в пористых средах. Однако большинство из них рассматривает простейшие задачи динамики гидрата.
   В природе из-за наличия геотермального градиента существует диапазон глубин, в котором гидрат метана устойчив. Этот диапазон ограничен снизу высокой температурой, верхняя граница обусловлена падением давления в среде. В работе численно исследовалось поведение свободного от гидрата вертикального канала, пронизывающего слой гидрата, пребывающего в стабильном состоянии. Моделирование проводилось с помощью метода сквозного счета. Объемные доли фаз в каждой точке пространства задавались функциями газо-, водо- и гидратонасыщенности. Движение фаз описывалось в соответствии с законом Дарси и законами сохранения массы жидкости и газа. Фазовый переход моделировался в рамках равновесной модели: предполагалось, что характерное время реакций диссоциации и образования гидрата много меньше гидродинамических и тепловых времен. Разработанный численный алгоритм позволяет проводить параллельные вычисления с использованием адаптивной сетки. Уравнение для плотности газа решалось неявно методом сопряженных градиентов с использованием процедуры предобусловливания. Моделирование проведено для различных соотношений объемных долей газа и воды. В случае, когда пористая среда содержит большое количество газа, водная и газовая фазы в поле тяжести движутся в различных направлениях: вода осаждается вниз, газ поднимается вверх. Вследствие большого коэффициента теплоемкости воды, ее осаждение приводит к значительному переносу тепла, в результате канал в слое гидрата со временем зарастает. Когда газовой фазы значительно меньше, чем водной, моделирование можно проводить в рамках модели общей скорости газовой и водной фаз. В этом случае предполагалось, что вода содержит маленькие пузырьки газа, размер которых меньше характерного размера пор. Моделирование показало, что в этом случае при достаточно большом значении коэффициента проницаемости пористой среды возможно разрастание канала. Начальный избыток газовой фазы приводит к движению вверх газовой и водной фазы, при этом, вследствие наличия геотермального градиента, происходит нагрев и таяние гидрата. В ходе диссоциации гидрата выделяется большое количество газа, что способствует усилению вертикального движения фаз.
   
   Рук. д.ф.м.н. Любимова Т.П., т.(342) 239-66-46
8. Исследован вынос примеси из замкнутой области пористой среды пространственно-однородным модулированным во времени внешним потоком. Использованы две модели аномальной диффузии - двухфазная и фрактальная. Получены кривые выхода примеси. Показана принципиальная возможность управления временем выноса примеси с помощью изменения частоты модуляции внешнего потока. Подробнее Скрыть подробности
   
   
   Известно, что дрейф частиц примеси в пористой среде не всегда подчиняется гауссовому распределению, поскольку частицы могут прилипать к твердому скелету. Прилипание может описываться как в терминах случайных величин - фрактальные модели, так и с помощью двухфазных моделей с кинетикой межфазного обмена второго порядка. Существует множество экспериментальных данных, которые подтверждают применимость как той, так и другой моделей.
   Учет прилипания частиц примеси к скелету приводит к появлению нового характерного времени времени установления равновесия между мобильной (свободной) и немобильной (адсорбированной) фазами. Это время, прежде всего, зависит от параметров моделей, которые определяют скорость перехода примеси из одной фазы в другую. При появлении дополнительного времени становится возможным управление процессом диффузии с помощью каких либо внешних периодических во времени факторов.
   В настоящей работе исследован вынос примеси из замкнутой области пористой среды однородным в пространстве, но модулированным по времени внешним потоком. Использованы две модели аномальной диффузии - двухфазная и фрактальная. Получены кривые выхода примеси. Изучено отклонение кривой выхода от случая немодулированного потока в зависимости от частоты и фазы модуляции.
   Наиболее интересным интегральным параметром задачи является время выхода примеси, то есть время, необходимое для того, чтобы большая часть примеси была вынесена из области внешним потоком (в проведенных расчетах это время соответствовало моменту, когда внутри области оставалось 5% от начальной массы примеси).
   Получены зависимости времени выхода примеси от параметров моделей диффузии и характеристик модуляции. Показана принципиальная возможность управления временем выноса примеси с помощью изменения частоты модуляции.
   
   Рук. д.ф.м.н. Любимова Т.П., т.(342) 239-66-46

1. Исследован отрыв газового пузыря от плоской твердой подложки, происходящий по "динамическому сценарию", т.е. в результате сильных колебаний формы поверхности пузыря, вызванных нормальными неакустическими гармоническими вибрациями подложки. Исследование проведено в рамках модели, основанной на анализе одномодовых решений вблизи вершины пузыря. Найдена зависимость интенсивности вибрационного воздействия, необходимого для отрыва пузыря, от параметров задачи. Получена оценочная формула для объема отрывающихся пузырей. Подробнее Скрыть подробности
   
   
   Известно, что в условиях микрогравитации режим пленочного кипения возникает при существенно меньших значениях теплового потока в системе, чем в земных условиях. Это связано с тем, что в земных условиях имеется механизм, который приводит к отрыву и удалению образующихся пузырей пара от поверхности нагревателя и предотвращению, тем самым, образования устойчивой пленки пара вблизи поверхности нагревателя. Этим механизмом является вызванная тяжестью плавучесть. Режим пленочного кипения обычно является нежелательным из-за низкой теплоотдачи в системе и, как следствие, возможного перегрева материала нагревателя. Поэтому для условий микрогравитации, когда тяжесть мала, важно найти эффективный механизм отвода пара от поверхности нагревателя, который бы заменил плавучесть. Одним из таких механизмов может стать вибрационное воздействие. Такое воздействие способно отрывать пузыри пара от поверхности нагревателя в объем жидкости, где они могут всплывать в результате сравнительно небольшой плавучести, течения жидкости, или же действия термокапиллярных сил.
   В настоящей работе исследован отрыв газового пузыря от твердой плоской подложки в результате сильных колебаний формы поверхности пузыря, вызванных нормальными неакустическими гармоническими вибрациями подложки. Отрыв пузыря изучен для условий микрогравитации, когда динамика поверхности пузыря обусловлена "игрой" сил инерции жидкости и сил поверхностного натяжения. Исследование проведено в рамках модели Лейзера, основанной на анализе одномодовых решений вблизи вершины пузыря. Отрыв пузыря от подложки определялся из условия его удлинения в процессе колебаний на величину порядка радиуса пузыря в состоянии равновесия. Найдена зависимость интенсивности вибрационного воздействия, необходимого для отрыва пузыря, от параметров задачи. Получена оценочная формула для объема отрывающихся пузырей.
   В.В.Коновалов, Д.В.Любимов, Т.П.Любимова. Динамический отрыв газового пузыря от твердой плоской подложки, совершающей нормальные гармонические вибрации. ПМТФ, 2011, т.52, № 5
   
   Рук. д.ф.м.н. Любимова Т.П., т.(342) 239-66-46
2. Изучено возникновение и нелинейная эволюция пространственных структур в горизонтальном слое неоднородно нагретой бинарной смеси. Подробнее Скрыть подробности
   
   
   Бифуркационный анализ молекулярной смеси с аномальной термодиффузией, помещенной в модулированное поле тяжести, свидетельствует об образовании двух различных типов стоячих волн, определяемых квазипериодическими или субгармоническими колебаниями характеристик смеси. Надкритический режим течения, соответствующий устойчивым стоячим волнам в форме субгармонических колебаний, зарождается мягко; пороговые значения параметров соответствуют результатам линейной теории устойчивости. Найден интервал значений амплитуды вибрационного воздействия, в пределах которого удается подавить конвективные движения бинарной смеси.
   В слое коллоидной смеси, стратифицированной гравитационным полем, параметрически исследовано возникновение неустойчивости равновесия вследствие развития длинноволновых или ячеистых колебательных возмущений. Нелинейный анализ пространственно-временной эволюции режима течения в виде бегущих конвективных валов позволил установить жесткий характер ветвления и границы устойчивости течения в зависимости от определяющих параметров задачи.

   • Мызникова Б.И., Смородин Б.Л. Волновые режимы конвекции бинарной смеси при модуляции силы тяжести // Журнал экспериментальной и теоретической физики, 2011, том 139, выпуск 3, с. 597 - 604.
   • Smorodin B.L., Cherepanov I.N., Myznikova B.I., Shliomis M.I. Travelling-wave convection in colloids stratified by gravity // Physical Review E, 2011, Vol. 84, 026305 (10).
   
   Рук. к.ф.м.н.Мызникова Б.И., т.(342) 237-83-23

Важнейшие результаты прикладных исследований

1. С использованием оригинальных экспериментальных установок и методов структурного анализа исследована стадийность процесса динамического проникания ударников в металлические мишени. Установлены закономерности развития процесса проникания, обусловленные локализацией пластического сдвига и локализацией разрушения, что является основой для оценки надежности бронезащит. Подробнее Скрыть подробности
   
   
   Представления о структурно-скейлинговых переходах как механизмах структурной релаксации позволили развить структурно-феноменологические модели, описывающие взаимосвязь механизмов пластичности, разрушения, эволюции дислокационных субструктур и структурной (зеренной) фрагментации. Применение развиваемых моделей к процессам локализации пластической деформации и разрушения при интенсивных (динамических) нагрузках, качественные и количественные результаты явились основой для постановки и интерпретации экспериментов и структурных исследований материалов (алюминия), подвергнутых динамическому нагружению.
   Структурные исследования зоны локализации деформации и разрушения установили масштабно-инвариантный характер формирования рельефа, обусловленный универсальным сценарием структурной фрагментации материала. Формирование двух областей различной морфологии (мелко- и крупномасштабной шероховатости) связано с качественно-различными механизмами локализации пластической деформации и локализации разрушения, обусловленными автомодельными закономерностями развития ансамблей дефектов и, как следствие, структурной фрагментации.
   Переходы между зонами локализованной пластичности и локализованного разрушения характеризуется резким увеличением показателя Херста, что связывается с качественными изменениями механизма формирования дефектных структур. Постоянство значения показателя Херста в каждой из наблюдаемых областей отражает наличие характерного механизма структурной релаксации, отвечающего за процессы локализации пластической деформации и локализации разрушения.
   С использованием оригинальных экспериментальных установок и методов структурного анализа исследована стадийность процесса динамического проникания ударников в металлические мишени. Установлены закономерности развития процесса проникания, обусловленные локализацией пластического сдвига и локализацией разрушения, что является основой для оценки надежности бронезащит.
   
   Рук. д.ф.м.н. Наймарк О.Б., т.(342) 237-83-12

1. Проведен комплекс экспериментов по деформированию в магнитных полях, магнитореологических эластомеров различного состава при квазистатическом нагружении (ползучесть, релаксация, растяжение). Подробнее Скрыть подробности
   
   
   Проведен комплекс экспериментов по деформированию в магнитных полях, магнитореологических эластомеров различного состава при квазистатическом нагружении (ползучесть, релаксация, растяжение). В качестве примера представлены результаты испытаний в режиме растяжения и релаксации напряжений.
   Кривые демонстрируют магнитодеформационный эффект, заключающийся в существенном возрастании напряжений при наложении магнитного поля и падении при снятии при релаксации. При растяжении происходит сравнительно медленное нарастание напряжений при воздействии магнитного поля. Этот эффект может быть использован в различного рода исполнительных механизмах, например, в датчиках и клапанах.
   
   Рук. к.т.н. Ковров В.Н., т.(342) 237-83-17

1. Разработан комплекс неинвазивных методов оценки состояния периферического кровообращения человека, основанных на вейвлет анализе сигналов лазерной допплеровской флоуметрии, фотоплетизмографии и термометрии. Проведены предварительные исследования в подгруппах здоровых и больных с нарушениями микроциркуляции (сахарный диабет, хроническая артериальная недостаточность нижних конечностей). Предложен качественно новый способ измерения скорости прохождения пульсовой волны, основанный на измерении сдвига фаз сигналов ЭКГ и фотоплетизмографии с применением вейвлет-разложения исходных сигналов. Данный способ позволяет оценить влияние "быстрых" физиологических воздействий на скорость распространения пульсовых волн. Подробнее Скрыть подробности
   
   
   Периферическое кровообращение (ряд крупных подводящих сосудов и система мелких сосудов, называемая микроциркуляторным звеном) обеспечивает питание тканей и играет важную роль в сердечно-сосудистой системе. При ряде заболеваний страдает микроциркуляторное звено периферического кровообращения, и востребованы методы анализа его состояния. В настоящий момент не существует общепринятой методики оценки функционального состояния микроциркуляции. В ИМСС УрО РАН совместно с Пермской государственной медицинской академией разработан способ оценки состояния микрососудистого русла на основе температурной реакции организма на холодовой прессорный тест с последующим вейвлет-анализом данных. Показано достоверное отличие изменения спектрального состава колебаний кожной температуры у здоровых и больных сахарным диабетом при холодовом воздействии.
   Помимо этого, изменениям при заболеваниях подвержены и крупные сосуды, что в свою очередь, сказывается и на системе микроциркуляции. Для оценки функционального состояния кровеносной системы распространены физиологические тесты, в том числе "быстрые". При проведении таких тестов изменения, происходящие за времена порядка нескольких секунд, свидетельствуют о состоянии кровообращения и его адаптационных возможностей. Для корректного описания таких реакций в ИМСС УрО РАН проведены работы по созданию программных алгоритмов для измерения динамических изменений скорости распространения пульсовых волн. Такие алгоритмы значительно расширяют возможности проводимых физиологических тестов.

   • Попов А.В., Подтаев С.Ю., Фрик П.Г., Ершова А.И., Жукова Е.А. Исследование низкоамплитудных колебаний кожной температуры при проведении непрямой холодовой пробы // Регионарное кровообращение и микроциркуляция, 2011, № 1(37), С. 89-94.
   • Смирнова Е.Н., Подтаев С.Ю. , Мизева И.А., Жукова Е.А. Нарушение механизмов вазодилатации у больных сахарным диабетом 2 типа при проведении контралатеральной холодовой пробы// Регионарное кровообращение и микроциркуляция, 2011, (в печати)
   • Allen J., Mizeva I., Podtaev S. Quantification of cardiovascular responses with deep inspiratory gasp using wavelet analysis// Physiological measurments, 2011, (in press).
   
   Рук. к.ф.-м.н. Подтаев С.Ю., к.ф.-м.н. Мизева И.А., т.(342) 237-83-94

1. Обнаружен эффект взаимного проникновения и распространения вверх по течению несмешивающихся водных масс данных водотоков при слиянии двух рек с различной плотностью, находящихся в зоне гидравлического подпора расположенной ниже ГЭС. Подробнее Скрыть подробности
   
   
   
   При проведении совместно с Горным институтом УрО РАН комплексных исследований, включающих в себя гидродинамическое моделирование в трехмерной постановке и детальный анализ гидрологического и гидрохимического режимов, обнаружен эффект взаимного проникновения и распространения вверх по течению несмешивающихся водных масс данных водотоков при слиянии двух рек с различной плотностью, находящихся в зоне гидравлического подпора расположенной ниже ГЭС.
   Данный эффект наблюдается в зимний период при слиянии рр. Чусовая и Сылва, находящихся в зоне подпора Камской ГЭС. Использование полученных знаний позволит существенно улучшить качество забираемой воды для водоснабжения г. Перми.
   
   Рук. д.ф.м.н. Любимова Т.П., т.(342) 237-83-31

1. Разработан и изготовлен прибор для измерения полного импеданса, фазового угла сдвига тока и напряжения биологических растворов и тканей с широким диапазоном зондирующих частот (1-100кгц.) и токов (0.1-2ма.), оснащенный специализированным пакетом программ, позволяющим управлять процессом измерения, задавая необходимые диапазоны зондирующих частот, токов, времени регистрации, и фильтрующим принимаемые данные от помех, шумов и выпадающих точек. Это позволило расширить диапазон измерения импеданса до 10000ом с возможностью выделения медленно изменяющихся значений импеданса с частотой до 0.1гц. и амплитудой в диапазоне 0.1-1ом на фоне его статического значения во всем диапазоне измерений. Подробнее Скрыть подробности
   
   
   При измерении полного импеданса биологических растворов и тканей большое значение имеет измеряемый диапазон полного сопротивления активной и реактивной составляющих. Для растворов и тканей этот диапазон составляет от 10 ом до 50 ком для активной части и от 100 пикофарад до 1 микрофарады емкостной составляющей импеданса. Большое значение имеет диапазон частот зондирующих токов, лежащий в диапазоне от 1 герца до 500 мегагерц и величина тока, составляющая от нескольких микроампер до 10 миллиампер с формой сигнала либо синусоидальной, либо прямоугольной. Большое значение уделяется подавлению помех, наводимых компьютерным оборудованием, промышленной сетью, радио- и телефонным оборудованием. Разработанный и изготовленный прибор имеет выше приведенные характеристики благодаря применению микроэлектронных узлов, управляемых компьютером, позволяющих поддерживать заданные режимы измерения по частоте, величине тока и регистрации изменения выходных параметров (импеданса и фазового угла сдвига) во времени. Прибор позволяет реализовать измерение выходных параметров во времени при неизменных величинах зондирующей частоты и тока, а также производить экспресс анализ, фиксируя на отрезках времени различные частоты и токи зондирования. Указанное выше очень важно для выбора электрической модели поведения исследуемой среды на ее активную и реактивную составляющие. На прибор и метод измерения импеданса подана заявка на изобретение.
   
   Рук. д.т.н. Славнов Е.В., т.(342) 237-83-99

Details

Category: Наука

Published: 23 April 2015

Hits: 11067

1. В результате анализа аэро- гидроупругой устойчивости оболочек вращения, взаимодействующих с комбинированным потоком жидкости или газа, обнаружен ряд новых качественных закономерностей. Подробнее Скрыть подробности
   Для анализа динамического поведения упругих стационарных или вращающихся оболочек произвольной геометрии, взаимодействующих с внутренним потоком невязкой жидкости (газом), имеющим осевую и/или тангенциальную компоненту скорости, разработана математическая модель и численный алгоритм ее реализации. Для вращающейся оболочки принимается во внимание воздействие центробежных и Кориолисовых сил, учитывается влияние начального окружного усилия, вызванного центробежными силами. Движение вращающейся жидкости описывается в рамках потенциальной теории, волновое уравнение которой сводится к системе уравнений с помощью метода Бубнова-Галеркина. Для описания движения упругого тела используется вариационный принцип возможных перемещений, в который включается линеаризованное уравнение Бернулли, определяющее гидродинамическое давление, действующее со стороны жидкости на конструкцию. Решение задачи сводится к вычислению и анализу комплексных собственных значений связанной системы уравнений. Проверка достоверности и эффективности разработанного алгоритма осуществлена в результате сравнения полученных результатов с экспериментальными данными и известными численно-аналитическими решениями. Выполнен широкий круг численных экспериментов по оценке влияния на границу устойчивости разнообразных факторов, таких как граничные условия, задаваемые на торцах оболочки, геометрические размеры, уровень заполнения жидкостью внутреннего объема, физико-механические свойства материала оболочки и жидкости, совместное или отдельное вращение оболочки и жидкости внутри нее и т.д. В результате проведенных исследований обнаружен ряд новых качественных закономерностей.
   
   Рук. академик РАН В.П. Матвеенко, т.(342) 237-84-61
2. Получены определяющие соотношения сверхпластичности, отвечающие условиям делокализации деформации и локального скоростного разупрочнения. Подробнее Скрыть подробности
   Сформулированы феноменологические признаки сверхпластичности. Поставлена обратная задача нахождения скалярной материальной функции вязко-пластических определяющих соотношений в соответствии с этими признаками, сводящаяся к задаче групповой классификации уравнений равновесия по этой произвольной функции и выбору функций с локальной немонотонностью.
   Для ее решения уравнения равновесия и совместности деформации скорости с помощью нелокальной подстановки записаны в виде четырех квазилинейных уравнений в частных производных в терминах интенсивности тензора деформации скорости, угла между линией скольжения и декартовой координатой, гидростатического давления и вихря скорости, которые трансформированы в пфаффову систему. Условия полной интегрируемости позволили найти единственный вариант функции требуемого вида, в частных случаях соответствующий линейно вязкой жидкости и идеально пластическому твердому телу. Найденная функция имеет немонотонный вид и допускает переход от гиперболического к эллиптическому режиму с образованием линий разрыва в сплошном теле при определенном значении интенсивности деформации скорости. Данная функция может соответствовать феноменологии сверхпластичности, основанной на механизмах полиморфных превращений или динамической рекристаллизации.
   
   
   Рук. к.ф.м.н. Келлер И.Э. т.(342) 237-84-59
3. Впервые получены данные о магнитострикции 3D сферы и продемонстрировано их значительное отличие от того же эффекта в диске.
   Подробнее Скрыть подробности
   
   Работа посвящена механике магнито-эластомерных композитов. Предмет изучения - магнитострикция, то есть деформация свободного (ненагруженного) образца под действием однородного магнитного поля. В отсутствие поля зерна наполнителя - микропорошкового железа (их концентрация порядка 1010 cм-3) - не намагничены и потому не взаимодействуют. Приложенное поле индуцирует в частицах магнитные моменты и, тем самым, "включает" анизотропные дипольные силы, возрастающие с уменьшением межчастичных расстояний. Стремясь объединиться/оттолкнуться, частицы деформируют полимерную матрицу, чем создают в ней упругие контр-напряжения. Таким образом, равновесная форма магнито-эластомерного тела определяется минимумом энергии, учитывающей наличие связанных между собой мелкомасштабных распределений магнитных и упругих сил.
   Из-за дальнодействующего (степенного) характера этих сил решение задачи существенно зависит от геометрии образца и, в частности, от его размерности. Изучавшиеся прежде двумерные модели очень полезны для поиска качественных закономерностей, но непригодны для количественного объяснения экспериментов с реальными композитами.
   С целью создания адекватного теоретического "инструмента" начата разработка трехмерных моделей. Тестовый образец - упругая сфера, в которой размещены 200-400 магнитных частиц при объемной концентрации до 30%. На этой системе методом конечных элементов по оригинальному алгоритму выполнен расчет распределений магнитных и упругих сил и найдена "внешняя" деформация тела. Впервые получены данные о магнитострикции 3D сферы и продемонстрировано их значительное отличие от того же эффекта в диске.
   
   
   Рук. д.ф.м.н. Райхер Ю.Л., т.(342) 237-83-23
4. Установлены качественные различия развития разрушения в условиях многоцикловой и гигацикловой усталости для поли- и субмикрокристаллических материалов (титана), характеризующиеся смещением координаты очага разрушения с поверхности образца в объем материала; показано соответствие механизмов кинетики накопления дефектов при гигацикловых режимах нагружения и ползучести в области малых напряжений (или высоких температур) испытаний; предложено описание стадийности процесса разрушения и развития трещин в условиях гигацикловой усталости на основе развитых представлений о структурно-скейлинговых переходах в ансамблях дефектов. Подробнее Скрыть подробности
   Развиваемые представления о закономерностях разрушения как структурно-скейлинговых переходах в ансамблях дефектов, роли многомасштабных коллективных мод дефектов в механизмах локализации разрушения явились основой для реализуемой экспериментальной программы по исследованию кинетических закономерностей развития разрушения при гигацикловых режимах нагружения применительно к поли- и субмикрокристаллическим материалам (титана). Объяснены механизмы разрушения, сопровождающиеся смещением очагов зарождения усталостных трещин с поверхности образцов (типичные для многоцикловой усталости) в объем образца, характерные для гигацикловых режимов.
   Показано соответствие механизмов кинетики накопления дефектов при гигацикловых режимах нагружения и ползучести в области малых напряжений (или высоких температур) испытаний; предложено описание стадийности процесса разрушения и развития трещин в условиях гигацикловой усталости на основе развитых представлений о структурно-скейлинговых переходах в ансамблях дефектов. Данные результаты положены в основу методов оценки надежности перспективных материалов авиационного моторостроения, в том числе сплавов титана с субмикрокристаллической зеренной структурой.
   
   
   Рук. д.ф.м.н. Наймарк О.Б., т.(342) 237-84-89
5. Исследованы особенности строения перенапряженных областей наполненных и ненаполненных эластомеров, образующихся в местах поперечных надрезов предрастянутых материалов. Подробнее Скрыть подробности.
   Методами атомно-силовой микроскопии исследованы особенности строения перенапряженных областей наполненных и ненаполненных эластомеров, образующихся в местах поперечных надрезов предрастянутых материалов.
   На масштабе вплоть до отдельных агрегатов технического углерода показаны тяжи-фибриллы, возникающие в разрывах. Образование тяжей связано как с разрывами на поверхности перенапряженной матрицы, так и с вытяжкой полимера в зазорах между первоначально близкостоящими агрегатами.
   Установлено, что свойства тяжей (адгезия к АСМ-зонду, модуль упругости) отличаются от окружающей их матрицы. Такое изменение свойств связано как с ориентацией макромолекул, так и с их кристаллизацией (если речь идет о кристаллизующемся при деформации натуральном каучуке). Вероятно, данные тяжи сдерживают дальнейшее разрушение материала.
   
   
   Рук. д.ф.м.н. Свистков А.Л., т.(342) 237-83-98.
6. Получены решения, существенно уточняющие известные ранее расчеты возможных профилей жидкости около зонда атомно-силового микроскопа. Подробнее Скрыть подробности.
   Предложен новый метод моделирования действия поверхностных сил на границе как жидких, так и деформируемых сред, учитывающий главные кривизны поверхности и ее деформацию. Граница тела рассматривается как деформируемая пленка постоянной толщины. Показано, что при моделировании капиллярных явлений получается известное в теории жидкостей уравнение. Проведен анализ особенностей проявления капиллярных явлений около зонда атомно-силового микроскопа.
   Установлено, что вертикальный подъем жидкости на несколько нанометров по поверхности зонда вызывает искривление поверхности жидкости, заметное на расстоянии до одного миллиметра.
   Показано, что решения осесимметричной задачи допускают (при определенных значениях поверхностных энергий взаимодействующих сред) появление выпуклых капель жидкости размером в несколько нанометров. Жидкость в них находится под большим давлением, которое должно выталкивать зонд вверх. Установлено, что отвод зонда от жидкости сопровождается подъемом жидкости по поверхности зонда на наномасштабном уровне.
   
   
   Рук. д.ф.м.н. Свистков А.Л., т.(342) 237-83-98)

1. Впервые проведено экспериментальное и численное исследование формирования горизонтальных конвективных валов над неоднородно нагретой поверхностью, в замкнутой прямоугольной полости. Исследование проведено в широком интервале чисел Прандтля и Рэлея. Обнаружено, что структура вторичных течений определяется уровнем надкритичности в температурном пограничном слое и интенсивностью основного, адвективного течения. Показано наличие режимов с продольными валами, поперечными валами, а также смешанные режимы. Численные расчеты показали, что наличие вторичных структур существенно увеличивает теплообмен над нагретой областью. Подробнее Скрыть подробности.
   В работе осуществлено экспериментальное исследование и прямое численное моделирование течения в прямоугольной полости, в дно которой встроены два теплообменника, задающие резкий скачок температуры вблизи их границы раздела. В полости возникает адвективное течение, на фоне которого развиваются вторичные течения, которые могут иметь вид продольных или поперечных валов. Целью работы являлось изучение образования и развития вторичных конвективных течений, возникающих в пограничном слое, и их влияния на теплообмен в слое. Исследования выполнены для широкого диапазона чисел Прандтля (7 ? Pr ? 1020) и чисел Релея (300 ? Ra ? 2.8·107).
   Установлено, что продольные конвективные валы появляются на некотором расстоянии от границы раздела теплообменников, и высота пограничного слоя увеличивается по мере удаления от скачка температуры. Рост вертикального размера валов происходит в основном за счет растяжения их верхней части. С ростом перепада температуры размеры валов уменьшаются, но растет скорость вращения валов.
   Обнаружено, что в данной конфигурации задачи возможны режимы, как с поперечной, так и с продольной ориентацией вторичных конвективных валов. Показано, что как продольные, так и поперечные валы ведут к существенному увеличению теплопереноса. Все режимы, в которых наблюдаются продольные валы, находятся на фазовой диаграмме в плоскости Ra - Re над линией Re ? 2·10-4Ra0.7. Поперечные валы появляются только при условии одновременного наличия большого перепада температуры и слабого крупномасштабного течения (это возможно только при больших числах Прандтля). Полученные результаты важны для оценки влияния вторичных течений на процессы теплообмена в пограничных слоях. Sukhanovsky A., Frick P., Teimurasov A., Batalov V. Horizontal rolls in convective flow above a partially heated surface // Eur.Phys.J. B, 2012. V.85: 9.
   
   
   Рук. д.ф.м.н. Фрик П.Г, т.(342) 237-83-22
2. Впервые выполнены одновременные прямые измерения турбулентной вязкости и турбулентной диффузии магнитного поля в турбулентном потоке проводящей жидкости при умеренных значениях магнитного числа Рейнольдса. Измерения выполнены в нестационарном турбулентном потоке жидкого натрия в тороидальном канале. Показано, что поведение коэффициента турбулентной диффузии магнитного поля определяется значениями магнитного числа Рейнольдса Rm, определенного по среднеквадратичному значению турбулентных пульсаций скорости. При Rm1 турбулентная диффузия магнитного поля становится пропорциональной турбулентной вязкости.
   Подробнее Скрыть подробности.
   В лабораторных экспериментах выполнены измерения двух коэффициентов переноса в импульсных турбулентных потоках жидкого натрия: эффективного (турбулентного) коэффициента диффузии магнитного поля и коэффициента турбулентной вязкости. Первый вычислялся по измерениям интегральной электропроводности, а второй - по измерениям локальной скорости. Поток возбуждался в быстровращающемся тороидальном титановом канале путём его резкого торможения. Коэффициент кинематической вязкости определялся как отношение квадрата плотности энергии турбулентных пульсаций к скорости её диссипации. Для нахождения указанных величин были произведены измерения двух компонент вектора скорости потока жидкого натрия двухкоординатным кондукционным датчиком и измерения вариаций индуктивности катушки, намотанной на канал с натрием. Получены законы вырождения энергии среднего течения, энергии пульсаций, коэффициента анизотропии и турбулентной вязкости. Показано, что поведение эффективной диффузии существенно зависит от магнитного числа Рейнольдса Rm, определенного по амплитуде среднеквадратичных пульсаций скорости и радиусу сечения канала. При Rm< 1 коэффициент турбулентной диффузии растет пропорционально квадрату магнитного числа Рейнольдса, а при Rm >1 становится пропорциональным коэффициенту турбулентной вязкости. Noskov V., Denisov S., Stepanov R., Frick P. Turbulent viscosity and turbulent magnetic diffusivity in decaying spin-down flow of liquid sodium // Physical Review E, 2012. V.85. 016303.
   
   
   Рук. д.ф.м.н. Фрик П.Г, т.(342) 237-83-22
3. В терминах интегральных характеристик построена модель шнек прессового отжима на основе связанных задач неизотермического течения вязкой смеси и отжимом жидкой компоненты за пределы канала. С использованием экспериментально полученной существенно нелинейной зависимости коэффициента проницаемости экструдата рапса от массовой концентрации масла и уровня давления проведено моделирование отжима при различных значениях параметров процесса. Подробнее Скрыть подробности.
   Ограниченность мировых запасов органических топлив вызывает интерес к поиску других источников. Одним из заменителей может служить биотопливо, полученное из масличных культур, в частности, семян рапса. Наиболее современным способом получения масел является процесс с использованием шнек-пресса. Выбор конструктивных параметров шнек-пресса и технологических режимов отжима связан с адекватным описанием, как самого процесса, так и свойств перерабатываемого материала.
   Целью работы являлось построение математической модели шнек-прессового отжима масличных культур с учетом нелинейности реологических свойств и проницаемости материала, изменения массовой доли компонентов, отжима масла за пределы канала, неизотермичности процесса, существенно влияющих на технологичность и производительность процесса.
   Технология шнек прессового отжима широко используется при переработке масличных культур. При этом количество теоретических моделей этого процесса крайне невелико, ввиду чего выбор оптимальных режимов производиться исключительно исходя из опыта использования шнек прессового отжима и на основании экспериментальных данных.
   Практически полное отсутствие адекватных теоретических моделей во многом обусловлено сложностью задачи, естественным подходом при решении которой является рассмотрение процесса как течения двухкомпонентной вязкой деформируемой среды. Главные трудности при таком подходе состоят в необходимости определения взаимодействия между компонентами при их относительном движении и учете отвода одной компоненты из области течения смеси. Одно из решений указанных трудностей заключается в рассмотрении отжима как процесса фильтрации жидкой компоненты смеси сквозь пористую среду, подчиняющегося закону Дарси.
   Отжимаемый материал рассматривается как двухкомпонентная среда, представляющая смесь жидкости (масла) и деформируемой пористой основы, состоящей в основном из клетчатки. Отжим жидкой фазы изменяет структуру смеси и массовое соотношение между компонентами, и тем самым ее реологические и фильтрующие свойства. Так в диапазоне концентраций 0,45-0.23 коэффициент проницаемости изменяется на полтора-два десятичных порядка и зависит от уровня приложенного давления.
   Предложена модель шнек прессового отжима, в которой процесс рассматривается как совокупность течения в шнеке вязкой двухкомпонентной смеси и фильтрации жидкой компоненты сквозь массив смеси и отжимом ее через проникающую для жидкой фазы стенку.
   Получены результаты моделирования отжима рапса с использованием экспериментально полученных данных о коэффициенте проницаемости экструдата рапса и результатов вискозиметрии рапса при различных скоростях сдвига и массовых концентрациях масла.
   
   
   Рук. д.т.н. Славнов Е.В., т.(342) 237-83-99
4. При экспериментальном изучении неустойчивости концентрационно-капиллярных течений при наличии адсорбированных пленок нерастворимых поверхностно-активных веществ (ПАВ) обнаружен и исследован новый тип вторичных течений, возникающих в результате развития неустойчивости осесимметричного течения Марангони при формировании на свободной поверхности жидкости слоя нерастворимого поверхностно-активного вещества (ПАВ). Подробнее Скрыть подробности.
   Экспериментально исследованы устойчивость и структура концентрационно-капиллярного течения от локализованного источника в присутствии адсорбированного слоя нерастворимого ПАВ. Установлено, что основное аксиально-симметричное течение становится неустойчивым к азимутально-периодическому возмущению, что приводит к появлению поверхностного течения с многовихревой структурой.
   Исследована структура вторичного течения в зависимости от интенсивности основного течения и поверхностной плотности нерастворимого ПАВ. Показано, что азимутальное волновое число увеличивается с ростом числа Марангони и уменьшается при увеличении поверхностной плотности сурфактанта. Определено пороговое значение поверхностной плотности нерастворимого ПАВ, при котором течение Марангони не возникает.
   
   
   Рук. к.ф.м.н. Мизёв А.И., т.(342) 237-83-14)
5. Впервые выведены уравнения, описывающие магнитофорез многочастичных агрегатов в концентрированных магнитных жидкостях. Показано, что присутствие агрегатов усиливает пространственную неоднородность жидкости в градиентном магнитном поле на два порядка (по сравнению с эффектом сегрегации одиночных частиц). Это означает, что корректный расчет концентрационных полей в магнитной жидкости без учета агрегатов невозможен. Подробнее Скрыть подробности.
   Магнитофорез частиц (дрейф частиц в неоднородном магнитном поле) - основная причина пространственного расслоения магнитных жидкостей со временем и нежелательного изменения эксплуатационных параметров устройств, использующих магнитную жидкость в качестве рабочей. Уменьшение магнитофореза является ключевой задачей, решение которой позволит повысить стабильность работы таких устройств. До последнего времени решение задач о магнитофорезе ограничивалось рамками разбавленных растворов, в которых взаимодействием между частицами можно пренебречь. Такой подход не позволяет продвинуться в область высоких концентраций частиц, т. е. в область параметров, наиболее интересных с научной и прикладной точек зрения. В реальных устройствах используются концентрированные растворы, обладающие наибольшей намагниченностью. Существенным продвижением вперед явился вывод уравнения переноса частиц в магнитной жидкости, в котором были учтены основные типы взаимодействий: магнитодипольных, стерических и гидродинамических (Pshenichnikov A.F., Elfimova E.A., Ivanov A.O. // J. Chem. Phys. 2011. Vol. 134). Однако проблема учета агрегатов оставалась нерешенной. Сейчас нами выведена система уравнений, описывающих взаимодействующие потоки одиночных частиц и агрегатов, проведены тестовые эксперименты по магнитофорезу частиц в плоских слоях концентрированных магнитных жидкостей и продемонстрировано хорошее согласие между экспериментальными результатами и расчетными.
   Достаточно широкое распределение частиц по размерам, традиционно наблюдающееся в коммерческих магнитных жидкостях, здесь не учитывается. Сказать что-то определенное о величине этой погрешности пока невозможно. Однако для магнитных жидкостей, использовавшихся в данной работе, она достаточно мала, чтобы не приводить к заметному расхождению между расчетными и экспериментальными данными. По аналогии с нашими предыдущими работами учет стерических взаимодействий проведен нами в рамках приближения Карнагана-Старлинга для системы твердых сфер, а учет магнитодипольных взаимодействий - в рамках модифицированной модели эффективного поля. Обе эти аппроксимации хорошо согласуется с результатами лабораторных и численных экспериментов. Некоторые проблемы могут возникнуть только в области высоких концентраций частиц (более 40% по объему) и больших энергий диполь-дипольных взаимодействий. Лабораторные эксперименты проведены с тонкими горизонтальными слоями магнитной жидкости, обеспечивающими минимальный уровень размагничивающих полей, минимальное влияние силы тяжести и возможность использовать фотометрический метод для измерения локальной концентрации частиц. Исследовано три концентрированных образца магнитной жидкости и во всех случаях измеренный перепад концентрации в пределах ячейки на два порядка превышал перепад, рассчитанный без учета агрегатов. Это очень сильный эффект, который означает, что без учета агрегатов (если они присутствуют в магнитной жидкости) корректный расчет концентрационных профилей невозможен.
   
   
   Рук. д.ф.м.н. Пшеничников А.Ф., т.(342) 237-83-25).
6. Получена оценка влияния малой неконцентричности на малые свободные капиллярные колебания сферической капли, окруженной неконцентрическим сферическим слоем другой жидкости. Поправка к собственным частотам, вызванная неконцентричностью системы, имеет, в общем случае, второй порядок малости по величине неконцентричности. Подробнее Скрыть подробности.
   Спектр колебаний составной капли, состоящей из двух несмешивающихся жидкостей (одна образует центральное жидкое ядро и окружена слоем другой жидкости), похож на спектр колебаний двух связанных гармонических осцилляторов. Из анализа частот можно определить поверхностное натяжение внешней жидкости и натяжение на границе раздела двух жидкостей. В более ранних работах всегда предполагалось, что внутреннее ядро и внешняя оболочка расположены концентрично. Это не всегда так, и в данной работе мы обходим это ограничение, и исследуем влияние неконцентричности системы на спектр колебаний.
   Как можно было ожидать, в отличие от главной части собственной частоты, поправка зависит от абсолютного значения азимутального числа главной моды собственного решения. При некоторых параметрах системы возможно вырождение главной части собственной частоты по двум соседним меридиональным числам главной моды собственного решения.
   Вблизи точки вырождения главной части собственной частоты по двум соседним меридиональным числам главной моды собственного решения, неконцентричность приводит к тому, что при каждом абсолютном значении азимутального числа существуют два различных значения поправки к собственной частоте. Каждому из двух значений поправки соответствует свое собственное решение. Главные части этих решений состоят из двух мод с соседними меридиональными числами, по которым происходит вырождение.
   Показано, что, в пределе слабой динамической связи поверхностей раздела сред, неконцентричность системы не влияет на собственные частоты ее свободных колебаний
   
   
   Рук. д.ф.м.н. Любимова Т.П., т.(342) 237-83-31)
7. Впервые обнаружено, что при конечных значениях капиллярного параметра движение линии контакта сред приводит к затуханию свободных колебаний. Влияние диссипации приводит к ограничению максимальной амплитуды колебаний в резонансе, а также к сдвигу резонансной частоты. Подробнее Скрыть подробности.
   Рассмотрены собственные и вынужденные колебания деформированной капли невязкой жидкости, окруженной другой жидкостью и ограниченной в осевом направлении твердыми плоскостями. В равновесии капля представляет собой фигуру вращения и имеет большое отношение радиуса к высоте. Равновесный краевой угол между боковой поверхностью капли и твердой поверхностью отличен от прямого. Движение контактной линии учитывается с помощью эффективного граничного условия: скорость движения контактной линии пропорциональна углу отклонения. Найдено, что существуют три характерных масштаба частот собственных колебаний. Высокие частоты не зависят от азимутального числа и для прямого равновесного краевого угла соответствуют частотам капиллярных волн на поверхности жидкости. Низкие частоты не зависят от волнового числа и при больших значениях капиллярного параметра совпадают с основными частотами собственных колебаний цилиндрической капли. Промежуточный характерный масштаб частот соответствует основной частоте трансляционной моды собственных колебаний.
   
   
   Рук. д.ф.м.н. Любимова Т.П., т.(342) 237-83-31).
8. Найден новый механизм генерации среднего течения около искривленной свободной поверхности, связанный исключительно со средней кривизной поверхности и нечувствительный к пульсационным деформациям. Подробнее Скрыть подробности.
   Исследование вибрационного воздействия на поведение неоднородных гидродинамических систем представляет фундаментальный интерес благодаря разнообразию наблюдаемых эффектов. Одним из таковых является возникновение осредненных течений, мало меняющихся за период вибраций. Так, в динамическом пограничном слое около твердой стенки, обтекаемой неоднородным пульсирующим потоком, происходит генерация средней завихренности. При этом на внешней границе пограничного слоя средняя касательная скорость отлична от нуля и ее значение может быть использовано в качестве граничного условия при нахождении среднего течения в основной области движения.
   Для плоской поверхности раздела двух жидкостей кроме аналогичного механизма генерации существует еще и механизм Дора, определяющий эффективные касательные напряжения. Для случая свободной плоской поверхности оба указанных механизма не работают, и лишь при наличии деформаций поверхности появляется еще один механизм - механизм генерации Лонге-Хиггинса, заключающийся в том, что средние течения формируются бегущими по свободной поверхности волнами.
   Найден новый механизм генерации, связанный исключительно со средней кривизной поверхности, нечувствительный к пульсационным деформациям. Для этой цели рассматривался пузырек газа, взвешенный в заполняющей все пространство жидкости. Исследуемая система находилась под действием гармонических вибраций малой амплитуды. Вязкость и плотность газа в пузырьке предполагались исчезающе малыми, что позволяет пренебречь движением газа. Предполагалось, что окружающая жидкость и газ в пузырьке несжимаемы. Во втором порядке разложения вокруг пузырька возникает стационарное течение, причем пульсационные деформации поверхности не влияют на генерацию этого течения.
   Таким образом, среднее течение возможно и тогда, когда поверхность недеформируемая. Среднее течение генерируется в вязком пограничном слое около пузырька и распространяется за его пределы. Оно имеет вид двух симметричных тороидальных вихрей. В пределе высокочастотных вибраций получены формулы, задающие величину вязких напряжений на внешней границе пограничного слоя. Эффективные напряжения пропорциональны квадрату кривизны поверхности и кубу толщины пограничного слоя Стокса. В отличие от генерации около твердой поверхности вязкость существенно входит в результат: при вязкости, стремящейся к нулю, исчезает и генерация.
   Таким образом, генерация среднего течения возможна не только около твердой поверхности, но и около свободной недеформируемой поверхности.
   
   
   Рук. д.ф.м.н. Любимова Т.П., т.(342) 237-83-31).
9. Исследована линейная устойчивость двухслойной системы, моделирующей месторождения природных гидратов в условиях арктической вечной мерзлоты. Найдено, что система устойчива лишь в ограниченном диапазоне параметров. Обнаружено, что неустойчивости способствуют высокая проницаемость отложений, большая толщина слоев лед-газ и гидрат-газ и большой геотермальный градиент. Значения параметров, при которых наблюдается неустойчивость, являются геологически возможными. Следовательно, месторождения природных гидратов в условиях арктической вечной мерзлоты, могут существовать только в зонах с относительно низкой проницаемостью, в виде сравнительно тонких слоев (с общей толщиной в несколько сотен метров).
   Подробнее Скрыть подробности.
   Исследована линейная устойчивость двухслойной системы, моделирующей месторождения природных гидратов в условиях арктической вечной мерзлоты. Газовые гидраты представляют собой минералы, состоящие из молекул газа, заключенных в ячейки из молекул воды. Это так называемые соединения включения: молекулы воды связываются между собой водородными связями и формируют каркасы с обширными полостями внутри. Между молекулами газа и воды химических связей не образуется, они удерживаются только слабыми межмолекулярными ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями. Газовые гидраты содержат в себе большие запасы метана и рассматриваются как перспективный источник ископаемого топлива. Однако разработка месторождений газовых гидратов может привести к негативным последствиям, поскольку попутное выделение метана в атмосферу приведет к усилению парникового эффекта. Поэтому важно исследовать условия устойчивости слоев гидратов.
   Рассматриваемая система состоит из двух однородных слоев в пористой матрице: зоны устойчивости гидрата, в которой сосуществуют гидрат и метан, и расположенного ниже слоя, который содержит лед и метан. Предполагается, что температура во всей системе ниже точки плавления льда.
   Найдено, что система устойчива лишь в ограниченном диапазоне параметров. В частности, обнаружено, что неустойчивости способствуют высокая проницаемость отложений, большая толщина слоев лед-газ и гидрат-газ и большой геотермальный градиент. Значения параметров, при которых наблюдается неустойчивость, являются геологически возможными.
   Следовательно, месторождения природных гидратов в условиях арктической вечной мерзлоты, могут существовать только в зонах с относительно низкой проницаемостью, в виде сравнительно тонких слоев (с общей толщиной в несколько сотен метров).
   Таким образом, проведенный анализ не подтверждает гипотезу о том, что неустойчивость зон устойчивого гидрата, индуцированная повышением температуры из-за глобального потепления, может привести к самоподдерживаемуся ускоряющемуся плавлению гидратов. Увеличение локальной температуры в существующих зонах устойчивого гидрата, приведет к таянию гидратов на нижней и возможно верхней границах. Это вызовет уменьшение толщины слоя гидрата и, таким образом, сделает систему более устойчивой. Кроме того, глобальное потепление может привести к некоторому снижению геотермального градиента, и, таким образом, к дальнейшей стабилизации системы.
   
   
   Рук. д.ф.м.н. Любимова Т.П., т.(342) 237-83-31)

Важнейшие результаты прикладных исследований

3.6. Механика твердого тела, физика и механика деформирования и разрушения, механика композиционных и наноматериалов, трибология

1. Создана экспериментальная установка, позволяющая исследование деформационных свойств жаропрочных сплавов в условиях динамического деформирования; разработаны методики верификации моделей динамического деформирования титановых сплавов, в том числе с субмикрозеренной структурой. Подробнее Скрыть подробности.
   Создана экспериментальная установка, позволяющая исследование динамического деформирования и разрушения жаропрочных сплавов при повышенных температурах (до 800 С), что представляет интерес применительно к оценке прочностных свойств и верификации моделей, применительно к оценке ресурса перспективных жаропрочных сплавов, применяемых в газотурбинных двигателях авиационного назначения.
   Проведен цикл исследований поведения жаропрочных титановых сплавов, используемых в изделиях ОАО "Сатурн", развиты подходы по верификации определяющих соотношений, которые могут быть использованы в коммерческих вычислительных пакетах.
   
   
   
   Рук. д.ф.м.н. Наймарк О.Б., т.(342) 237-83-12)

3.5. Общая механика, динамика космических тел, транспортных средств и управляемых аппаратов; биомеханика; механика жидкости, газа и плазмы, неидеальных и многофазных сред; механика горения, детонации и взрыва

1. Разработан и изготовлен датчик для измерения взаимных перемещений различных объектов, в том числе отдельных участков деформируемых тел. Датчик характеризуется высокой чувствительностью, помехозащищенностью, термостабильностью и большой базой относительных перемещений. Группа датчиков может быть объединена в измерительную систему, подключенную к компьютеру со скоростью опроса датчиков может достигать 300 измерений в секунду. Подробнее Скрыть подробности.
   При измерении взаимных перемещений различных объектов и отдельных участков деформируемого тела большое значение имеет диапазон измерений. Разработанный датчик имеет: диапазон измерямых перемещений - 100 мм; чувствительность - 0.37 вольт/мм; частота возбуждения - 3 кГц. При изменении окружающей температуры от +25°С до -15°С погрешность измерения составляет 5%. Высокая помехозащищенность достигается низким выходным сопротивление датчика и наличием интегрирующих цепочек. Работа датчика основана на методе импульсного возбуждения катушки индуктивности и измерения ЭДС индукции. Для улучшения метрологических характеристик датчик снабжен генератором стабильного тока возбуждения.
   
   Датчик защищен патентом на изобретение - положительное решение от 07.08.12 г. по заявке №2011130094.
   
   
   Рук. д.т.н. Славнов Е.В., т.(342) 237-83-99
2. Предложен новый неинвазивный метод оценки состояния сурфактантной системы легких, основанный на сборе нативного материала путем барботации выдыхаемого воздуха. Показано, что собираемого даже за один выдох сурфактанта достаточно для проведения дальнейших исследований методами динамической тензиометрии. Результаты сравнительных измерений, выполненных в клинических условиях, позволяют рассматривать предлагаемый метод как перспективное направление в ранней диагностике заболеваний легких.
   Подробнее Скрыть подробности.
   Разработан новый неинвазивный метод сбора легочного сурфактанта путем барботации выдыхаемого воздуха, позволяющий многократно повысить эффективность процесса по сравнению с методами, существующими в настоящее время.
   Предлагаемый метод более прост в реализации, отличается меньшим временем сбора необходимого материала и более комфортной процедурой для пациента. Показано, что собираемого даже за один выдох сурфактанта достаточно для проведения дальнейших исследований методами динамической тензиометрии.
   Разработан и создан измерительный комплекс, включающий специализированный лоток для сбора и барьерную систему Ленгмюра-Блоджет, для исследований поверхностных свойств нативного материала.
   Сравнительные измерения, проведенные в клинических условиях на репрезентативных группах здоровых и пациентов "Краевого противотуберкулезного клинического диспансера № 1" (г. Пермь), продемонстрировали достоверное различие в измеряемых параметрах, что позволяет рассматривать предложенный метод как перспективное направление в ранней диагностике заболеваний легочной системы и в мониторинге лечебного процесса.
   Подана заявка на изобретение "Способ оценки состояния легочного сурфактанта" (авторы: Мизев А.И., Трофименко А.И., Пеленева И.М.) № 2012127593 от 02.07.2012).
   
   
   Рук. к.ф.м.н. Мизёв А.И.,т.(342) 237-83-14)

Details

Category: Наука

Published: 22 April 2015

Hits: 8128

Важнейшие результаты фундаментальных и прикладных исследований,
выполненных в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки
Институте механики сплошных сред Уральского отделения
Российской академии наук в 2013 году

23. Механика деформирования и разрушения материалов, сред, изделий, конструкций, сооружений и триботехнических систем при механических нагрузках, воздействии физических полей и химически активных сред.

1. Впервые установлено в экспериментах по деформирование природных материалов (на примере гранита) с "in-situ" регистрацией многомасштабных полей смещений (деформаций) и последующим анализом пространственно-временной динамики формирование уединенных (продольных и поперечных) волн локализованной деформации, распространяющихся по боковой поверхности образцов. Скорость распространения таких деформационных волн на 6-7 порядков меньше чем характерная скорость звука в граните и уменьшается с ростом приложенного напряжения. Установлена корреляция момента и координаты выхода магистральной трещины из объема на поверхность образца с "фокусировкой" волны локализованной деформации в месте выхода трещины на поверхность. Данная особенность может быть использована как прогностический признак сейсмических событий и критических событий техногенного характера. (Индекс направления 3.6).  Подробнее Скрыть подробности
   
   
   
   

   (a) поперечная деформация	(б) продольная деформация
   Рис.1 Волны локализованной поперечной (а) и продольной (б) деформации на поверхности образца гранита при одноосном сжатии (уровень нагузки - 72% от разрушающей).

   Проведенный комплекс экспериментов по квазистатическому одноосному сжатию гранитов различных месторождений (Исетское (Свердловская обл.), Мансуровское (Башкоркостан)) с использование метода корреляции цифровых изображений позволил установить, что процесс деформирования гранитного образца протекает однородно только на самом первом этапе деформирования (до деформации 0.02-0.03%). Далее, процесс деформирования реализуется в виде последовательно распространяющихся по поверхности образца волн локализованной деформации различного типа (продольных и поперечных). Показано, что волны локализованной поперечной деформации появляются почти с самого начала деформирования, тогда как волны локализованной продольной деформации появляются, начиная с уровня напряжения 60-65% от разрушающего. В среднем, деформация внутри волн локализованной деформации отличается от величины фоновой деформации (вне волны) от 2 до 5 раз в большую сторону. Скорость распространения таких деформационных волн на 6-7 порядков меньше чем характерная скорость звука в граните и уменьшается с ростом приложенного напряжения. Установлено, что после формирования магистральной трещины в объеме образца деформационные волны обоих типов начинают концентрироваться около места ее выхода на поверхность.
   
   (Рук. д.ф.м.н. Наймарк О.Б., т.(342) 237-83-12).
   
   
2. Предложена математическая формулировка спектральной задачи о взаимодействии трёхмерной оболочки произвольного поперечного сечения с жидкостью и её численная реализация на основе метода конечных элементов (Индекс направления 3.6). Подробнее Скрыть подробности
   
   
   Разработанная линеаризованная модель позволяет получить приемлемые оценки собственных частот, форм колебаний и критических скоростей жидкости, необходимые при проектировании оболочечных конструкций, взаимодействующие с неподвижной или текущей жидкой средой и нагруженных различными силовыми факторами. Предложенный численный алгоритм даёт возможность за короткое время проанализировать широкий спектр различных параметров, качественно влияющих на границу устойчивости. Решение задачи осуществляется в трёхмерной постановке с использованием метода конечных элементов. Сжимаемая жидкость в рамках потенциальной теории описывается волновым уравнением, которое совместно с условием непроницаемости и соответствующими граничными условиями преобразуются с помощью метода Бубнова-Галёркина. Для математической постановки задачи динамики тонкостенной конструкции используется вариационный принцип возможных перемещений, учитывающий работу сил инерции, гидродинамическое давление, действующее на смоченной поверхности, и предварительное напряжённое недеформированное состояние, вызванное влиянием различных силовых факторов, действующих на оболочку. Решение задачи сводится к вычислению собственных значений связанной системы уравнений. В результате параметрического анализа получены новые количественные и качественные закономерности для собственных частот и форм колебаний круговых и эллиптических оболочек, полностью или частично заполненных жидкостью. Показано, что величина внешнего равномерного давления, приводящая к потере устойчивости, может не зависеть от уровня заполнения. Исследовано влияние силовых факторов, в том числе стационарных сил вязкого сопротивления жидкости, на собственные частоты и формы колебаний, границу устойчивости круговых и эллиптических цилиндрических оболочек, взаимодействующих жидкостью. Обнаружено, что граница гидроупругой устойчивости существенно зависит от отношения полуосей эллипса.
   Рук. акад. РАН Матвеенко В.П., т.(342) 237-84-61.
   
   
3. Построена и аттестована термомеханическая модель поведения сплава с памятью формы при больших деформациях. (Индекс направления 3.6). Подробнее Скрыть подробности
   
   

   
   
   Рис. 2а

   В рамках разрабатываемого подхода к построению моделей термомеханического поведения сложных сред при больших деформациях и структурных изменениях в материалах получены соотношения, удовлетворяющие принципам термодинамики и объективности, и описывающие аустенитно-мартенситный фазовый переход при конечных деформациях. Основываясь на первом законе термодинамики, построено соответствующее этому процессу уравнение теплопроводности. Полученные соотношения аттестованы на ряде задач о поведении сплава с памятью формы при больших деформациях.
   1. Двухслойная пластина: верхний слой - бериллиевая бронза, нижний слой - сплав с памятью формы (СПФ). Пластина из СПФ, находясь при температуре, соответствующей аустенитной фазе, растягивается осевым усилием, охлаждается до температуры, соответствующей мартенситной фазе (происходит прямой аустенитно-мартенситный фазовый переход), и нагрузка снимается. После этого пластины скрепляются (положение их показано на рис. 2a пунктирной линией) и нагреваются до температуры, соответствующей аустенитной фазе СПФ. В результате обратного фазового перехода двухслойная пластина изгибается, как показано на рис. 2a сплошной линией.
   
   

   
   Рис. 2б

   2. Пластина из СПФ изгибается при температуре, соответствующей аустенитной фазе, охлаждается до температуры, соответствующей мартенситной фазе (происходит прямой аустенитно-мартенситный фазовый переход), и изгибающая нагрузка снимается (положение пластины показано на рис. 2б сплошной линией). Затем производится нагрев пластины до температуры, соответствующей аустенитной фазе. В результате обратного фазового перехода пластина распрямляется и занимает положение, показанное на рис. 2б пунктирной линией.
   
   Рук. д.ф.м.н. Роговой А.А., т.(342) 237-84-59.
   
   
4. Компьютерные исследования искажения формы изделий в процессе их изготовления методом литья под давлением показали, что введение в термопластичный полимер нанонаполнителя с отрицательным коэффициентом температурного расширения может практически полностью исключить коробление изделия (Индекс направления 3.6). Подробнее Скрыть подробности
   
   
   Коробление изделий в процессе литья под давлением препятствует повышению производительности литьевых установок, которое может быть достигнуто за счет существенного увеличения скорости охлаждения. Возникает коробление за счет усадки термопластичного полимера при охлаждении, величина которой зависит от скорости охлаждения. Изменить процесс может введение в термопластичный полимер мелкодисперсного наполнителя с отрицательным коэффициентом температурного расширения. На конкретном примере с помощью компьютерного моделирования показано, что использование для изготовления изделия из нанокомпозита с полиэтиленовой матрицей и частицами титаната-цирконата свинца позволяет практически полностью устранить эффект коробления при содержании наполнителя более 30% по объему.
   Рук. д.ф.м.н. Гаришин О.К., т.(342) 237-83-15.
   
   
   
5. Разработан метод двухуровневой визуализации изображений поверхности полимерных нанокомпозитов, получаемых с помощью атомно-силовой микроскопии, который позволяет выявить области малой кривизны, области высокой кривизны (частицы наполнителя), построить поверхность нулевого уровня, определить геометрию больших неоднородностей структуры на заданном масштабном уровне (Индекс направления 3.6). Подробнее Скрыть подробности
   
   
   Предложен метод расшифровки данных атомно-силовой микроскопии о рельефе поверхности полимерного нанокомпозита. Для получения изображений с разной степенью детализации используются интегральные преобразования. Вычитание изображений с разной степенью детализации позволяет получить изображение с неоднородностями исследуемого масштабного уровня. Эти неоднородности необходимы для количественной оценки качества изготовления материала. Информация об уровнях с разной степенью детализации дает возможность выделить для количественного анализа области, находящиеся ниже уровня макроскопической границы материала, а также области малой и области высокой кривизны, находящиеся выше уровня макроскопической границы материала. Выступающие области с высокой кривизной представляют собой частицы нанонаполнителя, расположение которых далее используется для анализа особенностей структуры материала.
   Рук. д.ф.м.н. Свистков А.Л., т.(342) 237-83-15.
   
   
6. Исследованы межчастичные силы в мягком магнитном эластомере (Индекс направления 3.6). Подробнее Скрыть подробности
   
   
   Функциональность мягких магнитных эластомеров (ММЭ) обусловлена их сильным откликом на приложенное поле. Описание этих эффектов составляет содержание магнитомеханики ММЭ.
   Критически рассмотрена самая популярная модель мезоскопической теории ММЭ: предположение о том, что микрочастицы ферромагнетика при намагничивании взаимодействуют как точечные диполи.
   С помощью разработанного МКЭ кода показано, что в парном кластере:

   • угловой интервал (?0), в котором направление межцентрового вектора частиц соответствует притяжению, существенно шире того, который следует из модели точечных диполей;
   • ужe при зазоре между поверхностями частиц порядка половины их радиуса, точное значение межчастичной силы на десятки процентов превышает предсказания точечной модели.

   Таким образом следует ожидать, что в системе магнито-поляризующихся частиц основным доминирующим типом магнитного взаимодействия является притяжение.
   Этот вывод позволяет понять факт, хорошо известный из эксперимента: при намагничивании ММЭ частицы собираются в агрегаты, содержащие в поперечном сечении несколько частиц.
   Рук. д.ф.м.н. Райхер Ю.Л., т.(342) 237-83-23.
   22. Механика жидкости, газа и плазмы, многофазных и неидеальных сред, механика горения, детонации и взрыва
7. Краевая задача о концентрационном и магнитном полях и силах, действующих на постоянный магнит, помещенный в прямоугольную полость с магнитной жидкостью решена с учетом магнитофореза частиц и межчастичных взаимодействий. Определена зависимость результирующей силы, действующей на магнит, от его смещения из положения равновесия, энергии межчастичных взаимодействий и концентрации частиц. Показано, что учет магнитофореза и межчастичных взаимодействий может привести к изменению этой силы на один - два порядка. (Индекс направления 3.5). Подробнее Скрыть подробности
   
   
   Задачи о силах, действующих на тело, погруженное в магнитную жидкость, рассматриваются в литературе, начиная с классических работ Розенцвейга, в которых были выведены уравнение Бернулли для магнитной жидкости, магнитный скачок давления на границе намагничивающихся сред и общая формула, связывающая силу, действующую на немагнитное тело, с намагниченностью жидкости. Интерес к этим задачам связан, в частности, с теоретическим обоснование работы магнитожидкостного сепаратора, разделяющего частицы цветных металлов по плотности, и магнитожидкостного акселерометра, в котором в качестве инерционной массы используется постоянный магнит или немагнитное тело, левитирующие в магнитной жидкости. Главной особенностью известных решений является то, что они получены в рамках приближения разбавленных растворов. В этом случае пренебрегается межчастичными взаимодействиями (стерическими, магнитодипольными и гидродинамическими) и пренебрегается магнитным полем, создаваемым самой жидкостью (т.е. размагничивающим полем). Как правило, пренебрегается также магнитофорезом коллоидных частиц и процессами диффузии. Все эти предположения накладывают серьезные ограничения на область применения полученных результатов, так ка в реальных устройствах используются концентрированные растворы. Межчастичные взаимодействия могут увеличить намагниченность жидкости в два - три раза, а размагничивающие поля могут привести к дополнительной сегрегации частиц. Пренебрежение магнитофорезом и диффузией частиц означает, что известные решения справедливы только на ограниченном промежутке времени, малом по сравнению с временем установления равновесного распределения частиц в полости.
   Основной целью данной работы является количественная оценка роли этих факторов на примере прямоугольной полости с магнитной жидкостью и постоянным магнитом. Выбранная геометрия соответствует простейшему одноосному магнитожидкостному акселерометру. Задача решена численно в двумерной постановке. Уравнения, описывающие массообмен с учетом основных типов межчастичных взаимодействий (магнитодипольных, стерических и гидродинамических) были выведены нами ранее (Pshenichnikov A.F., Elfimova E.A., Ivanov A.O. // J. Chem. Phys. 2011. Vol. 134).
   Наши исследования продемонстрировали, что эффекты, которыми раньше пренебрегали в подобного рода задачах, могут изменить силовые характеристики системы на один - два порядка.
   Рук. д.ф.м.н. Пшеничников А.Ф., т.(342) 237-83-25.
   
   
8. Предложена многомасштабная модель генерации галактического магнитного поля, которая предсказывает возникновение инверсий крупномасштабного и формирование спиральных рукавов. Подчеркивается особый вклад мелкомасштабного динамо в формирование реалистичных распределений. (Индекс направления 3.5). Подробнее Скрыть подробности
   
   
   
   
   

   Возникающие локальные инверсии могут перерастать в глобальные и существовать на характерных временах сравнимых с возрастом галактик (см. рис. слева). В рамках предложенной концепции было естественно изучить влияния оптических спиральных рукавов, где интенсивность звёздообразования выше, на распределение крупномасштабного магнитного поля. Вопреки ожиданиям среднее магнитное поле слабо коррелирует с оптическими рукавами. Однако удалось объяснить наблюдаемый контраст регулярного магнитного поля в рукавах и между ними (см. рис. справа).

   Усилия по построению модели галактического динамо делаются начиная с 80х годов, что позволило установить основные физические механизмы генерации магнитного поля. Однако детали полученных теоретических результатов в значительной степени расходятся с данными, пусть и малочисленными, но достаточно качественно выполненных наблюдений магнитных полей галактик. Даже вопрос симметрии генерируемых полей пока не имеет однозначного решения. В своем исследовании мы отказываемся попытки прямого численного моделирования трехмерных распределений магнитного, которое при всех своих достоинствах в силу больших вычислительных затрат не позволяет в достаточной мере исследовать параметрическое пространство модели на статистически представительном числе реализаций. Мы используем квазидвумерную модель среднего поля с подсеточной моделью мелкомасштабного динамо, которая и представляет основой элемент новизны. Это элемент позволяет эффективно учесть принципиально важный процесс усиления магнитного поля за счет взрывов сверхновых. Вносимое таким образом мелкомасштабное магнитное поле, динамика которого описывается каскадными моделями МГД турбулентности, подхватывается процессом динамо среднего поля и дает характерные для наблюдений неоднородности распределения.
   
   Moss D., Beck R., Sokoloff D. Stepanov R., Krause M., Arshakian T. G. The relation between magnetic and material arms in models for spiral galaxies // Astronomy and Astrophysics. 2013. Vol. 556. Id.147
   
   Moss D., Stepanov R., Arshakian T. G., Beck R., Krause M., Sokoloff D. Multiscale magnetic fields in spiral galaxies: evolution and reversals // Astronomy and Astrophysics. 2012. Vol. 537. Id.86
   (Рук. д.ф.м.н. Степанов Р.А., т.(342) 237-83-94).
   
   
9. При помощи разработанного в 2011-2012 годах комплекса неинвазивных методов оценки состояния периферического кровообращения человека были исследованы нарушения микроциркуляции различного генеза, а именно: для больных сахарным диабетом и пациентов с нарушением теста толерантности к глюкозе получены данные о нарушении механизмов регуляции функции эндотелия; доказана эффективность предложенных методов при диагностике хронической артериальной недостаточности и указаны преимущества метода по сравнению с принятыми в широкой практике. (Индекс направления 3.5). Подробнее Скрыть подробности
   
   
   Микроциркуляция крови обеспечивает транспорт биологических жидкостей на тканевом уровне. Это понятие включает в себя капиллярное кровообращение (движение крови по микрососудами капиллярного типа), обращения интерстициальной жидкости и веществ по межклеточным пространствам, ток лимфы по лимфатическим сосудами. Совокупность всех сосудов, обеспечивающих микроциркуляцию, называется микроциркуляторным руслом и включает в себя капилляры, венулы, артериолы, артериовенулярные анастомозы, лимфатические капилляры. Основная функция микроциркуляции состоит в транспорте крови и веществ к тканям и от тканей. Для исследования микроциркуляции крови применяются различные методики, так и неинвазивные. Для исследования физиологических свойств микроциркуляторного русла предпочтительны неинвазивные методики, наиболее распространенным из которых, является метод лазерной допплеровской флоуметрии (ЛДФ). Этот метод имеет следующие недостатки: 1) измерения может проводить только специально обученный персонал, 2) метод чувствителен к условиям проведения измерений, 3) дороговизна прибора. Поэтому работа коллектива сосредоточена на возможности использования для оценки функционального состояния микроциркуляции других методик, таких как фотоплетизмография и контактная термометрия. Созданный комплекс исследовательских и диагностических методик может быть широко использован в фундаментальных научных исследованиях и медицинской практике. Сочетанное применение комплекса исследовательских методик создаст базу для внедрения технологий раннего выявления и мониторинга эндотелиальной дисфункции как прогностического фактора риска сердечно-сосудистой патологии, что создаст предпосылки к совершенствованию методов лечения и позволит повысить эффективность комплекса мероприятий, направленных на улучшение качества жизни больных с нарушениями микроциркуляции.
   E. Smirnova, S. Podtaev, I. Mizeva, E. Loran Assessment of endothelial dysfunction in patients with impaired glucose tolerance during a cold pressor test // Diabetes and Vascular Disease Research, 2013 V 10 Issue 6 pp. 489 - 497
   J. Allen, C. Di Maria, I. Mizeva and S. Podtaev Finger microvascular responses to deep inspiratory gasp assessed and quantified using wavelet analysis //Physiological Measurement 2013, V. 34 N. 7 pp 769-781
   Рук. к.ф.-м.н. Подтаев С.Ю., к.ф.-м.н. Мизева И.А., т.(342) 237-83-94.
   
   
10. Исследована эволюция структуры и критические режимы при плоскопараллельных течениях вязкоупругих жидкостей (Индекс направления 3.5). Подробнее Скрыть подробности
    
    
    Известно, что не каждое решение нелинейных уравнений движения фактически реализуется в природе. Реально существующие типы движений демонстрируют устойчивость к малым возмущениям. Полученные профили скорости должны быть динамически и кинематически допустимыми, то есть удовлетворять не только гидродинамическим уравнениям, но и законам термодинамики, условиям на границах и лежать в пределах рассматриваемой геометрической зоны. Исследовалась модифицированная модель Виноградова-Покровского для концентрированных растворов и расплавов полимеров, которая получена из анализа динамики невзаимодействующих гантелей, движущихся в нелинейной анизотропной среде. Гантель состоит из двух бусинок, соединённых пружинкой, а ее форма и ориентация в потоке характеризуется тензором анзотропии. Аналитически получены все действительные решения задачи плоскопараллельного течения нелинейной упруговязкой жидкости в канале под действием заданного перепада давления. Получены распределения компонент тензора анизотропии, скорости и градиента скорости по высоте канала для различных параметров реологической модели. Показано, что для значений перепада давления выше критических наблюдается неоднозначность решения, приводящая к тангенциальным разрывам в профилях скоростей и компонент тензора анизотропии. Установлено, что в такой постановке задача имеет множество решений, по крайней мере одно из которых является действительным. Из полученных решений выделены заведомо физически недопустимые и определены критические параметры задачи.
    

    Рис.4a Зависимость касательной компоненты тензора напряжений от скорости сдвига. (Кривая a - , b - , c - ).		Рис.4б Профили скорости, под действием одного и того же перепада давления, при . (Кривая 1 -в режиме нагружения, 2- в режиме разгрузки)

    
    Сравнение численных результатов с аналитическим решением показало, что в докритическом режиме результаты идентичны, а в закритическом режиме численное решение дает сглаживание скачков в распределении нормальных составляющих тензора анизотропии и предсказывает заниженные значения продольной скорости в режиме активного нагружения и завышенные - в режиме разгрузки. В области параметров задачи, в которых появляется неединственность решения, как в аналитическом, так и в численном решениях при одном и том же перепаде давления существуют два профиля скорости, отличающихся по форме и расходу.
    Рук. д.т.н. Славнов Е.В., т.(342) 237-83-99.
    
    
11. Экспериментально обнаружен и исследован новый класс вторичных течений, возникающих при взаимном натекании двух смешивающихся жидкостей в горизонтальном канале. (Индекс направления 3.5). Подробнее Скрыть подробности
    
    
    Экспериментально исследована устойчивость и структура течения, возникающего при переводе в горизонтальное положение вертикального канала прямоугольного сечения, послойно заполненного системой взаиморастворимых жидкостей. Изначально система устойчиво стратифицирована по плотности. Визуализация течения интерферометрическим методами выявила формирование вторичных конвективных структур в зоне смешивания жидкостей. Показано, что возникновение обнаруженных структур происходит пороговым образом. Предложен физический механизм, отвечающий за развитие данного типа неустойчивости, основанный на формировании в пристеночных областях потока потенциально неустойчивых зон распределения плотности.
    Рук. к.ф.м.н. Мизёв А.И., т.(342) 237-83-14.
12. Разработан параллельный решатель для графических процессоров, способный быстро и точно проводить нестационарные расчёты течения газа. С помощью разработанного программного комплекса решены две задачи. Первая из них - расчёт генерации звука модельным соплом, вторая - расчёт обтекания модельной турбинной лопатки. По большинству исследуемых характеристик получено хорошее согласие с экспериментальными данными (Индекс направления 3.5). Подробнее Скрыть подробности
    
    
    В настоящее время большинство инженерных газодинамических расчётов проводится методами низкого порядка, в стационарных постановках, а также с использованием условий пространственной периодичности. Данные постановки мало- или совсем непригодны для расчёта нестационарных явлений, таких как генерация шума турбулентным потоком. Данная задача является актуальной для авиа- и двигателестроения, поскольку нормы по шуму в данной области постоянно ужесточаются.
    Для решения указанных задач был разработан решатель, позволяющий быстро и точно проводить нестационарные расчёты. В разработанном пакете уравнение Навье-Стокса для идеального газа решается методом конечных разностей высокого порядка. В качестве схемы для аппроксимации пространственных производных служат 13-точечная схема типа DRP (Dispersion Relation Preserving) 4го порядка, оптимизированная для расчёта распространения волн. Для временных производных используется оптимизированная схема Рунге-Кутты (Low Dissipation and Dispersion RK). В решателе реализован неявный метод крупных вихрей (LES-RF) с помощью специальной селективной фильтрации, диссипирующей энергию с малых масштабов на каждом шаге по времени. Решатель использует графические процессоры (ГПУ) для расчёта. ГПУ - это современные вычислительные системы, имеющие большое число ядер (до порядка 3000) и высокую производительность. Ускорение, достигаемое в данной работе с использованием ГПУ, составляет порядка 12-20 раз для 1 ГПУ M2090 в сравнении с современным 8-ядерным процессором от Intel.
    С помощью разработанного программного пакета решены две задачи. Первая из них - расчёт генерации шума модельным дозвуковым соплом. В данном расчёте было использовано модельное коническое сопло с числом Маха на выходе, равном 0.9, а также числом Рейнольдса порядка 4 млн. Расчёт проводился на сетке в 12 миллионов узлов и занимал порядка недели. Шум в дальнем поле рассчитывался методами акустической аналогии (интеграл Фокс-Вильямс-Хокингса). Расхождение с экспериментом по уровню шума составляло порядка 3-4 Дб, что можно считать удовлетворительным для данной задачи.
    Второй задачей было определения характеристик обтекания модельного лопаточного профиля. В данной задаче рассматривались потери плоской решётки профилей, расчёт которых является важной прикладной задачей. Кроме того, проводилось сравнение с экспериментальными данными по распределению изэнтропического числа Маха по профилю лопатки. Данное распределение хорошо согласовалось с экспериментом, а потери при различных граничных условиях (режимах) качественно повторяли экспериментальные, но были занижены для больших скоростей обтекания.
    Рук. д.ф.м.н. Любимова Т.П., т.(342) 237-83-31.
    
    
13. Разработан теоретический подход для корректного учета влияния вязкости на устойчивость вынужденных колебаний капли в колеблющейся жидкости отличающейся плотности. Изучены условия возникновения параметрического резонанса в системе в зависимости от характеристик вибраций при корректном учете вязкости и корректном разрешении пограничного слоя вблизи поверхности раздела (Индекс направления 3.5). Подробнее Скрыть подробности
    
    
    В системе, состоящей из жидкой сферической капли, взвешенной в колеблющейся жидкости другой плотности, возможен параметрический резонанс, вызванный взаимодействием мод свободных колебаний посредством трансляционной моды вынужденных колебаний капли. Наличие поверхности раздела сред сравнимой плотности и вязкости обуславливает значительную погранслойность решения для резонансных мод, что не может не отразится на условиях возникновения параметрической неустойчивости в системе. Обнаружено явление антирезонанса, когда, при определенном соотношении вязкостей и плотностей двух жидкостей, известный ранее параметрический резонанс с главной резонансной частотой равной сумме двух соседних собственных частот свободных колебаний капли, оказывается невозможен. В более ранних работах учет вязкости выполнялся в рамках феноменологического подхода, искусственным добавлением в амплитудные уравнения диссипативных членов, что приводит к появлению конечного порога по амплитуде вибраций и сдвигу резонансной частоты. Точный учет вязкости оставляет сдвиг частоты прежним, но пороговая амплитуда вибраций оказывается другой.
    Рук. д.ф.м.н. Любимова Т.П., т.(342) 237-83-31.
    
    
14. Изучено влияние вертикальных вибраций на длинноволновую конвекцию Марангони в подогреваемом снизу слое жидкости. Рассмотрены случаи высокой и низкой теплопроводности подложки. Предполагается, что слой жидкости является достаточно тонким, так что период вибраций сравним с характерным временем релаксации импульса поперек слоя, а амплитуда вибрации велика по сравнению с толщиной слоя. Использован осредненный подход. Для случая высокой теплопроводности подложки получено обобщенное уравнение Кана-Хилларда с добавочным вибрационным слагаемым. Найдено, что в этом случае вибрации стабилизирует слой, но не изменяют направление ветвления, неустойчивость приводит к разрыву слоя. В случае низкой теплопроводности подложки вибрации эффективно увеличивают капиллярное число и также стабилизируют слой (Индекс направления 3.5). Подробнее Скрыть подробности
    
    
    Изучена длинноволновая конвекция Марангони в слое жидкости подогреваемом снизу. Рассмотрены случаи высокой и низкой теплопроводности подложки.
    В первом случае температура подложки поддерживается постоянной, во втором случае задается вертикальный градиент температуры. Система подвергается действию вертикальных гармонических вибраций. Предполагается, что слой жидкости достаточно тонкий, так что период вибраций сравним с характерным временем релаксации импульса поперек слоя, а амплитуда вибраций велика по сравнению с толщиной слоя. Для таких условий, нельзя пренебречь вязкостью при описании пульсационного движения и усреднить задачу стандартным образом. Однако, осредненное описание возможно, т.к. разница периода вибрации и типичного времени эволюции свободной поверхности велика. Последнее условие соответствует длинноволновой конвекции. Таким образом, может быть использован осредненный подход, основанный на разложении полей на среднюю и пульсационную части.
    В случае высокой теплопроводности мы имеем дело с конечными значениями числа Био, которое характеризует поток тепла от свободной поверхности. В этом случае получается обобщенное уравнение Кана-Хилларда с добавочным вибрационным слагаемым, которое является таким же, как в изотермическом случае. Вибрации стабилизируют слой, но не изменяют направление ветвления. Неустойчивость приводит к разрыву слоя. В случае низкой теплопроводности число Био мало. Этот случай более сложен, т.к. колебания температуры возникают также из-за адвекции. Уравнения для средних полей получаются аналогичными. В частности, в задаче линейной устойчивости вибрации эффективно увеличивает капиллярное число и, следовательно, стабилизирует слой.
    Рук. д.ф.м.н. Любимова Т.П., т.(342) 237-83-31.
    
    

    Важнейшие результаты прикладных исследований

    
    23.Механика деформирования и разрушения материалов, сред, изделий, конструкций, сооружений и триботехнических систем при механических нагрузках, воздействии физических полей и химически активных сред
    
    
15. Разработаны экспериментальный комплекс и методика многомасштабного анализа развития поврежденности в природных, конструкционных и композитных материалах, основанная на "in-situ" регистрации данных оптических изображений полей смещений (деформаций), временной динамики акустоэмиссии и последующей обработки данных с использованием локализованного (вейвлет) базиса. Методика позволяет оценку предельного состояния образцов по степени многомасштабной связности зон дисперсного разрушения и возможность применения методики для оценки критического состояния конструкций в широком диапазоне интенсивностей нагружения. (Индекс направления 3.6). Подробнее Скрыть подробности
    
    Созданный экспериментальный комплекс (Рис.5) позволяет регистрацию "in-situ" оптических изображений полей смещений (деформаций) с использованием системы высокого разрешения STRAINMASTER, регистрацию временной динамики акустоэмиссии (система AMSY) и последующую обработки данных применением локализованного (вейвлет) базиса.

    
    
    Рис. 5 Экспериментальный комплекс и оптическая картина распределения неоднородности полей деформаций при деформировании композитного образца.
    
    

    
    Методика позволяет оценку предельного состояния образцов по степени многомасштабной связности зон дисперсного разрушения и возможность применения методики для оценки критического состояния конструкций в широком диапазоне интенсивностей нагружения. Настоящая методика разработана в соответствие с контрактом Объединенной авиакосмической корпорации по оценке надежности конструкций из композиционных материалов.
    Рук. д.ф.м.н. Наймарк О.Б., т.(342) 237-83-12.
    
    22. Механика жидкости, газа и плазмы, многофазных и неидеальных сред, механика горения, детонации и взрыва
    
    
16. Разработан и изготовлен автоматизированный приборный комплекс для измерения импеданса биологических сред. Подробнее Скрыть подробности
    
    
    Многоканальный приборный комплекс предназначен для измерения полного сопротивления (импеданса) и углов фазового сдвига тока и напряжения в биологических средах в широком диапазоне изменения зондирующей частоты и времени измерения. Прибор создан на базе АЦП-ЦАП Zet-210, подключаемого через порт USB-2 к персональному переносному компьютеру (ноутбуку) с добавленными электронными платами усилителей, генератора, фазоанализатора и мультиплексора аналоговых сигналов.
    Программное обеспечение прибора позволяет без участия оператора провести серию опытов с наперед заданными параметрами, указанными в текстовом файле управления, обработать полученные данные и вывести их в виде таблиц и графиков с указанием номера канала, частоты зондирования и количества точек усреднения данного канала за все время измерения в опыте. Прибор создан в двух модификациях, отличающихся диапазоном зондирующих частот (10-30000 гц. и 50-350 кгц.).
    Результаты каждого опыта последовательно записываются в текстовый файл с возможностью дальнейшего представления их в виде графиков. Программа отфильтровывает сбойные точки, восстанавливает первоначальный вид синусоидальных колебаний зондирующей частоты, определяет точки на синусе с амплитудным значением. По сдвигу фаз амплитудных значений первого и второго каналов АЦП рассчитывается угол сдвига фаз тока и напряжения при заданной зондирующей частоте.
    Выходные данные могут быть представлены в виде графиков изменения фазового угла сдвига напряжения и тока в ячейках во времени.
    Разработка защищена патентом на изобретение № 2462185.
    Рук. д.т.н. Славнов Е.В., т.(342) 237-83-99.
    
    
    .

Details

Category: Наука

Published: 22 April 2015

Hits: 18956

Важнейшие результаты фундаментальных и прикладных исследований, выполненных в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук в 2014 году

23. Механика деформирования и разрушения материалов, сред, изделий, конструкций, сооружений и триботехнических систем при механических нагрузках, воздействии физических полей и химически активных сред.

1. Получен сравнительный критерий для диагностики онкологических патологий на основе анализа многомасштабных пространственных распределений флуктуаций температурного поля.
   Подробнее Скрыть подробности
   
   Установлены качественные различия динамики метаболизма при развитии онкологических патологий на основе анализа многомасштабных пространственных распределений флуктуаций температурного поля, полученных по данным неинвазивного инфракрасного скрининга молочных желез: переход от мультифрактальных к монофрактальным распределениям флуктуаций температурного поля.
   Качественные различия метаболизма тканей молочных желез с выраженными проявлениями онкологических патологий и тканей «в норме» исследованы на основе анализа данных инфракрасного неинвазивного скрининга для представительной группы пациентов. Анализ многомасштабных флуктуаций температурного поля позволил установить качественно-различные проявления в поведении пространственных флуктуаций температурного поля, связанные с резким сокращением типов динамических коллективных переменных: переходом от мультифрактальных пространственных распределений флуктуаций температурного поля к монофрактальным.

   
   
   Рук. д.ф.м.н. Наймарк О.Б., т.(342) 237-83-12 e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

1. Разработана математическая модель и алгоритм ее численной реализации для исследования электрических процессов в сердце человека.
   Подробнее Скрыть подробности
   
   Главной функцией сердца является перекачивание крови. Этот процесс инициируется и регулируется электрическими волнами, которые распространяясь по сердцу, запускают его сокращение. Одним из способов изучения этого процесса является математическое моделирование. Для реализации этого подхода необходима геометрическая модель сердца.
   В настоящей работе ее построение основано на результатах рентгеновской томографии. Для обработки томограммы разработан и реализован алгоритм фильтрации, который позволяет сглаживать границу органа, устранять шумовой сигнал томографа и исключать элементы органа заданного масштаба. С помощью этого алгоритма выполнена фильтрация внешней границы сердца и его полостей. На основе обработанного томографического образа, с помощью алгоритма роста, построен трехмерный, четырехкамерный, геометрический образ сердца. Поверхности, ограничивающие этот образ, экспортированы в блок генерации сеток ANSYS ICEMCFD, в котором осуществлено построение конечно-элементного аналога сердца человека. На полученной модели сформулирована задача электродинамики и построен численный алгоритм ее решения. Для этого алгоритма определена временная и пространственная дискретизация необходимая для выполнения расчетов с приемлемой точностью. На основе разработанной модели, рассмотрен процесс возбуждения сердца в норме и при дополнительном патологическом возмущении, которое приводит к образованию спиральной волны.
   И.Н. Вассерман, В.П. Матвеенко, И.Н. Шардаков, А.П. Шестаков. Конечноэлементное моделирование электрического возбуждения миокарда. // Прикладная механика и техническая физика, 2014, №1, 76-83
   Matveenko V. P., Shardakov I. N., Shestakov A. P., Wasserman I. N. Development of finite element models for studying the electrical excitation of myocardium// Acta Mechanica, 2014. Vol 25, Issue 9. – p. 2699-2715.

   
   Рук. д.ф.м.н. Шардаков И.Н., т.(342) 237-83-18, e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

1. Обоснован механизм разрушения «адиабатическим сдвигом» при динамическом нагружении как неравновесный переход в ансамбле дефектов.
   Подробнее Скрыть подробности
   
   
   

   Впервые на основе экспериментальных исследований по реализации режимов динамической локализации пластической деформации на специально сконструированных образцах, «in-situ» регистрации локальных температурных полей (применением инфракрасного сканирования) и волновой динамики формирования неустойчивости пластического сдвига при нагружении мишеней (VISAR допплеровская интерферометрия) обоснован «атермический» механизм формирования разрушения «адиабатическим сдвигом», обусловленный структурной релаксацией при формировании коллективных мод дефектов.

   Проведено экспериментальное изучение механизмов локализованного «адиабатического» сдвига в алюминиевом сплаве 6061 с использованием оригинального оборудования, обеспечивающего нагружение плоских мишеней в условиях проникания при скоростях соударения в диапазоне 100-500 м/c с «in-situ» регистрацией локальных температурных полей (применением инфракрасного сканирования) и волновой динамики формирования неустойчивости пластического сдвига при нагружении мишеней (VISAR допплеровская интерферометрия) обоснован «атермический» механизм формирования разрушения «адиабатическим сдвигом», обусловленный структурной релаксацией при формировании коллективных мод дефектов. С использованием развиваемых широкодиапазонных моделей, учитывающих связь механизмов структурной релаксации, обусловленных дефектами, с пластической деформацией и разрушением, проведено моделирование механизмов локализованного пластического сдвига в алюминиевом сплаве 6061 при нагружении плоских мишеней при скоростях соударения, превышающих баллистический предел. C использованием данных New View профилометрии высокого разрешения, атомно-силовой микроскопии проведено исследование закономерностей структурного скейлинга в приповерхностных слоях мишеней (алюминиевый сплав 6061), проведена идентификации механизмов структурной релаксации, обусловленных дефектами, определены характерные масштабы зон локализованной пластичности.

   
   
   Рук. д.ф.м.н. Наймарк О.Б., т.(342) 237-83-12, e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

1. Построена и аттестована термомеханическая модель поведения полимера с памятью формы при больших деформациях
   Подробнее Скрыть подробности
   
   
   

   В рамках разрабатываемого подхода к построению моделей термомеханического поведения сложных сред при больших деформациях и структурных изменениях в материалах получены соотношения, удовлетворяющие принципам термодинамики и объективности, и описывающие эффект памяти формы в полимерах при конечных деформациях. Основываясь на первом законе термодинамики, построено соответствующее этому процессу уравнение теплопроводности. Полученные соотношения аттестованы на ряде задач, имеющих экспериментальное обеспечение.

   Известно, что полимеры сильно меняют свою способность деформироваться при изменении температуры. При низкой температуре они находятся в застеклованном состоянии, характеризуемом большим модулем упругости и соответственно низкой способностью к деформированию. При высокой в высокоэластичном состоянии, характеризуемом малым модулем упругости и соответственно высокой способностью к деформированию. Между этими состояниями существует переходная область, а сам переход не является фазовым и называется в литературе релаксационным. Полимер в высокоэластичном состоянии имеет характерные времена релаксации намного меньше характерных времен внешних воздействий, что позволяет считать его поведение упругим. В полностью застеклованном состоянии поведение полимера вязкоупругое.

   Релаксационный переход при изменении температуры проявляется практически во всех полимерах. Эффект же памяти формы не является свойством, характерным для всех полимеров. Он проявляется в полимерах, имеющих определенную структуру при определенном воздействии на материал. Суть его состоит в том, что в процессе релаксационного перехода из высокоэластичного состояния в застеклованое (охлаждение материала) деформация, имеющаяся в высокоэластичной фазе, «замораживается» в момент перехода, и деформации, возникающие в застеклованной фазе при дальнейшем деформировании, накладываются на эти «замороженные». При нагревании последние постепенно «размораживаются».

   
   Рук. д.ф.м.н. Роговой А.А., т.(342) 237-84-59, e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

1. Методами атомно-силовой микроскопии проведены экспериментальные исследования наноструктуры и локальных механических свойств полимерных нанокомпозитов на основе полиэтилена и игольчатого силикатного нанонаполнителя.
   Подробнее Скрыть подробности
   
   Экспериментально изучена структура и локальные механические свойства полимерных нанокомпозитов на основе полиэтилена ПЭ 107-02К и игольчатого силикатного нанонаполнителя (палыгорскит). Концентрация наполнителя варьировалась от 5 до 15%.

   Исследования проводились на атомно-силовом микроскопе в режиме наномеханического картирования. Построены наносканы поверхности материала, отображающие распределение следующих характеристик: 1) геометрический рельеф наноповерхности; 2) адгезия (сила прилипания зонда АСМ к поверхности при контакте); 3) индентация (глубина внедрения зонда в материал); 4) модуль упругости (жесткость материала). Определены характерные размеры игольчатых нановключений (диаметр порядка 20-27 нм, длина 500-1000 нм).

   Установлено, что частицы наполнителя могут образовывать вторичные агрегаты в виде пачек из параллельно расположенных иголок. Показано, что при воздействии на образец растягивающей внешней нагрузки иголки могут приобретать волнообразную форму вследствие неоднородных локальных деформаций в матрице.

   
   Рук. д.ф.м.н. Гаришин О.К., т.(342) 237-83-15, e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

1. Исследован магнитомеханический гистерезис в ферроэластомере.
   Подробнее Скрыть подробности
   
   Функциональность магнитоактивных эластомерных композитов (МЭК) обусловлена их сильным откликом на приложенное поле. Описание этих эффектов составляет содержание магнитомеханики МЭК

   В частности, МЭК обладают уникальным смарт-эффектом – переходят в пластическое состояние под действием приложенного поля.

   После снятия поля вся накопленная пластическая деформация исчезает, материал снова переходит в высокоэластичное состояние. В результате образец МЭК восстанавливает («вспоминает») исходную конфигурацию, то есть проявляет «магнитную память формы».

   Для объяснения этого эффекта нами в 2006 [1], другими – позднее, была предложена феноменологическая модель «магнитных скрепок» – плотных кластеров, в которые группируются частицы наполнителя при намагничивании образца.

   В работах 2014 мы предложили мезоскопический механизм зарождения «магнитных скрепок» в МЭК. Это сделано на примере пары магнитомягких микрочастиц, заключённых в эластомерную матрицу [2,3]. Как оказалось формирование парного кластера идёт по гистерезисному сценарию: при намагничивании материала кластер образуется в поле H^, однако при размагничивании распадается в поле Hv< H^. На графике слайда по вертикальной оси отложен безразмерный размер парного кластера, по горизонтали – величина магнитного поля.

   • [1] Melenev P.V., Rusakov V.V., Raikher Yu.L. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials 300 (2006) e187-e190.
   • [2] Биллер А.М., Столбов О.В., Райхер Ю.Л. // Вычислительная механика сплошных сред, 7 (2014) 62-71.
   • [3] Biller A.M., Stolbov O.V., Raikher Yu. L. // Journal of Applied Physics 116 (2014) Art.no.114904-8.

   
   Рук. д.ф.м.н. Райхер Ю.Л., т.(342) 237-83-23.

1. Исследована интенсивность флуктуации синхротронного излучения в нашей Галактике и галактике M33 с наблюдательной и теоретической точки зрения. Сравнительный анализ наблюдательных данных, теоретической и численной модели указывает на автокорреляцию распределений плотности космических лучей и энергии магнитного поля.
   Подробнее Скрыть подробности
   
   Исследована интенсивность флуктуации синхротронного излучения в нашей Галактике и галактике M33 с наблюдательной и теоретической точки зрения при различных предположениях о связи между космическими лучами и межзвездных магнитным полем. Показано, что наблюдаемая относительная величина флуктуации магнитного поля Галактики (отношение среднеквадратичных флуктуаций к средней напряженности магнитного поля) не согласуются с гипотезой о равнораспределении энергий космических лучей и магнитного поля.

   

   

   Анализ наблюдательных указывает на то, что распределение космических лучей почти однородно в масштабах порядка и более 100 кпарсек, в отличие от сильных колебаний межзвездного магнитного поля в этих масштабах. Консервативная верхняя оценка относительной величины флуктуаций 0,2-0,4. Сравнительный анализ наблюдательных данных и теоретической зависимости относительных флуктуаций интенсивности синхротронного излучения от коэффициента корреляции распределений космических лучей и магнитного поля указывает на то, что имеется некоторая антикорреляция плотности космических лучей и плотности магнитной энергии как в Млечном Пути, так и в М33. Практический вывод состоит в том, что общепринятая оценка величины случайного галактического магнитного поля, вероятно, сильно занижена.

   Stepanov R., Shukurov A., Fletcher A., Beck R., La Porta L., Tabatabaei F. An observational test for corre-lations between cosmic rays and magnetic fields // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2014, V. 437, p.2201-2216

   
   Рук. д.ф.м.н. Степанов Р.А., т.(342) 237-83-94, e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

1. Предложена математическая модель процесса прямого отжима масличной культуры.
   Подробнее Скрыть подробности
   
   Рапсовое масло используется для производства дизельного топлива и относится к возобновляемым источникам энергии. На основе динамики многофазных сред разработана гидродинамическая модель экструзионного отжима масла из семян рапса, на основе которой может осуществляться проектирование оборудования и оптимизация технологических режимов.

   В качестве объекта исследования выступает смесь измельченных зерен масличной культуры, содержащее масло, подвергавшаяся деформированию при плунжерном прессовании. Целью моделирования является определение скорости оттока растительного масла при заданных условиях нагружения.

   Обрабатываемый материал представлен двухфазной смесью. Первая фаза жмых масличной культуры, играюший роль пористого скелета. Растительное масло, насыщающее пористый скелет, является второй фазой среды.

   Для описания поведения материала применен подход динамики многофазных сред. Для каждого из компонентов смеси составлены балансовые уравнения. Фильтрация описана введением силы межфазного взаимодействия. На основе проведенных ранее исследований для описания свойств пористого скелета и масла использована модель вязкой жидкости. Вязкость пористого скелета предполагается зависящей от давления.

   Численное решение задачи выполнено в двумерной постановке для среднего сечения камеры отжима с применением метода конечных элементов. В качестве основных неизвестных величин выступают поля скорости и давления компонентов смеси. В соответствии с распространенным в подземной гидродинамике подходом пористость материала предполагается зависящей от эффективного давления пористого скелета. Дискретизация области проводилась с помощью четырехугольных девятиузловых конечных элементов с линейным и квадратичным порядком аппроксимации полей давления и скорости соответственно. В полученных решениях распределение содержания масла по длине камеры отжима проявляет нелинейность при высоких внешних нагрузках. Также показано, что значительное влияние на расход отжатого масла оказывает изменение пористости в процессе прессования.

   Анализ решения показал, что в рамках принятых в данной модели допущений учет изменения пористости материала в процессе отжима играет важную роль и приводит к более высоким значениям расхода получаемого масла.

   Также было замечено снижение расхода отжатого масла после превышения определенного значения внешней нагрузки. Исследование влияния увеличения вязкости пористого скелета с повышением давления на отток масла показало, что рассчитанные значения расхода масла оказываются ниже, чем в случае постоянной вязкости, при этом распределения давления составляющих демонстрируют более выраженную нелинейность.

   
   Рук. д.т.н. Славнов Е.В., т.(342) 237-83-99, e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

1. Найдено семейство точных решений уравнений гидродинамики, описывающее некоторые режимы течения вязкой жидкости между параллельными сближающимися или удаляющиеся пластинами.
   Подробнее Скрыть подробности
   
   В рамках известного класса точных решений уравнений Навье-Стокса рассмотрены некоторые неавтомодельные решения задачи о нестационарном течении несжимаемой жидкости между перемещающейся и неподвижной вращающимися пластинами. Изучены три семейства режимов течения: течения между невращающимися плоскостями, течения между плоскостями, вращающимися с одинаковыми угловыми скоростями и течения между пластинами, вращающимися с противоположными угловыми скоростями.

   Приведены примеры точных решений уравнений движения идеальной жидкости, удовлетворяющих условиям прилипания.

   
   Рук. д.ф.м.н. Аристов С.Н., т.(342) 237-83-14, e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

1. Впервые обнаружено новое явление – вихревое течение магнитной жидкости вблизи источника неоднородного магнитного поля. Течение сопровождается «дождем» из капельных агрегатов, который напоминает обычный ливень в земной атмосфере.
   Подробнее Скрыть подробности
   
   
   Впервые наблюдалось новое явление – вихревое течение магнитной жидкости вблизи источника неоднородного магнитного поля. Течение сопровождается «дождем» из капельных агрегатов, который напоминает обычный ливень в земной атмосфере. Отличие в том, что в магнитных жидкостях этот «дождь» индуцируется внешним магнитным полем и происходит на масштабах порядка миллиметра. Внешнее поле играет ключевую роль: оно вызывает в магнитной жидкости фазовый переход типа «газ – жидкость» и образование капельных агрегатов размером в десятки микрометров, вытянутых вдоль силовых линий. Неоднородное распределение агрегатов в пространстве приводит к неоднородности пондеромоторной силы, которая и является причиной вихревых течений. Наблюдаемые течения могут иметь важное практическое значение: они интенсифицируют массоперенос в магнитной жидкости, ускоряя его по времени на много порядков.

   Поведение магнитной жидкости во внешнем магнитном поле во многом зависит от энергии межчастичных диполь-дипольных взаимодействий. Если эта энергия примерно в три раза превышает энергию теплового движения, то в системе возможен фазовый переход первого рода типа «газ-жидкость». В результате фазового перехода в жидкости образуется «туман» из множества капельных агрегатов с очень высокой концентрацией коллоидных частиц внутри агрегата.

   Главное отличие такого фазового перехода от обычных в том, что он может быть вызван включением внешнего магнитного поля (магнитное поле уменьшает энтропию системы). Если же магнитное поле неоднородно, то на агрегаты действует пондеромоторная сила, вызывающая их движение по направлению градиента напряженности. Массовое движение агрегатов приводит к вихревому гидродинамическому течению магнитной жидкости, которое нами и наблюдалось. Это течение нестационарное и затухает, когда система полностью расслоится на слабо- и сильно концентрированные фазы (пока все магнитные частицы, способные конденсироваться в капельные агрегаты, не выпадут в осадок). Стационарных вихревых течений, очевидно, быть не может по причине потенциальности магнитного поля.

   Наблюдаемые течения могут иметь важное практическое значение: они интенсифицируют массоперенос вблизи источника магнитного поля, ускоряя его по времени на много порядков.

   
   Рук. д.ф.м.н. Пшеничников А.Ф.., т.(342) 237-83-25, e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

1. При исследовании устойчивости температурного пограничного слоя, возникающего при развитии конвекции однофазной околокритической жидкости в колеблющейся квадратной полости в условиях невесомости, при внезапном понижении температуры стенок обнаружено наличие трех типов неустойчивости: термовибрационной неустойчивости, развивающейся вблизи стенок, параллельно которым приложены вибрации, параметрической неустойчивости, развивающейся вблизи стенок, по отношению к которым вибрации перпендикулярны, и неустойчивости, развивающейся в углах полости.
   Подробнее Скрыть подробности
   
   Исследованы двумерные режимы конвекции однофазной околокритической жидкости в квадратной полости, совершающей поступательные линейно-поляризованные вибрации, при внезапном понижении температуры стенок. Расчеты проведены для сверхкритического водорода при трех значениях отклонения температуры от критической 10 мК, 100 мК и 1 К и трех типах тепловых граничных условий: изотермические границы, адиабатические вертикальные и изотермические горизонтальные границы, адиабатические горизонтальные и изотермические вертикальные границы. Амплитуда вибраций варьировалась от 0.05 до 5 кратного превышения размера полости, частота вибраций от 2.78 Гц до 25 Гц.

   Обнаружено наличие трех типов неустойчивости: термовибрационной неустойчивости, развивающейся вблизи стенок, параллельно которым приложены вибрации, параметрической неустойчивости, развивающейся вблизи стенок, по отношению к которым вибрации перпендикулярны, и неустойчивости, развивающейся в углах полости. Построены диаграммы устойчивости в пространстве параметров задачи.

   Полученные результаты позволили объяснить поведение однофазной околокритической жидкости, наблюдавшееся в экспериментах, проведенных в условиях микрогравитации. Найдено, что описанное поведение не связано с гиперсжимаемостью среды, оно наблюдается и в случае несжимаемой жидкости.

   
   Рук. д.ф.м.н. Любимова Т.П., т.(342) 237-83-31, e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

1. На основе численного исследования риска загрязнения рек вследствие затопления накопителей жидких отходов при прохождении высоких паводков показано, что при прохождении высоких паводков вследствие промывки расположенных в поймах рек накопительных емкостей может резко увеличиться содержание загрязняющих веществ в реках, создавая реальную угрозу для нижележащих водопользователей.
   Подробнее Скрыть подробности
   
   Исследован риск загрязнения крупных водотоков вследствие промывки расположенных в их поймах накопительных емкостей во время высоких паводков. Трехмерное численное моделирование показало, что в течение 2-х часов после начала паводка наблюдается значительное изменение концентрации примеси в накопительной емкости, затем быстрая стадия заканчивается и в дальнейшем концентрация меняется медленно. Толщина слоя с большим содержанием примеси также претерпевает значительные изменения за два часа после начала паводка, ее максимальное изменение составляет примерно 3-4 метра.

   На переднем крае накопительной емкости по движению потока образуется вихрь, который движется вдоль по потоку до конца емкости. Этот вихрь вытесняет загрязнения из емкости, промывая верхний слой толщиной 1-2 метра за короткое время, порядка 10 минут. Затем наблюдается быстрая стадия равномерного выноса примеси из емкости в отсутствие вихревого движения. По истечении двух часов быстрая стадия заканчивается, в дальнейшем концентрация примеси меняется медленно.

   C увеличением глубины потока над емкостью характер вымывания загрязнений из накопительной емкости не меняется, процесс вымывания, как и в случае меньших глубин потока над емкостью, состоит из быстрой и медленной стадий. Увеличиваются толщина промываемого слоя и количество примеси, выносимой из накопительной емкости.

   Таким образом, совершенно безопасные при малых и средних расходах, при их падании в зону затопления, накопительные емкости могут стать источником интенсивного загрязнения, существенно лимитирующим режим водопользования.

   
   Рук. д.ф.м.н. Любимова Т.П., т.(342) 237-83-31, e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

Важнейшие результаты прикладных исследований

23.Механика деформирования и разрушения материалов, сред, изделий, конструкций, сооружений и триботехнических систем при механических нагрузках, воздействии физических полей и химически активных сред

1. Разработана и реализована в режиме on-line система интеллектуального мониторинга за неравномерными осадками фундаментов 37 зданий и сооружений в г. Березники Пермского края.
   Подробнее Скрыть подробности
   
   Разработана и реализована в режиме on-line система интеллектуального мониторинга за неравномерными осадками фундаментов 37 зданий и сооружений в г. Березники Пермского края. Каждая система мониторинга состоит из измерительной части, расположенной в подвале здания; подсистемы сбора и передачи данных и подсистемы анализа и визуализации данных, расположенных на сервере в ИМСС УрО РАН. Измерения неравномерных осадок осуществляются методом гидростатического нивелирования.

   На сервере в режиме on-line можно контролировать процесс неравномерного осаживания зданий с использованием интерактивной карты города. На данной карте можно видеть, каким образом осуществляется наклоны фундаментов зданий и расположенного под ним грунтового массива.

   На сайте доступна справочная информация в виде таблиц и графиков, в которых представлены осадки и скорости осадок отдельных датчиков, и информация об относительной разности осадок, которая регламентируется «СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений».

   
   Рук. д.ф.м.н. Шардаков И.Н., т.(342) 237-83-18, e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

22. Механика жидкости, газа и плазмы, многофазных и неидеальных сред, механика горения, детонации и взрыва

1. Предложен и отработан метод определения изменения фильтрующих свойств насыщенных пластически деформируемых пористых сред, включающий циклическое нагружение образца.
   Подробнее Скрыть подробности
   
   Предложен и отработан метод определения изменения фильтрующих свойств насыщенных пластически деформируемых пористых сред, включающий циклическое нагружение образца. В процессе эксперимента регистрируют давление, изменение длины образца, время, а также объем отжатой жидкости. Метод позволяет определить изменение коэффициента фильтрации в процессе отжима как функцию концентрации жидкой фракции (пористости) и уровня давления.

   Большая часть существующих подходов при описании проницаемости в процессе отжима опирается на данные, полученные на конкретных установках или использует введение эмпирических коэффициентов.

   В то же время, создание конкурентно способного оборудования, нахождение удачных технических решений, определение наилучших технологических режимов связаны с моделированием процесса, включая адекватное описание изменения свойств перерабатываемого материала в процессе отжима.

   При достаточно широком спектре методов определения проницаемости материалов в случае изменяющейся структуры пористого массива и больших деформаций в процессе отжима выполнить это значительно сложнее. В то же время, именно проницаемость является основным фактором, определяющим эффективность процесса. Отличительная особенность отжима, в частности, масла от традиционной фильтрации – это вытеснение жидкой фазы скелетом (клетчаткой) в результате его деформаций, в том числе, пластических. В процессе отжима именно деформации являются одной из основных причин изменения пористой структуры скелета.

   При определении коэффициента фильтрации и его зависимости от давления и массовой доли компонентов использован метод, в основе которого лежит динамическое нагружение. Образец помещают в замкнутую цилиндрическую полость между поршнем, создающим давление, и проницаемым для жидкости дном и задают исследуемый уровень давления. Создают циклическое силовое нагружение образца, используя выбранный уровень давления для выключения нагружения и давление, равное 0,8 – 0,95 выбранного уровня, для включения нагружения. Для создания давления используют испытательную машину с программным управлением в режиме «сжатие». В процессе эксперимента регистрируют во времени изменение давления, длины образца и временной промежуток снижения давления на цикле разгрузки, а также объем отжатой жидкости. В дальнейшем данные эксперимента обрабатывают по предложенным выражениям, находя зависимость коэффициента фильтрации от концентрации (пористости) и уровня давления.

   Разработка защищена патентом на изобретение РФ №2524046 от 30.05.2014 г.

   
   Рук. д.т.н. Славнов Е.В., т.(342) 237-83-99, e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
2. По заказу ОКБМ им. Африкантова (Росатом) выполнен цикл исследований турбулентного конвективного теплообмена в жидком натрии, заполняющем длинные цилиндрические каналы, ориентированные под различным углом к горизонту.
   Подробнее Скрыть подробности
   
   Выявлена сильная зависимость мощности, передаваемой вдоль трубы, от угла наклона: число Нуссельта в исследованном диапазоне углов наклона изменяется на порядок с максимумом в области наклона 65о от вертикали. Представленные характеристики крупномасштабной циркуляции и турбулентных пульсаций температуры показывают, что конвективный теплоперенос определяется в основном скоростью крупномасштабной циркуляции натрия. Турбулентные пульсации максимальны при небольших углах наклона и ослабляют поток тепла вдоль канала, хотя в пределе малых углов (вертикальная труба) устойчивой крупномасштабной циркуляции нет и конвективный теплопоток, на порядок превышающий молекулярный, обеспечивается только мелкомасштабным (турбулентным) течением.

   Интерес к тепломассопереносу в жидких металлах вызван их применением в качестве теплоносителей в ядерных, термоядерных и космических энергетических установках. Натрий используется в качестве теплоносителя в реакторных установках (РУ) с реактором на быстрых нейтронах. По опыту эксплуатации отечественных РУ БН-350 и БН-600 известно, что при благоприятной компоновке трубопроводов в них может возникать свободная конвекция натрия, приводящая к прогреву трубопроводов и увеличению тепловых потерь. В этой связи чрезвычайно востребованными становятся результаты экспериментальных исследований свободной конвекции натрия в длинных замкнутых цилиндрических сосудах, ориентированных под различными углами к направлению силы тяжести. Результаты таких исследований могут быть использованы как при проектировании новых РУ, так и при верификации расчетных кодов, используемых в атомной энергетике.

   В ИМСС УрО РАН по заказу ОКБМ им. Африкантова выполнен цикл исследований турбулентного конвективного теплопереноса в жидком натрии, заполняющем цилиндрические каналы с приложенной к торцам разностью температуры. В частности, исследована свободная конвекция натрия в отрезке прямой теплоизолированной трубы, длина которой равна 20 диаметрам, с торцевыми теплообменниками, обеспечивающими фиксированный перепад температуры. Эксперименты выполнены для заданной разности температуры между торцевыми теплообменниками и различных углов наклона трубы к вертикали, от вертикального положения (подогрев снизу) до горизонтального.

   Представленные характеристики крупномасштабной циркуляции и турбулентных пульсаций температуры показывают, что конвективный теплоперенос определяется в основном скоростью крупномасштабной циркуляции жидкости при достижении максимальной скорости потока достигается и максимальный теплопоток. Турбулентные пульсации максимальны при небольших углах наклона и, скорее, ослабляют поток тепла вдоль канала, хотя в пределе малых углов (вертикальная труба) устойчивой крупномасштабной циркуляции нет, и конвективный теплопоток, на порядок превышающий молекулярный, обеспечивается только мелкомасштабными (турбулентными) потоками жидкости.

   Mamykin A., Frick P., Khalilov R., Kolesnichenko I., Pakholkov V., Pavlinov A., Rogozhkin S. Turbulent convective heat transfer in a long cylinder with liquid sodium // Proceedings of 9-th International PAMIR conference on Fundamental and Applied MHD, Thermo Acoustic and Space Technologies, Riga, Latvia, June 16-20, 2014. V.1. P.90-94.

   
   Рук. д.ф.м.н. Фрик П.Г., т.(342) 237-83-22, e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
3. Предложена новая конструкция алюминиевой печи с МГД-перемешиванием расплава (подана заявка на патент).
   Подробнее Скрыть подробности
   
   
   Разработана математическая модель, с помощью которой проведены численные исследования процесса перемешивания жидкого металла с вводимыми примесями в ванне этой печи под действием бегущего магнитного поля и получены наилучшие режимы перемешивания. Экспериментально получены режимы воздействия управляемого МГД-перемешивания алюминиевого сплава при направленной его кристаллизации в цилиндрическом тигле на структуру и свойства полученных слитков.

   МГД-перемешивание жидкого металла применяется в металлургическом производстве при приготовлении сплавов, а также в литейных технологиях при кристаллизации металла и является современной технологией мирового уровня, которая позволяет обеспечить большую степень гомогенизации сплавов и литой структуры. Оно ведет к созданию однородной мелкозернистой структуры твердых растворов, уменьшению удельной доли, а также измельчению и равномерному распределению вторых (интерметаллидных) фаз.

   В ИМСС УрО РАН была предложена конструкция промышленной мечи для алюминия с МГД-перемешиванием [1]. На основе численных экспериментов проведено изучение процесса равномерного распространения в металле в ванне печи скалярной примеси в результате различных режимов МГД-перемешивания [2].

   Численно моделировался процесс направленной кристаллизации алюминия в цилиндрическом тигле при одновременном полоидальном и тороидальном МГД-перемешивании.

   Проведены физические эксперименты для исследования влияния МГД-перемешивания на структуру и свойства слитков из алюминиевых сплавов в процессе их направленной кристаллизации в цилиндрическом слитке [3]. В результате выработаны практические рекомендации для проведения металлургического процесса по получению слитков из алюминиевых сплавов с улучшенными свойствами.

   

   
   

   
   1. Оборин П.А., Хрипченко С.Ю. МПК B22D11/115, F27D23/04 «Устройство для перемешивания расплавленного алюминиевого сплава» гос регистрация заявки № 2014132245 от 05.08.2014
   2. P. Oborin, S.Khripchenko, E. Golbraikh, «Application of a traveling magnetic field for stirring liquid metals», Magnetohydrodynamics. Vol., No.4 ххх, 2014 (Принята к публикации)
   3. С.Ю. Хрипченко, Л. В. Никулин, В. М. Долгих, С. А. Денисов., Структура и свойства полученныхс применением магнитогидродинамического воздействия заготовительных слитков из алюминиево-кремниевого сплава // Цветные металлы, 2014, № 6, с 82-86

   

   
   Рук. д.т.н. Хрипченко С.Ю., т.(342) 237-83-06, e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
4. По заказу ОКБМ им.Африкантова (РосАтом) разработан, изготовлен и запущен в эксплуатацию гидродинамический контур для исследования потоков жидкого натрия. На контуре проведены исследования смешения разнотемпературных потоков жидкого натрия. Результаты экспериментов необходимы для верификации пакетов программ, используемых для расчетов систем охлаждений атомных реакторов использующих жидкометаллические теплоносители.
   Подробнее Скрыть подробности
   
   Жидкий натрий представляет собой уникальную среду для магнитной гидродинамики благодаря сочетанию низкой плотности и высокой электрической проводимости. Именно потоки жидкого натрия дают наилучшую возможность для лабораторных исследований эффектов генерации магнитного поля течениями проводящей жидкости, а также эффектов, связанных с воздействием магнитного поля на потоки металлов. С другой стороны, жидкий натрий является перспективным материалом для систем охлаждения реакторных установок. В частности именно натрий используется в качестве охлаждающей жидкости во всех реакторах на быстрых нейтронах.

   Созданный в ИМСС натриевый контур позволяет проводить широкий спектр исследований потоков жидких металлов, включая неизотермические, исследований взаимодействия потоков с магнитными полями, испытания технологических МГД-устройств. Первой работой, выполненной на созданном стенде, стало исследование процессов смешения разнотемпературных потоков натрия, выполненное по заказу ОКБМ им.Африкантова (РосАтом). Цель этой работы – обеспечение экспериментальной базы для верификации пакетов программ, используемых для расчета систем охлаждения реакторов.

   
   Рук. д.ф.м.н. Фрик П.Г., т.(342) 237-83-22, e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
5. Предложен новый инструментальный метод электроимпедансной спирометрии, заключающийся в регистрации изменений параметров электрического импеданса органов дыхания в течение дыхательного цикла. Разработана лабораторная модель медицинского реографического анализатора для измерения модуля полного сопротивления (импеданса) и углов фазового сдвига тока и напряжения в проводящих аэрозолях выдыхаемого воздуха в широком диапазоне значений электрического сопротивления и зондирующей частоты.
   Подробнее Скрыть подробности
   
   В современной медицине анализ молекулярного состава и физико-химических свойств биологических сред является одним из важнейших инструментов для диагностики и контроля за состоянием организма и течением патологических процессов. Однако большинство методов лабораторной диагностики (биохимический, иммуноферментный, иммунофлюоресцентный, радиоимунный и др.) оказываются весьма дороги и требуют продолжительного времени, наличия хорошо оснащенных лабораторий, сложного оборудования, дефицитных и дорогостоящих реагентов и материалов, высоко-квалифицированного медицинского персонала. По сравнению с ними биоимпедансометрия (измерение полного электрического сопротивления биологической среды переменному току) является несравненно более простым и дешевым методом инструментального исследования.

   Основная оригинальная идея предложенного метода заключается в насыщении путем ингаляции дыхательных путей пациента взвесью мельчайших капель проводящего физиологического раствора для повышения омической проводимости дисперсного воздушного аэрозоля до таких значений, которые можно уверенно регистрировать импедансометрическим анализатором.

   Создана лабораторная модель портативного медицинского прибора для измерения параметров выдыхаемого пациентом воздуха при высоких значениях электрического сопротивления (до 100 кОм) в широком диапазоне частот (от 10 Гц до250 кГц).

   Актуальность исследования обусловлена неизученностью параметров электропроводности биологических дисперсных аэрозолей, необходимостью совершенствования диагностической и лечебной помощи больным бронхолегочными заболеваниями, создания диагностических приборов нового поколения, внедрения инновационных методов диагностики заболеваний внутренних органов и оказания медицинской помощи.

   Предложенный оригинальный экспресс-метод диагностики по данным импедансометрии состояния и жизнеспособности дыхательных путей и легочных тканей и выявления их патофизиологических изменений может быть использован для оценки динамики течения ряда социально значимых актуальных легочных заболеваний.
   Рук. д.ф.м.н. Зуев А.Л., т.(342) 237-83-14, e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

38. «Проблемы создания глобальных и интегрированных информационно-телекоммуникационных систем и сетей. Развитие технологий и стандартов GRID»

1. Разработана и реализована структура каналов связи научно-образовательной DWDM магистрали Пермь-Екатеринбург.
   Подробнее Скрыть подробности
   
   

   По DWDM технологии на участке «ПНЦ (Пермь, Ленина 13а) – СКЦ ИММ (Екатеринбург)» сформирована структура скоростных гарантированных каналов связи: 8х1Гбит/с + 2х10Гбит/с + 13?. Обеспечена возможность увеличения скорости до 1,6 Тбит/с. По CWDM технологии выполнено подключение ресурсов ИМСС (Пермь, Королева 1) на скорости 40 Гбит/с к DWDM тракту в ПНЦ для построения совместно с ресурсами СКЦ ИММ распределенной вычислительной среды.Ethernetкоммутирующее оборудование Cesarформирует слой негарантированных каналов связи 3 х 10Гбит/с + 24 x 1 Гбит/с.

   Гибкая и масштабируемая инфраструктура каналов связи предназначена для исследования различных аспектов параллельных, распределенных, сетевых и облачных вычислений.

   
   Рук. к.т.н. Масич Г.Ф., т.(342) 237-83-76, e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.