ИМСС УрО РАН

Details: Category: Конкурсы Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ); Published: 09 August 2021; Hits: 2176

Номер Проекта № РФФИ 20-48-96015_р_НОЦ_Пермский край
Название Проекта «Управление структурой сред с неоднородной электропроводностью при кристаллизации с целью создания уникальных материалов при помощи электромагнитных сил специально приспособленной топологии»
Руководитель: Колесниченко И.В.

Аннотация

В проекте изучается процесс управления структурой электропроводной среды в ходе фазового перехода путем создания существенно неравновесного процесса с помощью электромагнитной силы. Использование электромагнитных сил для воздействия на структуру слитков активно изучается и применяется на некоторых передовых предприятиях металлургической промышленности. Электромагнитные силы генерируют течения разной топологии. При этом улучшается гомогенизация при добавлении легирующих добавок вследствие улучшения процесса перемешивания. Кристаллическая структура становится однородной и мелкозернистой. Достигается уплощение фронта кристаллизации при сложном перемешивании, улучшение структуры металла вблизи боковых стенок и устранение усадочной впадины в центре слитка. Однако, используемые ранее технологии позволяли генерировать течение строго определенной топологии. Это снижало перемешивающий эффект. Другая трудность связана с недостижимостью принципиально противоречивой цели обеспечения гомогенизации как состава, так и размера зерна. В данном проекте авторы выдвигают принципиально новую идею способа генерации магнитного поля. Это приводит к возникновению течений, существенно влияющих на структуру затвердевающего слитка. Идея заключается в конструкции индуктора нового типа, позволяющего генерировать магнитное поле произвольно заданной топологии. Это достигается как особой конструкцией индуктора, так и компьютерной системой управления, позволяющей регулировать питание каждой обмоти индуктора по отдельности. Мы получаем в руки инструмент, которым надо научиться эффективно пользоваться. Для этого будет проведено подробное численное и экспериментальное исследование влияния управляющих параметров на характеристики процесса и на получающуюся структуру слитка. В результате будет определена конфигурация процесса, которая специально предназначена для наилучшего управления структурой в ходе кристаллизации. Это потенциально приведет к созданию материалов с уникальными механическими свойствами. Такие материалы найдут применение для изготовления деталей с улучшенными механическими свойствами. Они востребованы, в том числе, в авиационной и нефтедобывающей промышленности. Это расширяет значимость применения МГД-технологий в рациональном природопользовании.

1 Этап (2021)

На начальном этапе проекта (2021 год) выполнены численные и экспериментальные исследования процессов в металле, помещенном во внешнее переменное магнитное поле. Переменное магнитное поле создается индуктором, состоящим из набора пространственно распределенных обмоток, размещенных на общем ферромагнитном сердечнике. Питание обмоток осуществляется как от источника трехфазного тока напрямую, так и через специально разработанную на данном этапе многоканальную систему управления. Эта система осуществляет компьютерное управление питанием, что позволяет создавать переменные магнитные поля заданной пространственной и временной конфигурации. Разработана математическая модель, описывающая электродинамические, гидродинамические и теплофизические поля, возникающие в объеме с металлом. Численная реализация модели осуществляется в программной среде Ansys-Fluent с привлечением UDF функций и среде Matlab для передачи данных с электродинамической на гидродинамическую сетку. Модель дополнена модулями расчета в среде с неоднородной электропроводностью и модулем оценки структуры твердого металла. Выполнены численные исследования процессов в установках малого, среднего и большого масштаба. В первых двух случаях расчеты выполнялись в тех же конфигурациях, что и проведенные эксперименты. В третьем случае расчеты позволили выбрать наилучшие параметры для установки большого масштаба, которая будет разработана и изготовлена на втором этапе проекта. Также выполнены расчеты, конструирование и изготовление дополнительного элемента установки большого масштаба, который необходим для подачи жидкого металла в область индуктора. Выполнена серия экспериментальных исследований на установке малого масштаба, что позволило оценить интенсивность возникающих электромагнитных сил, их зависимость от параметров и геометрии области. На установке среднего масштаба выполнены серии экспериментальных исследований электродинамических и гидродинамических характеристик. С помощью тесламера получены пространственные характеристики магнитных полей, создаваемых индуктором в исследуемой области, а также их зависимости от тока и частоты тока в обмотках. С помощью ультразвукового доплеровского анемометра получены зависимости формы средних профилей скорости вдоль луча от параметров процесса Также получены эволюции профилей скорости, что позволило оценить характер течения, определить частоты колебания в случае их наличия. С помощью кондукционных датчиков скорости получены оценки турбулентных характеристик течения и спектры пульсации скорости. Исследования выполнены в запланированном объеме. Полученные результаты позволяют перейти ко второму этапу исследований, где будет подробно изучаться процесс кристаллизации жидкого металла.

project rffi 20 48 96015 1 stage img2

рисунок 3

2 Этап (2022)

На втором этапе проекта (2022 год) выполнены следующие работы. С помощью разработанной на первом этапе математической модели, выполнены многовариантные исследования процессов в однородной и неоднородной электропроводной среде. Обнаружено, что режим с аксиальным чередованием направления вращения магнитного поля, существенно усложняет вид азимутального и полоидального течений. Это приводит к возникновению развитой интенсивной полоидальной компоненты течения. Возникающее течение сопровождается колебательным движением вихревых структур и взаимодействием между ними, приводящим к эффективному перемешиванию жидкого металла. Обнаружено, что умеренные значения силового параметра приводят к наиболее гомогенизированному составу среды при перемешивании. Время выхода на стационарное значение степени гомогенности среды снижается с увеличением силового параметра. Обнаружено, что при нестационарном воздействии модуляции силового параметра в некотором диапазоне частот практически не влияют на время выхода на гомогенное состояние и степень гомогенности. Это позволяет существенно экономить энергию, необходимую для питания индуктора. Рассмотрена формулировка задачи кристаллизации в терминах метода фазового поля. Решена задача кристаллизации цилиндрического объема. Предложена схема расчета, которая может определить зеренную структуру расплава после кристаллизации. Разработана методика, с помощью которой осуществляется поиск оптимальной конфигурации магнитного поля по выделенному результирующему параметру. Обнаружено, что в исследуемом диапазоне параметров задачи, на зависимости момента электромагнитных сил от частоты вращающегося поля существует экстремум при фиксированной частоте вращения среды. Найдена зависимость частоты питающего напряжения обмоток, которая обеспечивает максимальный момент электромагнитных сил при вращении электропроводной среды, от частоты вращения среды. Проведено исследование течения в установке малого размера. В результате расчетов выявлено, что увеличение частоты тока приводит к дестабилизации и нарушению симметрии течения. Были определены значения силы тока и частоты, при которых в системе достигаются вертикальные скорости течения, достаточные для их экспериментального определения с помощью ультразвукового доплеровского анемометра. Кондукционные датчики скорости успешно применены для изучения характеристик турбулентных течений, возникающих под действием вращающегося магнитного поля в установке среднего размера. При определенной величине электромагнитного воздействия на графиках спектральной энергии пульсаций скорости наблюдается Колмогоровский наклон -5/3, свидетельствующий о развитой однородной изотропной турбулентности и распространяющийся в частотном диапазоне до двух декад. Уровень пульсаций скорости варьируется в пределах от 4 до 10 процентов от значения тангенциальной скорости вращения, измеренной также при помощи датчиков. Это позволяет обоснованно использовать для численного расчета таких течений выбранные модели турбулентности. Численно и экспериментально исследован процесс кристаллизации металла в цилиндрическом объёме под действием принудительного электромагнитного перемешивания. Найдены характеристики процесса в зависимости от режима перемешивания. Установлено положительное влияние перемешивания магнитными полями комплексной топологии на темп и однородность застывания металла. Численно обнаружено, что увеличение длины ферромагнитных зубцовых элементов не снижает величину электромагнитной силы. Это позволило существенно усилить тепловую защиту индуктора без снижения его производительности. На основе численных результатов, разработана конструкция и подготовлен комплект чертежей большой установки. Изготовлены все основные элементы большой установки и выполняется ее окончательная сборка и наладка. Исследования выполнены в запланированном объеме. Полученные результаты позволяют перейти к третьему этапу исследований, где будут подробно изучаться процессы в установке большого масштаба.

Экспериментальная установка

Рис. 4. Экспериментальная установка: a) фото установки, b) 3D-модель перемешивателя (1. магнитопровод индукционного перемешивателя, 2. катушки индуктивности, 3. канал кристаллизатора), c) схема расположения ультразвуковых датчиков в верхнем теплообменнике.

a b

Рис. 5. a) Пример полей аксиальной компоненты скорости течения жидкого металла в двух плоскостях цилиндрического объёма для одного из режимов. b) Средний темп кристаллизации металла (движение границы раздела фаз) в зависимости от режима перемешивания для пяти моментов времени (эксперимент).

Этап 3

В проекте изучается процесс управления структурой электропроводной среды в ходе кристаллизации путем создания неравновесного процесса с помощью электромагнитной силы. Электромагнитные силы генерируют течения разной топологии. При этом улучшается гомогенизация при добавлении легирующих добавок вследствие улучшения процесса перемешивания. Однако, используемые ранее технологии позволяли генерировать течения строго определенной топологии. Это снижало перемешивающий эффект. Другая трудность связана с недостижимостью принципиально противоречивой цели обеспечения гомогенизации как состава, так и размера зерна. В проекте авторы выдвигают принципиально новую идею способа генерации магнитного поля. Это приводит к возникновению течений, эффективно влияющих на структуру затвердевающего слитка. В ходе выполнения проекта проведено подробное численное и экспериментальное исследование влияния управляющих параметров на характеристики процесса и на получающуюся структуру слитка. Ряд экспериментов выполнен с помощью галлиевой эвтектики и ультразвукового доплеровского анемометра. В результате определена конфигурация процесса для наилучшего управления структурой в ходе кристаллизации. На заключительном этапе проекта завершены численные и экспериментальные исследования процессов в жидком металле, помещенном во внешнее переменное магнитное поле. Выполнена сборка и наладка большой пилотной экспериментальной установки. Разработана и изготовлена высокотемпературная цилиндрическая вакуумно-газовая печь, которая размещена в центре индуктора. Для новой большой экспериментальной установки выполнен ряд исследований, направленных на определение основных электромагнитных и гидродинамических характеристик для выбранных конфигураций магнитного поля. Подготовка к экспериментам по изучению влияния электромагнитных сил на кристаллизацию высокотемпературных металлов потребовала изучение характеристик процесса кристаллизации электропроводной среды в широком диапазоне конфигураций магнитного поля, в продолжении исследования, начатого на втором этапе. В ходе исследования процесса кристаллизации высокотемпературного металла — сплава алюминия с кремнием, получены цилиндрические слитки при разных режимах электромагнитного воздействия в ходе кристаллизации и изучена их структура. На основе результатов проекта возможна разработка технологии создания материалов с уникальными механическими свойствами. Такие материалы найдут применение для изготовления деталей с улучшенными свойствами. Они востребованы, в том числе, в авиационной, атомной и нефтедобывающей промышленности. Это расширяет применение магнитогидродинамических технологий в рациональном природопользовании.

project rffi 20 48 96015 3 stage img1

Опытная установка ТОПАЗ, разработанная в ходе выполнения проекта.

Details: Category: Конкурсы Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ); Published: 05 August 2021; Hits: 1851

Номер Проекта № 20-41-596001
Название Проекта «Пространственно-временная динамика и теплообмен в природных и технологических конвективных системах со свободно плавающими объектами»
Руководитель: Фрик Петр Готлобович

Аннотация

Проект направлен на решение фундаментальной проблемы конвекции и теплообмена при наличии свободно плавающих, теплоизолирующих объектов. Актуальность проблемы обусловлена широким спектром природных и промышленных систем, в которых существенное влияние на структуру течения, процесс теплообмена и экологический баланс оказывают свободно плавающие тела (не только твердые) различной природы. В рамках проекта предлагается сфокусировать внимание на двух ключевых проблемах. В первую очередь это пространственно-временная динамика объектов искусственного происхождения, представляющих угрозу экологии, в том числе Пермского края. В силу отличных, от окружающей среды физико-химических свойств они существенно влияют на структуру конвективных течений и процессы теплопереноса, что в свою очередь определяет их пространственно-временную динамику. Источниками таких объектов являются утечки продуктов нефтепереработки, химических реагентов и выбросы больших объемов примесей (газовых или мелкодисперсных) в атмосферу или водоемы. Понимание динамики распространения таких опасных для экологии и безопасности людей объектов необходимо для их своевременной локализации и минимизации ущерба. Другим типом свободноплавающих объектов являются твердые массивы на поверхности жидкой фазы. На геологических масштабах, свободно плавающими, теплоизолирующими объектами являются континенты, плавающие на поверхности мантии, а на более реалистичных пространственных и временных масштабах речь может идти о динамике ледяных массивов или нефтяных пятен на поверхности водоемов. В рамках проекта планируется провести систематическое исследование закономерности пространственно-временной динамики свободно плавающих тел в конвективных системах, их влияния на процесс тепломассопереноса. Предлагается решить несколько конкретных задач. Во-первых, будет изучена пространственно-временная динамика плавающего теплоизолирующего тела с одной степенью свободы и его влияние на структуру конвективного течения и интенсивность теплопереноса. Для широкого интервала чисел Рэлея и для жидкостей с различным значением числа Прандтля будут исследованы осциллирующие и хаотические режимы для объектов различной формы, структуры и глубины погружения. Во-вторых, будут рассмотрены движения теплоизолирующих тел на поверхности жидкости в двухмерной постановке с целью выявления закономерностей сложной динамики теплоизолирующих объектов, плавающих на поверхности конвективного слоя. В-третьих, будут изучены системы с теплоизолирующими телами нейтральной плавучести в развитых конвективных течениях в замкнутых объемах. Данная задача рассматривает наиболее сложный случай, когда движение теплоизолирующих тел происходит в объеме жидкости (газа).

Details: Category: Конкурсы Российского научного фонда (РНФ); Published: 22 July 2021; Hits: 2457

Аннотация проекта:

Целью проекта является создание научных основ описания и прогнозирования солнечной активности. Результатом проекта является математическая модель солнечной активности, основанная на понимании физических процессов, протекающих на Солнце, и ее программная реализация, что обеспечивает прогнозирование солнечной активности в среднесрочной и долговременной перспективе. Эпоха последних десятилетий характеризуется заметным снижением магнитной активности Солнца. Данный факт, подкрепленный также оценками, полученными рядом ученых, может являться предвестником значительного снижения в ближайшем будущем солнечной активности, которое, в свою очередь, может привести к существенным изменениям земного климата, факторов, влияющих на формирование погоды на Земле, и, в целом, условий существования и жизнедеятельности человека. Состояние солнечной активности значительным образом влияет на космическую погоду, телекоммуникационную технику, условия распространения радиоволн и навигации, безопасность авиационных и космических полетов, особенно на высоких широтах. Климатические изменения, происходящие сегодня на планете представляют собой серьезный вызов всему человечеству. С одной стороны, в течении последних десятилетий наблюдалось глобальное потепление, с другой - межледниковый период, в котором мы живем, по мнению многих климатологов явно затянулся. Это означает, что на относительно короткой временной шкале (десятки и сотни лет) привычное потепление может смениться глобальным похолоданием. Свой вклад в этот, процесс может внести и солнечная активность. Вариации межпланетного магнитного поля Солнца, обусловленные солнечной активностью, могут оказывать известное влияние на земной климат, например, за счет возрастания оптического альбедо Земли из-за увеличения размера ледяных аэрозолей высотных ледяных облаков. На это указывает заметное похолодание, сопровождавшееся ослабление солнечной активности во время минимума активности 17-18 веков. В этой связи изучение солнечной активности представляет собой важную задачу, как с научной, так и с прикладной точек зрения. Разработанная в рамках проекта теория открывает широкие возможности для решения практических задач. Надежные знания о солнечной активности важны для прогноза космической погоды, в частности, прогноза гео-магнитных бурь, условий распространения радиоволн и их влияния на работу навигационных систем, обеспечения безопасности пилотируемых космических полетов, прогноза воздействия солнечной активности на распределенные системы, такие как электросети и трубопроводы, предупреждение возникновения аварийных ситуаций с космическими и воздушными летательными аппаратами (в том числе и военного назначения), влияния солнечной активности на биологические системы, прогноза радиационной и геомагнитной обстановки в приполярных областях, а также изучения и прогноза динамики солнечно-земных связей. Также важно знать и понимать временные рамки изменения и понижения магнитной активности Солнца, их глубину и потенциальную опасность для экосистемы Земли.

Details: Category: Федеральные целевые программы (ФЦП); Published: 02 March 2021; Hits: 2308

Этап №2 Обновление научно-исследовательской инфраструктуры ЦКП

Соглашение от 01.11.2019 № 075-15-2019-1655

Номер гос. регистрации АААА-А19-119121390036-8

Уникальный идентификатор проекта RFMEFI62119X0031

Приоритетное направление: Информационно-телекоммуникационные системы (ИТ)

Период выполнения: 01 января 2020 г. – 30 ноября 2020 г.

Получатель субсидии: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук (ПФИЦ УрО РАН)

1. Цель проекта

Реализация проекта направлена на развитие научно-исследовательской инфраструктуры центра коллективного пользования (ЦКП) «Исследования материалов и вещества» ПФИЦ УрО РАН для обеспечения поддержки реализации приоритетов научно-технологического развития, в том числе в кооперации с ведущими мировыми научными центрами, расширение перечня и комплексности оказываемых услуг, а также круга пользователей для обеспечения максимальной загрузки оборудования ЦКП и обеспечения эффективного участия в реализации стратегии научно-технологического развития Российской Федерации.

2. Основные результаты проекта

В рамках второго этапа (заключительного) выполнения работы по гранту ФЦП проведена глубокая модернизация приборного парка ЦКП «Исследования материалов и вещества», приобретено четыре единицы оборудования на общую сумму 60 миллионов рублей. Приобретенное оборудование позволяет получать новые научные результаты в области разработки научных основ создания новой аппаратурной базы для систем мониторинга температуры и деформации, используемых при создании SMART-материалов и конструкций, в области методов высокоэнергетического воздействия на поверхность материалов с целью создания остаточных сжимающих напряжений высокой амплитуды, в области мониторинга меж- и внутриклеточных процессов.

В 2020 году было приобретено следующее оборудование:

Комплекс для лазерного пиннинга на базе лазера Beamtech SGR-Extra-10 (КНР).
Респирометр Micro-Oxymax 10 (США).
8 канальный интеррогатор HYPERION si255-HS-08-1510-1590-5000-NO (США).
Анализатор клеточного метаболизма XFe96 Analyzer.

В рамках выполнения гранта в интересах сторонних заказчиков проведены исследований по комплексной теме «Разработка научных основ применения встроенных оптоволоконных датчиков для мониторинга процессов деформирования и разрушения полимерных композиционных материалов», разработан проект методики «Исследование кинетических параметров высокотемпературного разложения комбинированных металлооксидных катализаторов горения энергетических конденсированных систем».

Для подготовки профильных специалистов по тематике «Динамика и прочность машин» совместно с Пермским национальным политехническим университетом разработана и утверждена образовательная программа магистратуры по направлению 15.04.03 «Прикладная механика» профилю «Динамика и прочности машин, конструкций и механизмов». В образовательной программе заложены два экспериментальных практикума по механике разрушения и динамике конструкций, которые будут выполнятся на оборудовании под непосредственным руководством сотрудников ЦКП «Исследования материалов и вещества» ПФИЦ УрО РАН. Для популяризации услуг ЦКП был разработан и подготовлен информационный буклет.

За отчетные период ЦКП «Исследования материалов и вещества» ПФИЦ УрО РАН увеличена доля внешних заказов услуг и работ по сравнению с 2019 годом более чем на 10%. Так в 2020 году количество внешних организаций-пользователей научным оборудованием составило 29. Загрузка оборудования ЦКП в 2020 г. в интересах третьих лиц составила 81%.

Details: Category: Федеральные целевые программы (ФЦП); Published: 02 March 2021; Hits: 2172

Этап №1 Выполнение плана мероприятий по развитию ЦКП, направленных на модернизацию приборно-инструментальной базы, разработку новых методик и привлечение внебюджетных средств.

Соглашение от 13.05.2020 № 075-15-2020-539

Номер гос. регистрации АААА-А20-120121090066-4

Уникальный идентификатор проекта RFMEFI62120X0036

Приоритетное направление: Информационно-телекоммуникационные системы (ИТ)

Период выполнения: 13 мая 2020 г. – 30 ноября 2020 г.

1. Цель проекта

Целью работ является комплексное развитие центра коллективного пользования "Исследование материалов и вещества" (ЦКП) за счёт создания экспериментального комплекса, по ряду параметров являющегося уникальным для Российской Федерации, востребованного всеми участниками Пермского научно-образовательного центра мирового уровня "Рациональное недропользование" (НОЦ), существенно повышающего комплексность и номенклатуру перечня оказываемых услуг ЦКП и конкурентоспособности научных результатов и технологий НОЦ в Российской Федерации и за рубежом.

2. Основные результаты проекта

В рамках первого этапа (заключительного) выполнения работы по гранту ФЦП
проведена глубокая модернизация приборного парка ЦКП «Исследования материалов и вещества», приобретено девять единиц оборудования на общую сумму более 94 миллионов рублей. Приобретенное оборудование позволяет проводить комплексные исследования механических свойств природных и конструкционных структурно-неоднородных материалов, развивать научные основы применения современных оптико-волоконных технологий для мониторинга нагруженных элементов конструкций, проводить комплексные структурные, химические и физические исследования новых материалов, химических соединений и биологических структур.

В 2020 году было приобретено следующее оборудование:

Скоростная камера Photron FASTCAM SA-Z 2100K (Япония).
Газовый хроматограф с масс-спектрометрическим детектором Aglient 7890 B (США).
Микроскоп биологический Zeiss Axio Imager M2 (Германия).
Экспериментальный комплекс для исследования течения многофазных сред в составе:
- измерительный комплекс для динамических испытаний технически сложных объектов МА-8, СА-02Л (Россия);
- Nd:YAG-лазер с диодной накачкой и модуляцией добротности Centurion+ (Франция).
ВЭЖХ система 1260 Infinity II Aglient (США).
Рентгеновский томограф высокого разрешения SkyScan 1272 Bruker (Бельгия).

В рамках выполнения гранта в интересах сторонних заказчиков проведены исследований по следующим комплексным темам: исследование свойств и структуры горных пород, исследование физико-механических свойств материалов и конструкций, исследование газовых режимов рудничной вентиляции, разработан проект методики «Количественное определение ароматических и полиароматических соединений в углеводородном сырье методов хромато-масс-спектрометрии».

Для подготовки профильных специалистов по тематике НОЦ «Рациональное недропользование» совместно с Пермским национальным политехническим университетом разработана и утверждена образовательная программа магистратуры по направлению 15.04.03 «Прикладная механика» профилю «Динамика и прочности машин, конструкций и механизмов». В образовательной программе заложены два экспериментальных практикума по механике разрушения и динамике конструкций, которые будут выполнятся на оборудовании под непосредственным руководством сотрудников ЦКП «Исследования материалов и вещества» ПФИЦ УрО РАН.

В рамках метрологического обеспечения работы ЦКП «Исследования материалов и вещества» ПФИЦ УрО РАН в 2020 году проведена поверка испытательных машин. Для популяризации услуг ЦКП был разработан и подготовлен информационный буклет.

За отчетный период ЦКП «Исследования материалов и вещества» ПФИЦ УрО РАН увеличена доля внешних заказов услуг и работ по сравнению с 2019 годом более чем на 10%. Так в 2020 году количество внешних организаций-пользователей научным оборудованием составило 32 (из них 6 – зарубежные). Загрузка оборудования ЦКП в 2020 г. в интересах третьих лиц составила 81 %.