МГУ–2012: Научно-исследовательский институт механики
Наука
Научная работа велась в рамках 16 приоритетных направлений фундаментальных исследований.
Исследования проводились в рамках госбюджетных тем, 62 грантов РФФИ, 2 научных школ, 3 грантов Президента РФ для молодых учёных и 1 международного гранта. Подано 7 заявок на изобретение, получены 1 положительное решение на выдачу патента и 6 патентов.
«Гидродинамика высокоскоростных и нестационарных процессов»
Лаборатория экспериментальной гидродинамики. Изучены некоторые особенности автоколебательных режимов кавитационного взаимодействия соосных монолитной водяной и кольцевой газовой струй со встречным потоком воды. Найдены зависимости частоты автоколебаний, максимального перемещения кавитационной полости навстречу натекающему потоку и амплитуды этого перемещения от диаметра трубы и числа Фруда. Обоснован вывод о механизме возникновения автоколебаний. Обнаружена возможность существенного увеличения дальнобойности встречной струи жидкости за счёт подачи в её окрестность струи газа.
Лаборатория нестационарной гидродинамики. Продолжены экспериментальные исследования автоколебательных режимов истечения струи в плоский канал, с поддувом воздуха в заглушенную его часть (каверну). Анализ пульсаций показал, что существует два различных режима автоколебаний. Из них низкочастотный режим связан с взаимодействием струи со стенкой канала (экраном). Имеется пороговый объём каверны, за которым низкочастотные автоколебания не существуют.
Экспериментально и численно изучен эффект движения погруженной в жидкость пластины навстречу набегающим волнам. Проведён двумерный расчёт взаимодействия бегущих опрокидывающихся волн с пластиной, имеющей одну поступательную степень свободы вдоль горизонтальной оси. Обнаружен режим быстрого (порядка половины фазовой скорости) движения наклонной пластины по волнам с постоянной скоростью. Результаты экспериментов и расчётов хорошо согласуются между собой.
«Устойчивость гидродинамических течений и турбулентность»
Лаборатория экспериментальной гидродинамики. Экспериментально и численно изучено влияние задаваемых возмущений на переход к турбулентности в случае течения вязкой несжимаемой жидкости во вращающемся сферическом слое. Показано, что с увеличением амплитуды возмущения происходит разрушение исходного течения и формирование турбулентных режимов течения с перемежаемостью ламинарных и турбулентных режимов.
Продолжены экспериментальные исследования течения в коротком безотрывном диффузоре с проницаемой перегородкой в выходном сечении. Проведены экспериментальные исследования характеристик диффузора при числе Маха входного потока до M = 0.3. При увеличении диаметра канала в 3 раза на длине 0.5 входного диаметра получен переход более 23% входного скоростного напора в статическое давление на выходе.
Лаборатория общей аэродинамики. Построен алгоритм и проведена серия расчётов турбулентных порывов в круглых трубах – локализованных в пространстве метастабильных вихревых образований, наблюдающихся в диапазоне переходных чисел Рейнольдса. Воспроизведены и детально изучены известные из экспериментов процессы рождения, спонтанной гибели и деления турбулентного порыва. Выполнен комплекс численных исследований возможности снижения турбулентного сопротивления при обтекании гладкой пластины за счёт её поперечных осцилляций и продольного оребрения. Найдены параметры рёбер и осцилляций, приводящие к 13% снижению общего сопротивления (с учётом энергетических затрат на преодоление бокового сопротивления на осциллирующей пластине), что на 60% превышает эффект каждого из способов (продольное оребрение и поперечные осцилляции) воздействия на турбулентный поток.
Численно изучены особенности конвективных движений жидкости при немонотонном распределении плотности по высоте. Такая ситуация характерна, в частности, для воды при температуре в окрестности 40 С. Исследованы бифуркации некоторых двумерных режимов, описан сценарий перехода к хаосу и возникновения перемежаемости.
Проведены теоретические и экспериментальные исследования ползущих течений с образованием кавитационных разрывов. Определены условия возникновения газовых пузырей в жидкости, двигающейся в узком зазоре между вращающимися эксцентрическими цилиндрами. Сформулирован критерий отрыва жидкости от стенки, получены соответствующие критические значения параметров.
«Механика сред, взаимодействующих с электрическими и магнитными полями»
Лаборатория общей гидромеханики и лаборатория кинетических процессов в газах. Изучены автоколебательные режимы разряда между вертикально расположенными электродами, связанные с периодическим выбросом плазмоидов, обусловленным конкуренцией пондермоторных сил и сил плавучести. Выявлены стабильные режимы с круговым движением опорного анодного пятна по торцевой поверхности электрода. Посредством сравнения видео и инфракрасных изображений разряда и электродов показано, что ИК-диагностика дает более детальные данные о структуре дуговых разрядов.
Лаборатория физико-химической гидродинамики. Проведён анализ новых для электрогидродинамики задач о течениях электризующихся сред (типа сильных и слабых электролитов) в нано-размерных каналах, когда характерный размер поперечного сечения канала сопоставим с дебаевским радиусом экранирования в среде. Исследованы течения в плоских наноканалах со стенками, имеющими разные электрохимические свойства, изменяющиеся по длине канала. Изучены гидродинамические особенности таких течений в приложенных вдоль канала внешних электрических полях (асимметрия профиля скорости, возвратные течения вблизи стенок).
Теоретически изучена структура плоской межфазной поверхности на границе магнитной жидкости и не смешивающейся с ней немагнитной несжимаемой жидкости в рамках модели двухкомпонентной среды. Показано, что при определённых значениях параметров имеет место существенная адсорбция на границе раздела магнитных наночастиц из объёма. Степень данной адсорбции зависит от напряжённости магнитного поля и приводит к изменению поверхностного натяжения на границе раздела фаз.
Исследовано ускорение ударных волн и частиц в газах при падении до нуля начальной плотности среды, что актуально для процессов, происходящих в атмосфере Солнца, где наблюдаются выбросы частиц плазмы, достигающие 0.8 скорости света. Впервые в рамках адиабатического движения газа обнаружен режим обострения, при котором ударная волна уходит на бесконечность за конечное время.
Решена задача о колебательном течении анизотропно поляризующейся дисперсной среды в зазоре между стенками в сильном поперечном электрическом поле. Результаты могут применяться для диагностики микродисперсных сред.
Построена нелинейная модель развития неустойчивости Розенцвейга в тонком по сравнению с капиллярной длиной слое нелинейно намагничивающейся вязкой феррожидкости на начальном интервале времени, когда область, занятая жидкостью, является односвязной.
«Движение сплошных сред с физико-химическими превращениями»
Лаборатория физико-химической газодинамики. В задаче гиперзвукового обтекания разреженным газом затупленных стреловидных крыльев под углом атаки получены аналитические зависимости коэффициентов теплопередачи, трения и давления от параметров набегающего потока, геометрии профиля крыла, угла стреловидности и угла атаки. Предложено уточнённое условие для скачка температуры на поверхности, позволившее расширить область применимости разработанной асимптотически согласованной модели вязкого ударного слоя для расчёта теплопередачи на весь переходной режим гиперзвукового обтекания вплоть до свободномолекулярного.
Разработана методика экспериментально-расчётного определения КПД плазмотрона АДТ ВАТ-104 ЦАГИ, основанная на сравнении рассчитанного и измеренного в эксперименте давления в разрядном канале.
Исследована аэродинамика и теплообмен пространственной компоновки сферически затупленный конус–цилиндр–оперение при численном моделировании её гиперзвукового обтекания потоком газа с учётом турбулентности. Получено удовлетворительное согласие по теплообмену с трубным экспериментом при М = 5–9.
Решена задача о разрушении метеороида шаровой формы, движущегося с гиперзвуковой скоростью в атмосфере Земли. Использован критерий Мизеса-Генки для его упругого разрушения. Дано объяснение наблюдательных данных (кривой светимости крупного болида), связанное с последовательным дроблением на первой стадии, которое позволило вычислить число образовавшихся фрагментов, и c внезапным разрушением шара на заключительном этапе, дающее пик светимости.
Лаборатория кинетических процессов в газах. В экспериментах на ударных трубах при скоростях ударных волн, близких к первой космической, измерены абсолютные интенсивности излучения воздуха в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Полученные результаты являются тестовыми для моделирования радиационных потоков на поверхность спускаемых аппаратов.
Лаборатория кинетических процессов в газах и лаборатория газодинамики взрыва и реагирующих систем. Получены новые экспериментальные данные о диссоциации кислорода при температурах до 11 000 К. Полученные данные об эволюции температуры и концентрации кислорода за фронтом ударной волны позволили определить константу скорости диссоциации в термически неравновесных условиях и предложить новую эмпирическая модель этого процесса.
Лаборатории газодинамики взрыва и реагирующих систем. Проведено численное моделирование газовой детонации в прямых и закрученных каналах квадратного, прямоугольного, круглого и эллиптического сечения при инициировании вблизи закрытого конца мгновенным подводом энергии. Получена трёхмерная ячеистая структура детонации, которая возникает спонтанно из плоской одномерной детонационной волны в силу развития неустойчивости. Расчёты проведены на суперкомпьютере «Ломоносов».
Показана возможность стабильного детонационного горения водородовоздушных смесей в сверхзвуковых потоках при регулярном взаимодействии наклонных ударных волн, формирующихся в осесимметричном конвергентно-дивергентном сопле с коаксиальным внутренним телом.
Численно изучены особенности распространения детонационной волны в сверхзвуковом потоке стехиометрической водородно-воздушной смеси в плоских каналах постоянного и переменного сечения с целью определить условия, обеспечивающие стабилизацию детонации. Для различных чисел Маха входящего потока определены геометрические характеристики канала, обеспечивающие стабилизацию детонационного горения.
Выполнены экспериментальные исследования влияния размера критического сечения кольцевого сопла на его тяговые характеристики при продувке воздухом комнатной температуры и высокотемпературными продуктами сгорания стехиометрических ацетилено-воздушных смесей.
В рамках уравнений Навье-Стокса с учётом физико-химических превращений, характерных для высокотемпературного газа, выполнено численное исследование обтекания и теплообмена спускаемого аппарата в атмосфере Марса. Определены конвективные и радиационные тепловые потоки в зависимости от каталитической активности поверхности и термической неравновесности газа.
«Газовая динамика и теплообмен»
Лаборатория общей аэродинамики и лаборатория аэромеханики и волновой динамики. Проведены аэродинамические испытания на установке А-6 для определения ветровых и снеговых нагрузок на модели центрального олимпийского стадиона г. Сочи с учётом окружающей застройки. Получены значения коэффициентов ветрового давления, а также характеристики снеговых отложений в зависимости от угла набегающего ветрового потока.
Выполнен цикл экспериментальных исследований явлений аэродинамической интерференции при обтекании макетов ансамблей высотных зданий городской застройки. Разработана и экспериментально обоснована методика определения пиковых ветровых воздействий на проницаемые ограждения вентилируемых фасадных систем высотных сооружений с учётом сдвига фаз внешнего и внутреннего колебаний давления.
Численно и экспериментально исследовано совместное обтекание и авторотация тандема ветроприёмных поверхностей типа роторов Савониуса. Обнаружено, что тандемные конструкции обладают большей способностью к отбору удельной ветровой энергии, чем уединённые роторы.
Лаборатория аэромеханики и волновой динамики. Решён цикл фундаментальных и прикладных сопряжённых задач динамики, гидродинамики и конвективного теплообмена на основе вихревого бессеточного моделирования взаимодействий вязкой теплопроводной жидкости с колеблющимися и деформирующимися телами, объяснены механизмы перестройки вихревых и тепловых следов за колеблющимися цилиндрическими стержнями.
В задаче о сверхзвуковом обтекании осесимметричных тел с кольцевыми кавернами на боковой поверхности выявлены и классифицированы режимы аэродинамического гистерезиса, когда при непрерывном изменении относительной длины каверны и/или угла атаки тела наблюдаются неоднозначные сценарии перестройки ударно-волновой схемы сверхзвукового обтекания. Исследование выполнено методами численного и физического моделирования. В вычислительном эксперименте явление аэродинамического гистерезиса сверхзвукового обтекания кольцевой каверны воспроизведено впервые.
Лаборатория аэромеханики и волновой динамики и лаборатория гиперзвуковой аэродинамики. Получены новые результаты, имеющие принципиальное значение для понимания механизмов генерации вихревых структур, влияющих на сопротивление и теплообмен поверхностей с искусственными рельефами. Экспериментально идентифицированы дискретные непериодические состояния течения в полусферическом углублении на плоской стенке и показана возможность стабилизации этих структур с помощью малоразмерных пассивных элементов управления придонным течением. Соответствующие трехмерные вихревые структуры и сопутствующие им интегральные термогидравлические характеристики сферических лунок детально изучены с помощью численного моделирования.
Лаборатория гиперзвуковой аэродинамики. С использованием экспериментальных и расчётных данных показано, что в симметричных и несимметричных конических течениях, относящихся к свободному типу взаимодействия, остается справедливым фундаментальное свойство отрыва турбулентного пограничного слоя – совпадение интенсивности косого скачка уплотнения в l-конфигурации ударных волн, образующейся над областью отрыва, и уровня «плато давления». Результаты расчётов энтропийной функции для частиц, прошедших косой и замыкающий скачки уплотнения l-конфигурации ударных волн, для всех типов отрыва показывают минимальное производство энтропии. Полученные данные позволяют утверждать, что наблюдаемый в эксперименте конический характер течения с отрывом турбулентного слоя является проявлением принципа минимального производства энтропии.
Выполнен анализ результатов измерений электронной концентрации и электронной температуры в ближнем следе за конической моделью при её сверхзвуковом обтекании разреженным потоком воздуха при наличии испарения окиси молибдена. Показано, что в следе температура электронов заметно превышает поступательную температуру газа. Величина электронной концентрации в присутствии окиси молибдена оказалась меньше, чем в чистом воздухе. Дано объяснение этим закономерностям.
Получено асимптотическое решение уравнений радиационной газодинамики, описывающих стационарное взаимодействие двух гиперзвуковых потоков газа, исходящих из двух идентичных сферических источников. Исследованы зависимости формы ударной волны и распределения лучистого потока на плоскости от параметров задачи.
Экспериментально установлено, что при числе Маха М = 6 тепловыделяющий элемент на основе карбид-кремниевой керамики, размещённый на боковой поверхности тела вращения, разогреваемой до 22000 С, за время эксперимента (от 90 до 170 сек) не оказывает влияния на донное давление.
Лаборатория гиперзвуковой аэродинамики и лаборатория общей гидромеханики. Предложены новые циклы тепловых и холодильных машин, основанные на реализации процессов подвода и отвода тепла с использованием методов газодинамической температурной стратификации потоков сжимаемого газа. Проведено численное моделирование процессов газодинамики и теплообмена предлагаемых энергоразделяющих устройств. Проведённые эксперименты подтверждают основные теоретические выводы и являются надёжной основой для проведения оптимизационных расчётов и выдачи практических рекомендаций.
Лаборатория механики многофазных сред и лаборатория гиперзвуковой аэродинамики. Исследован процесс энергоразделения газа с числом Прандтля, отличным от 1, в теплообменнике, состоящем из двух соосных осесимметричных трубок, по которым газ течёт с до- и сверхзвуковой скоростью. Обмен теплом между газовыми потоками происходит вследствие отличия коэффициента восстановления от 1. В квазиодномерном приближении рассмотрены различные геометрии каналов теплообменника. Показано, что в расширяющемся канале показатель энергоразделения существенно выше, чем в цилиндрическом.
Лаборатория газодинамики взрыва и реагирующих систем. Выполнено численное исследование взаимодействия затупленных тел, движущихся с высокими скоростями, с атмосферными неоднородностями искусственного и естественного происхождения. В отдельных случаях зафиксирован эффект возникновения аномально высоких ударных нагрузок на теле за счёт кумуляции волн сжатия в приосевой области.
Выполнено численное исследование взаимодействия ударной волны с эллипсоидальными областями газа повышенной и пониженной плотности. Выделены качественно новые режимы кумуляции скачков уплотнения на оси симметрии. Определена зависимость параметров газа в области кумуляции от удлинения эллипсоида.
Завершён первый, основной этап работ по созданию новой экспериментальной, методической, учебной установки – «Газодинамический диагностический стенд – ГДС», предназначенной для выполнения исследований по взаимодействию ударных волн с газовыми неоднородностями, отработки новых диагностических методик и проведения студенческого практикума.
«Механика природных процессов»
Лаборатория общей гидромеханики. В приближении тонкого слоя найдено автомодельное решение задачи о растекании вязкой жидкости по горизонтальной плоскости от точечного источника при условии частичного проскальзывания жидкости на стенке. Результаты используются при моделировании лавовых потоков.
На основе разработанной модели неизотермической многофазной фильтрации с учётом реального геологического строения формации Йохансен (Северное море) на суперкомпьютере МГУ проведены трёхмерные расчёты захоронения углекислого газа. Показано, что существует более оптимальное по сравнению с проектируемым положение нагнетательной скважины, при котором большая часть газа будет захоронена. Проведено исследование распространения нелинейных волн в пористой среде с учётом фазовых переходов между жидкой и газовой фазой углекислого газа.
Построена модель вулканической системы, состоящей из двух вертикально расположенных взаимосвязанных магматических очагов, связанных с поверхностью. Изучена связь изменения давления в очагах и период колебания расхода магмы в процессе извержения с сопротивлением канала между очагами.
Лаборатория общей аэродинамики.
Обработаны данные наблюдений метеорных тел Института астрофизики Таджикистана и Европейской болидной сети двумя методами, основанными на использовании наблюдаемого торможения и термодинамического разрушения метеорных тел в атмосфере Земли. Исследованы кривые светимости малых метеорных тел и дано объяснение расхождения фотометрических и динамических оценок масс по данным обработки наблюдений Канадской болидной сети. Изучены последствия ударов природных космических тел о поверхность Земли. Получены критерии выпадения метеоритов и образования кратеров после входа космических тел в атмосферу. Определены условия образования больших кратеров на твёрдой поверхности планеты.
Лаборатория механики природных процессов. На основе решения задачи о «Большом взрыве» дано рациональное объяснение и количественное описание феномена различия скоростей разлёта галактик. Дано простое и естественное объяснение открытого в 2011 г. множества (миллиарды) сформировавшихся 10–12 млрд лет тому назад совсем «юных» галактик, в которых практически отсутствовала «тёмная материя».
«Биомеханика»
Лаборатория общей гидромеханики. На основе математического моделирования оболочки глаза разработана и апробируется методика определения гидравлических и упругих характеристик глаза пациента при клиническом обследовании. Методика включает измерения внутриглазного давления под грузами разного веса и давления при длительном приложении механической нагрузки и после её снятия.
В рамках исследований надклеточных механизмов реакции эмбриональных тканей на механические напряжения в раннем эмбриогенезе животных, экспериментально доказано наличие активного отклика в ответ на локальное растяжение при втягивании зародыша лягушки в капилляр.
Лаборатория биомеханики. С помощью рентгеновской дифракции высокого временнóго разрешения измерены субнанометровые перемещения молекулярных моторов мышцы при совершении ими механический работы и при растяжении под действием внешней силы, что позволяет лучше понять молекулярный механизм работы мышц и поглощения ими кинетической энергии в фазе приземления при беге и прыжках.
Исследованы механизмы агрегации эритроцитов человека, которая определяет повышение вязкости крови при течении по микрососудам при низких скоростях сдвига. Впервые оценена роль взаимодействия молекул фибриногена с эритроцитами в этом процессе. Она проявляется в небольшом ускорении агрегации эритроцитов, а примерно в трети случаев – еще и в существенном возрастании прочности агрегатов.
«Динамические воздействия на сплошные среды и конструкции»
Лаборатория динамических испытаний. Получены решения новых нестационарных осесимметричных задач о распространении поверхностных возмущений в псевдоконтинууме Коссера со сферическими границами. Полученные результаты обеспечивают возможность исследования поведения различных конструкций из композиционных материалов при действии на них нестационарных нагрузок.
Построены точные решения осесимметричных задач о распространении упругих волн в полубесконечных круговых цилиндрических оболочках с граничными условиями различного типа. В рамках теории Тимошенко решён ряд задач о приложении к торцу оболочки импульсных нагрузок.
Лаборатория упругости и пластичности. Разработаны математические модели для разномасштабных процессов пробивания многослойных преград на основе тканых композитов и арамидных волокон. Решена задача об удержании оборвавшейся лопатки авиационного газотурбинного двигателя корпусом, усиленным дополнительной защитой из 100-слойного тканого композита.
«Механика упругопластических сред и конструкций»
Лаборатория упругости и пластичности. В экспериментах на растяжение образцов с неподготовленной (крупнозернистой) структурой в режиме сверхпластичности установлен характер запаздывания вида диаграммы деформирования при скачкообразном изменении скорости деформации.
При исследовании процесса равноканального углового прессования выявлено влияние упрочнения материала на характер деформированного состояния.
Для усеченной конической ортотропной оболочки определены собственные осесимметричные формы малых колебаний и устойчивости при действии комбинированной внешней нагрузки.
В длинноволновом приближении в рамках трёхмерной теории упругости решена задача о распространении свободных волн в бесконечной трёхслойной пластине.
В задаче Л.А.Галина о пластине с круговым отверстием, растягиваемой в двух взаимно перпендикулярных направлениях, построены качественно новые аналитические и численные решения при значениях параметров, для которых известное классическое решение неприменимо.
Предложен новый способ осреднения в задачах о плоском напряжённом состоянии, который используется в соотношениях оптического метода исследования напряжений.
«Ползучесть, длительная и высокотемпературная прочность материалов и элементов конструкций»
Лаборатория ползучести и длительной прочности. Построено решение пространственной периодической контактной задачи о скольжении штампа, имеющего на поверхности периодическую структуру, по вязкоупругому основанию при наличии в зазоре несжимаемой жидкости.
Проведена серия экспериментальных исследований характеристик деформирования и разрушения конструкционных графитовых материалов. Установлены и теоретически обоснованы условия устойчивого и неустойчивого роста трещин в элементах конструкций из подобных материалов при изгибе.
Проведены испытания на растяжение при сложных программах нагружения полимерного материала на основе синтетического каучука, содержащего в качестве усиливающего наполнителя нано-размерные частицы окиси кремния. Показано, что диаграммы «напряжение-деформация» при подобных нагружениях существенно зависят как от скорости деформации, так и от порядка чередования участков частичной разгрузки и релаксации напряжения.
Проведено моделирование виброползучести металлов при одноосном и сложном напряжённых состояниях. Показано, что эффект виброползучести (резкое возрастание скорости ползучести) проявляется только при сложном напряжённом состоянии.
Разработаны модели и критерии эквивалентности сложных напряжённых состояний при исследовании конструкционной длительной прочности и проведена экспериментальная проверка предложенных критериев конструкционной усталостной трещиностойкости.
Решена задача определения неоднородных температурных полей в плоском образце в условиях локального лазерного воздействия на поверхность материала.
Предложен метод бесконтактного измерения деформационных характеристик образцов, находящихся в печи, при высоких температурах. В результате проведенных испытаний впервые в таких условиях получена информация о появлении шейки и увеличении её размеров во времени.
Лаборатория ползучести и длительной прочности и лаборатория ползучести и прочности при высоких температурах. Решён цикл задач о ползучести и длительной прочности стержней в условиях чистого изгиба, находящихся в агрессивной среде. Показана зависимость характерных параметров от средней концентрации агрессивной среды при учёте разносопротивляемости материала стержней растяжению и сжатию.
Лаборатория ползучести и прочности при высоких температурах. Дан анализ тензорно нелинейных определяющих соотношений, связывающих девиаторы напряжений и скоростей деформаций в несжимаемых изотропных средах Рейнера–Ривлина. Даны точные аналитические решения задач о диффузии вихревого слоя и вихревой нити в таких средах.
Проведены испытания на потерю устойчивости предварительно напряженных стержней при температурных воздействиях со скоростями до 20000 в минуту. Показана зависимость критической нагрузки от скорости изменения температуры на поверхности образца.
«Механика многокомпонентных и многофазных сплошных сред»
Лаборатория механики многофазных сред. Построены автомодельные решения задачи о растекании тонкой плёнки вязкой жидкости в поле силы тяжести по горизонтальной супергидрофобной плоской поверхности при заданном локализованном массоподводе в плёнку. Рассмотрен случай осесимметричного растекания (однородная поверхность), а также случай слабо неосесимметричного растекания, когда эффективная скорость проскальзывания жидкости зависит от расстояния до источника массоподвода по степенному закону.
На основе кинетико-МГД моделей взаимодействия солнечного ветра с локальной межзвездной средой проанализированы новые данные по спектрам поглощения в линии Лайман-альфа, полученные на КА Hubble Space Telescope. Показано хорошее совпадение между теорией и экспериментом.
«Проблемы управления движением мобильных роботов и мехатронные системы»
Лаборатория общей механики. В рамках проекта «Программно-аппаратный комплекс экзоскелетон», по заказу Минобразования и науки РФ разработано математическое обеспечение для анализа, выбора и визуализации кинематической схемы экзоскелетона. Изготовлены макеты пассивного и активного экзоскелетона. Построен алгоритм, позволяющий минимизировать затраты энергии при управлении сгибанием коленного сустава экзоскелетона.
«Динамика твёрдого тела, взаимодействующего со средой»
Лаборатория экспериментальной гидродинамики и лаборатория аэромеханики и волновой динамики.
Проведено аналитическое и численное исследование нелинейной стадии развития неустойчивости упругой пластины в сверхзвуковом потоке газа. Показано, что, в зависимости от числа Маха потока возникают разные виды предельных циклов – нерезонансные, в которых происходят колебания по одной моде, и резонансные, которые включают колебания по нескольким модам, находящимся во внутреннем резонансе. Впервые обнаружена область параметров, в которой колебания имеют хаотический характер.
Лаборатория навигации и управления. В рамках модели присоединённого «жидкого» осциллятора исследовано влияние конструкционных жёсткости и демпфирования на область устойчивости аэродинамического маятника. Построенные области устойчивости качественно соответствуют результатам описанных в литературе натурных экспериментов.
Впервые проведён параметрический анализ и построено семейство траекторий движения в вертикальной плоскости центра масс летательного аппарата (ЛА) с постоянным балансировочным углом атаки и постоянной тягой. Выявлены новые типы движений центра масс ЛА в зависимости от величин тяги и аэродинамического качества.
В пространстве определяющих параметров проведено сравнение областей устойчивости прямолинейного режима полёта для авторотирующего оперённого тела с тягой и для такого же тела, закреплённого в аэродинамической трубе. Показано, что в случае, если параметры не принадлежат объединению областей устойчивости, то в свободном полёте устанавливается режим прецессии продольной оси тела, а для закреплённого в трубе – перманентное вращение вокруг оси, составляющей ненулевой угол с направлением набегающего потока.
В пространственной динамике твёрдого тела, взаимодействующего со средой при струйном обтекании с учётом линейного демпфирования, указан новый случай интегрируемости в трансцендентных функциях.
Лаборатория навигации и управления и лаборатория общей аэродинамики. Проведены эксперименты в аэродинамической трубе А-6 с целью исследования стационарных и переходных режимов некоторых серийных ветроэнергетических установок (ВЭУ). На основании экспериментальных данных определены параметры замкнутой математической модели ВЭУ, учитывающей реактивное сопротивление в электрической цепи генератора. На базе этой модели по измерениям выходных напряжений получена оценка аэродинамического момента, действующего на турбину, как функции её угловой скорости.
Лаборатория механики природных процессов. Разработано новое программное обеспечение, позволяющее по числовой информации о форме поперечных сечений жёлоба построить 3D-модель бобслейной трассы. 3D-визуализация выявила ряд нерегулярностей геометрии жёлоба в проекте Сочинской трассы. Это дало возможность внести необходимые изменения в проектную документацию на стадии строительства трассы.
Лаборатория биомеханики и лаборатория механики природных процессов. В рамках мероприятий по подготовке сборных команд России по саням, бобслею и скелетону к зимней Олимпиаде Сочи-2014 были проведены расчёты по перепроектированию тренировочных стартовых эстакад олимпийской санно-бобслейной трассы под новое задание заказчика.
«Методы качественного анализа, оценивания и управления нелинейными механическими системами»
Лаборатория навигации и управления. Исследованы многомерные линейные нестационарные системы 2-го порядка специального класса, для которых сформулированы условия приводимости к стационарным системам. Показано, что влияние гироскопических и диссипативных сил на эти системы существенно отличается от влияния таких сил на стационарные системы. Эти результаты применены к задачам космической динамики:
1) к задаче об управлении движением космического аппарата при помощи сил светового давления в окрестности коллинеарной точки либрации плоской ограниченной круговой задачи трёх тел;
2) к задаче определения ориентации гравитационно-стабилизированного искусственного спутника Земли по измерениям, доставляемым солнечным датчиком.
Для системы с распределёнными параметрами, состоящей из двух твёрдых тел, соединённых массивным упругим стержнем, получены достаточные условия устойчивости положений относительного равновесия на круговой орбите. Проведена оценка влияния массы стержня на устойчивость равновесия.
Определено многообразие стационарных движений и получены необходимые и достаточные условия их устойчивости для движущегося по горизонтальной плоскости диска, несущего гироскоп.
Лаборатория природных процессов. Решена задача о стабилизации двухзвенного статически неустойчивого маятника с помощью вибрации. Получены новые аналитические решения в задаче о холо-хупе при учёте трения качения.
«Телекоммуникационные и информационно-вычислительные технологии в механике»
Лаборатория автоматизации экспериментальных исследований. На основе новых формальных моделей, алгоритмов управления слабоструктурированными текстовыми данными и реализующих их программных средств создана первая версия информационно-аналитической системы «ИСТИНА» для сбора, систематизации и интеллектуального анализа информации научно-технического и учебного содержания. Система принята к использованию в МГУ, завершён первый этап её испытаний.
Разработаны и реализованы программно основные положения и технологии реинжиниринга унаследуемого последовательного кода большого объёма в параллельный на основе модели супервызова и использования системы макроправил. Технология прошла апробацию на программных комплексах, моделирующих процессы в атомной энергетике.
«Наномеханика»
Лаборатория наномеханики. На основе методов квантовой механики и молекулярной динамики впервые построена замкнутая модель высокотемпературной рекомбинации на перспективном теплозащитном покрытии космических аппаратов α-Al2O3, учитывающая как ударный, так и ассоциативный механизмы рекомбинации. В широком диапазоне температуры поверхности (500–20000 К) и давления в газовой фазе (1000-7000 Па) получены величины вероятностей гетерогенной рекомбинации и тепловые потоки к поверхности, обусловленные гетерогенными каталитическими процессами. Показано, что в области низких температур (до 9000 К) реализуется в основном ударный механизм рекомбинации, а в области высоких (выше 11000 К) ассоциативный механизм рекомбинации более эффективен и обеспечивает до 70% величины вероятности рекомбинации.
Исследованы особенности функционирования пористых цеолитных материалов в процессе разделения смесей, содержащих углекислый газ. Установлена существенная зависимость прочностных свойств цеолитов от условий в газовой фазе. Показано, в частности, что в этих процессах модуль Юнга материала может уменьшаться на 35%.
Проведено сравнение результатов молекулярно-динамического моделирования рассеяния молекул водорода на поверхности графита с классическими моделями рассеяния (Максвелл, Эпштейн и др.). Проанализированы достоинства и недостатки перечисленных моделей при различных условиях. Предложено новое ядро рассеяния, которое лучше согласуется с результатами траекторных расчётов. Исследован эффект температурной транспирации в микро- и нано-электромеханических устройствах. Рассчитаны коэффициенты транспирации и функции распределения скорости, а также вероятности прохождения каналов в этих устройствах для различных отношений длины к ширине канала и моделей взаимодействия молекул газа со стенкой.
Разработан программный комплекс, обеспечивающий многоуровневое моделирование процессов горения в основных узлах авиационных двигателей от квантовомеханических расчётов коэффициентов скоростей реакций до расчётов неравновесных турбулентных трёхмерных потоков. С его помощью построена и апробирована общая модель химической кинетики горения углеводородных топлив, в т.ч. горения н-бутана и авиационного керосина в кислороде и воздухе, включающая основные блоки и реакционные цепи (свыше 2000 реакций). Тестирование модели с учётом надёжных лабораторных данных и численных экспериментов позволило получить список ключевых реакционных стадий и провести редуцирование механизма горения. Редуцированная версия механизма горения (41 химический компонент, 76 реакций) позволила провести расчёты реальных режимов горения авиационного керосина в камере сгорания перспективного авиационного двигателя. Рассчитанные тепловые схемы и данные о выходе продуктов, в т.ч. оксидов азота, из камеры сгорания позволили выработать рекомендации по оптимизации работы двигателя.
Учебная работа
Сотрудники ведут преподавательскую работу по механическим и смежным дисциплинам на механико-математическом, физическом, биологическом, геологическом факультетах и факультете наук о материалах, а также в других университетах Москвы (МГТУ, МГИУ, МГСУ, МФТИ, МАТИ, ВА РВСН). Экспериментальная и вычислительно-информационная базы института используются для проведения специальных студенческих лабораторных практикумов. В 2012 г. студенты III и IV курсов механико-математического факультета прошли обучение на 24 общих и 31 специальных лабораторных практикумах, при проведении которых использовалось уникальное в системе высшей школы экспериментальное оборудование для исследования процессов механики жидкостей и газов, механики твёрдого деформируемого тела, мехатроники.
В 2012 г. прочитано 36 курсов лекций, осуществлено руководство 16 регулярными научными семинарами.
Диссертационные, дипломные и курсовые работы выполняли 61 студент и 20 аспирантов механико-математического факультета (отделения механики и кафедры вычислительной математики) и других вузов Москвы.
В 2012 г. Институт был организатором или активным участником ряда молодёжных научных школ, конференций и фестивалей. Были проведены: VI международная летняя научная школа для российских и тайваньских студентов, открытая конференция-конкурс молодых учёных НИИ механики, два финала конкурса «У.М.Н.И.К. 2012».
Продолжалась научно-образовательная программа для школьников по механике, мехатронике и робототехнике.
Конференции
– XX международная научная конференция «Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность», посвящённая 100-летию со дня рождения акад. АН СССР Г.И. Петрова (5–11 февр.);
– Ломоносовские чтения. Секция «Механика» (16–25 апр.). Издан сборник тезисов докладов.
– международная конференция «Гидроаэромеханика и космические исследования», посвящённая 100-летию со дня рождения акад. АН СССР Г.И. Петрова (30–31 мая). Выпущен сборник трудов;
– VI международная летняя школа «Компьютерные технологии анализа инженерных задач проблем механики» (1–3 июля);
– VII международный аэрокосмический конгресс IAC'12 (26-31 авг.);
– конференция-конкурс молодых учёных института (8–10 окт.);
– тайваньско-российский симпозиум «Современные проблемы интеллектуальной мехатроники, механики и управления» (7–12 нояб.).
Доктора и кандидаты наук 2012 г.
Докторские диссертации защитили: зав. лаборатории экспериментальной гидродинамики Веденеев Василий Владимирович («Панельный флаттер при низких сверхзвуковых скоростях»); вед.н.с. лаборатории биомеханики Кубасова Наталия Алексеевна («Исследование актин-миозинового мотора в скелетной мышце с помощью рентгеновской дифракции»).
Кандидатские диссертации защитили: н.с. лаборатории упругости и пластичности Быля Ольга Ивановна («Экспериментальное исследование поведения материалов в состояниях близких к сверхпластичности»); н.с. лаборатории автоматизации экспериментальных исследований Голомазов Денис Дмитриевич («Методы и средства управления научной информацией с использованием онтологий»); мл.н.с. лаборатории аэромеханики и волновой динамики Малахова Татьяна Владимировна («Нестационарная гидродинамика и теплообмен колеблющихся тел»); н.с. лаборатории механики многофазных сред Рыбдылова Оюна Данзановна («Поперечная миграция и фокусировка инерционной примеси в сдвиговых потоках»).
Персоналии
Почётное звание «Заслуженный научный сотрудник Московского университета» присуждено вед.н.с. М.А. Зубину и вед.н.с. А.К. Цатуряну.
Почётное звание «Заслуженный работник Московского университета» присуждено нач. отдела Л.С. Алексеевой и вед.инженеру лаборатории Н.М. Матасар.
Премия РАН им. М.А. Лаврентьева присуждена вед.н.с. А.П. Сейраняну за цикл работ «Новые решения задачи Лагранжа о наивыгоднейшем очертании колонны».
Премия им. Л.И.Седова Российского национального комитета по теоретической и прикладной механике присуждена гл.н.с. В.П. Карликову за цикл работ «Новые модели и эффекты в гидродинамике стационарных и нестационарных течений со свободными границами».
Премия «Международной академической издательской компании «Наука/Интерпериодика» за лучшую публикацию 2011 г. в журнале «Известия РАН. Механика жидкости и газа» присуждена акад. РАН В.А. Левину, вед.н.с. П.Ю. Георгиевскому, мл.н.с. О.Г. Сутырину за статью «Эффект кумуляции при взаимодействии скачка уплотнения с локальной областью газа повышенной или пониженной плотности».
Международная премия по механике и прикладной математике им. Туллио Леви-Чивита присуждена вед.н.с. А.П. Сейраняну за выдающиеся фундаментальные результаты по механике и прикладной математике.
За заслуги перед отечественной космонавтикой медаль Федерации космонавтики России им. М.В. Келдыша присуждена зав.лаб. В.Л. Ковалёву, зав.лаб. В.И. Сахарову, гл.н.с. Г.А. Тирскому.
Грант Президента РФ для молодых учёных – кандидатов наук получили: н.с. Н.А. Лебедева, ст.н.с. А.Г. Здитовец, ст.н.с. И.С. Мануйлович.
Публикации
Опубликовано 2 монографии, 5 глав в монографиях, 1 учебное пособие, 4 раздела в БРЭ, 6 сборников трудов. Опубликовано статей в отечественных и зарубежных журналах – 131 и 57 соответственно, в сборниках – 201, тезисов докладов – 427.