МГУ–2013: Научно-исследовательский институт механики

Наука. Научная работа велась в рамках 16 приоритетных научных направлений фундаментальных исследований. Исследования проводились в рамках госбюджетных тем, 63 грантов РФФИ, 2 научных школ, 1 гранта Президента РФ для молодых учёных и 1 международного гранта. Подано 19 заявок на изобретение, получено 7 патентов.

НИИ механики (9 лабораторий) принимал участие в выставке «День инноваций Министерства обороны РФ» (20 авг.).

Золотая медаль VI международного салона «Комплексная безопасность» (21–24 мая) была вручена коллективу лаборатории общей механики (и.о. зав. лаб. гл.н.с. А.М. Формальский) в номинации «Лучшие инновационные решения в области комплексной безопасности».

Лаборатория общей механики была также награждена дипломами 1-й степени Международного авиационно-космического салона (МАКС 2013, 27 авг. – 1 сент.) за разработку: 1) первого в России пассивного экзоскелета; 2) программно-аппаратного комплекса «Экзоскелетон»; 3) в интересах Министерства РФ по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий.

С 2011 г. в лаборатории разрабатывается экзоскелет, предназначенный для помощи человеку при переноске больших тяжестей. В результате исследований построено два экзоскелета – пассивный и активный. Каждый из них представляет собой семизвенный механизм, состоящий из корпуса и двух трёхзвенных ног, содержащих бедро, голень и стопу. Тем самым, экзоскелет, с некоторой степенью детализации, повторяет скелет человека. Звенья механизма соединяются одно с другим шарнирами. Бедро имеет относительно корпуса три степени свободы. Голень соединяется с бедром цилиндрическим шарниром – с одной степенью свободы. Стопа, так же как у человека, имеет относительно голени три степени свободы. Ходьба человека, в т.ч. облачённого в экзоскелет, представляет собой последовательность чередующихся одноопорной и двухопорной фаз. В одноопорной фазе (в фазе переноса), когда одна нога находится на опоре, а другая переносится, экзоскелет имеет 14 степеней свободы.

Алгоритм управления пассивным экзоскелетом состоит в запирании и освобождении коленных суставов поочерёдно левой и правой ноги. Коленный сустав переносимой ноги запирается в момент её постановки на опорную поверхность. Сустав освобождается в момент, когда нога отрывается от поверхности. Каждая нога активного экзоскелета управляется при помощи гидроцилиндра, сгибающего и разгибающего ногу в коленном суставе.

Олимпиада в Сочи. В 2013 г., в рамках мероприятий по подготовке сборных команд России по саням, бобслею и скелетону к зимней Олимпиаде, в НИИ механики были проведены необходимые расчёты по проектированию тренировочных эстакад, воспроизводящих стартовые участки санных и бобслейных дисциплин олимпийской санно-бобслейной трассы в Сочи. Работы по строительству эстакады к олимпийским играм были завершены. Руководитель работ зав. лабораторией биомеханики А.А. Шахназаров, соисполнитель вед. программист А.В. Остроумов.

Многомерные нестационарные газодинамические течения. В лаборатории газодинамики взрыва и реагирующих веществ разработан оригинальный комплекс программ для расчёта многомерных нестационарных газодинамических течений с ударными и детонационными волнами в каналах и камерах сгорания сложной, в т.ч. изменяющейся во времени геометрической конфигурации. Реализованы оригинальные эффективные алгоритмы расчёта и визуализации многомерной газовой детонации на высокопроизводительных ЭВМ с параллельной архитектурой. Расчёты проведены на суперкомпьютере «Ломоносов» с числом расчётных ячеек от 0,1 до 10 млрд. В частности, удалось получить важный фундаментальный результат: смоделировать в расчётах такие сложные нестационарные трёхмерные физико-химические явления, наблюдавшиеся ранее в экспериментах, как спонтанное развитие трёхмерной ячеистой детонации и «спиновой» детонации в трубе круглого сечения. Также получены результаты численного моделирования трёхмерной газовой детонации в закрученных каналах квадратного, прямоугольного, круглого и эллиптического сечения, которые могут иметь практическое приложение к созданию гиперзвуковых прямоточных камер сгорания перспективных реактивных двигателей.

Руководитель работ зав. лабораторией газодинамики взрыва и реагирующих веществ В.А. Левин, соавторы: ст.н.с. И.С. Мануйлович, вед.н.с. В.В. Марков.

 

 

Лаборатория экспериментальной гидродинамики. Экспериментально изучены гидродинамические эффекты, возникающие при проникании свободных конических турбулентных струй через свободную поверхность жидкости. Найдены диапазоны параметров, при которых наблюдаются устойчивые регулярные поперечные автоколебания границ куполообразных струй. Проведён анализ причин возможных бифуркаций режима колебаний.

Проведена комплексная работа по восстановлению и модернизации измерительного оборудования плоского рабочего участка гидродинамической кавитационной трубы. Установлены современные силоизмерительные системы и система контроля параметров потока. Организовано проведение химической очистки внутренних поверхностей гидротрубы.

Лаборатория общей аэродинамики. Экспериментально исследовано возникновение кавитации в тонком зазоре между цилиндрическим телом и движущейся стенкой. Определена граница возникновения кавитационных пузырьков в зависимости от скорости движения стенки, величины зазора и вязкости жидкости. Показано, что кавитационные пузыри образуются на поверхности цилиндрического тела за линией минимального зазора.

Лаборатория нестационарной гидродинамики. Экспериментально реализованы различные режимы автоколебаний искусственной плоской вентилируемой каверны. Теоретические исследования подтвердили существование в таких течениях нелинейных режимов самоподдерживающихся колебаний.

Экспериментально и численно изучалось обнаруженное ранее движение наклонной затопленной пластины навстречу набегающим волнам в зависимости от определяющих параметров. Установлено, что скорость движения пластины навстречу волнам немонотонно зависит от длины волн, а уменьшение глубины канала ведет к снижению скорости. В развитие изучения указанного явления создана и испытана в канале на волнении модель свободно плавающего судна-катамарана с расположенной между корпусами наклонной пластиной. Установлено, что скорость движения судна-катамарана против волн превосходит скорость движения жёстко закрепленной пластины на тележке.

 

 

Лаборатория общей аэродинамики. Найдены и подтверждены дополнительными вычислениями параметры осциллирующей оребренной поверхности, обеспечивающие снижение турбулентного сопротивления на 13.6% (при учёте всех дополнительных энергетических затрат) по сравнению с трением на гладкой неподвижной стенке.

Впервые численно найдены и изучены турбулентные порывы (метастабильные пространственно-локализованные структуры) в плоском канале. Реализован алгоритм расчёта периодических во времени турбулентных порывов, возникающих на сепаратрисе, разделяющей области притяжения ламинарного и турбулентного режимов в круглой трубе.

Численно изучены конвективные движения жидкости, возникающие в плоском слое в случае, когда максимум плотности жидкости находится внутри слоя. Рассчитаны и определены свойства квазипериодических и хаотических режимов. Обнаружена неединственность решений.

Продолжены работы по созданию высокоэффективных вычислительных подходов решения больших систем линейных алгебраических уравнений на современной многопроцессорной технике. Создана трёхуровневая модель распараллеливания алгоритмов итерационных методов для распределенных вычислительных систем. Найден способ сокращения времени расчётов на 20% за счёт использования смешанной (двойной/одинарной) точности вычислений. Дополнительно получено двукратное ускорение за счёт использования графических ускорителей.

Лаборатория экспериментальной гидродинамики. В экспериментах по изучению течений в сферических слоях обнаружены турбулентные течения с перемежаемостью двух видов: «хаос-хаос» и «цикл-хаос-хаос». В первом случае речь идет о произвольном чередовании во времени участков со слабой и сильной турбулентностью. Во втором – с произвольным чередованием во времени ламинарных участков и участков со слабой и сильной турбулентностью.

Проведена модернизация измерительной аппаратуры газодинамических установок лаборатории. Сконструирована и изготовлена новая экспериментальная установка для формирования плоских струйных течений.

 

 

Лаборатория общей гидромеханики. Построено одномерное стационарное фоновое решение и исследованы вольт-амперные характеристики течений электропроводной сплошной среды, обусловленных джоулевым тепловыделением в наклонном плоском слое в поле силы тяжести. Показано, что существуют S-образные зависимости плотности тока от напряжения, когда при заданном напряжении возможно три решения с разными плотностями тока.

Изготовлена стендовая установка для исследования способов стабилизации и дестабилизации разряда, связанных с наложением внешнего магнитного поля. Проведена серия экспериментов для разрядов между стержневыми графитовыми электродами при токах до 400 А. Их анализ показал стабилизирующее воздействие на разряд обжимающего внешнего магнитного поля и дестабилизирующее (вплоть до гашения) – при растягивающем воздействии наложенного поля.

Лаборатория общей аэродинамики. Разработан и реализован вычислительный алгоритм решения системы трёхмерных уравнений Нернста-Планка-Пуассона-Стокса. Проведено исследование электрокинетической конвекции в растворе электролита между полупроницаемыми поверхностями.

Лаборатория физико-химической гидродинамики. На основе численного решения задачи о структуре слоёв жидкости в межэлектродном пространстве при наличии приложенного к электродам напряжения изучены физические механизмы, которые вызывают потерю устойчивости состояния покоя либо ламинарного стационарного движения. Анализ полученных решений позволяет построить несколько сценариев развития возмущений, аналогичных известным в обычной гидродинамике, таким как Релей-Тейлоровская неустойчивость, термогравитационная неустойчивость и сдвиговая неустойчивость Кельвина-Гельмгольца. Реализация каждого из них зависит от условий на поверхности электродов.

Исследована структура межфазного слоя на границе магнитной жидкости и обычной несжимаемой жидкости во внешнем магнитном поле. Показано, что граница раздела обладает поверхностной намагниченностью. Дано качественное объяснение зависимости поверхностного натяжения от напряжённости электромагнитного поля, которая соответствует диамагнитным по нормали и парамагнитным в касательном направлении свойствам поверхностной фазы.

Получено новое сферически-симметричное решение уравнений газовой динамики со сходящейся ударной волной, обладающее свойством концентрации конечной энергии в точке. Решение построено путём применения метода двойственных решений к решению Л.И. Седова задачи о сильном взрыве.

Предложено простое замыкание уравнений Рейнольдса в теории турбулентности несжимаемой жидкости, основанное на введении внутреннего относительного движения вязкой «пыли» и, в целом, согласующееся с наблюдаемыми эффектами, в частности пригодное для описания скачка коэффициента сопротивления.

В рамках модели глубокой жидкости на базе линеаризованной системы уравнений феррогидродинамики проведено исследование неустойчивости Розенцвейга невязкой нелинейно намагничивающейся феррожидкости при наличии заданного горизонтального магнитного поля. Показано, что характерное время развития возмущений исходного состояния жидкости существенно зависит от угла между волновым вектором и направлением горизонтального поля. При этом ввиду нелинейности закона намагничивания феррожидкости горизонтальное поле при фиксированном внешнем вертикальном поле оказывает сильное влияние как на величину вертикального поля в слое феррожидкости, так и на величину критической намагниченности.

Проведено теоретическое исследование вращения частицы с «вмороженным» магнитным дипольным моментом под действием стохастической силы, вызывающей броуновское движение частицы, и сдвигового течения окружающей частицу вязкой жидкости в приложенном однородном переменном магнитном поле. С использованием результатов решения этой задачи получены выражения для продольной и поперечной по отношению к вектору напряжённости магнитного поля компонент вектора намагниченности текущей в магнитном поле суспензии сферических частиц одинакового радиуса с одинаковым дипольным магнитным моментом.

Экспериментально исследовано поведение поверхности раздела немагнитной и магнитной жидкости, содержащей цилиндрический концентратор магнитного поля, во вращающихся магнитных полях. Установлено изменение формы поверхности как магнитной, так и немагнитной жидкости. Исследованы зависимости количества немагнитной жидкости, поднимающейся над начальным уровнем, от частоты приложенного магнитного поля для различных амплитуд поля и различных объёмов магнитной жидкости.

 

 

Лаборатория физико-химической газодинамики. Проведённое численное моделирование течений в сверхзвуковых недорасширенных воздушных струях и около сферически затупленного конуса, установленного в рабочей части установки АДТ ВАТ-104 ЦАГИ, показало, что на поверхности конуса, не выходящей за границу возмущений от среза сопла, отношение давления к полному давлению в подогревателе не зависит от давления в рабочей части, расхода газа и мощности, вкладываемой в плазму, а зависит лишь от расстояния от выходного сечения сопла до критической точки модели. Значения тепловых потоков на этой части поверхности модели также совпадают при всех значениях давления в рабочей части установки. Однако теплообмен с поверхностью зависит от энерговклада в плазму и расхода подаваемого в подогреватель воздуха.

Численное исследование и сравнение с экспериментом значений давления и тепловых потоков в точке торможения на цилиндрической модели с плоским торцом в высокоэнтальпийных недорасширенных струях углекислого газа при рабочих параметрах 100-киловаттного ВЧ-плазмотрона ВГУ-4 показало хорошее согласие расчётных и экспериментальных данных.

Лаборатория кинетических процессов в газах. На ударной трубе исследована термически неравновесная диссоциация молекул кислорода за фронтом ударной волны при температурах до 11000^о К, и предложена модель этого процесса, описывающая имеющиеся высокотемпературные экспериментальные данные.

В экспериментах на ударных трубах получены данные о величине интенсивности излучения воздуха и временна́я эволюция этого излучения за фронтом ударных волн в области спектра от вакуумного ультрафиолета (120 нм) до ближней инфракрасной (850 нм) при скоростях ударных волн, близких к первой космической.

Лаборатории газодинамики взрыва и реагирующих систем. На суперкомпьютере «Ломоносов» с помощью оригинальной программы выполнено исследование развития детонации в каналах постоянного сечения при инициировании мгновенным подводом энергии вблизи закрытого конца. Показано, что, несмотря на то, что на начальной фазе течение не зависит от поперечных координат, в силу развития неустойчивости детонация на конечном расстоянии от плоскости инициирования становится существенно трёхмерной. В зависимости от размера сечения трубы и его формы в расчётах получены режимы хаотической, ячеистой и спиновой детонации, наблюдавшиеся ранее в экспериментах.

С учётом детальной кинетики химических реакций численно исследовано детонационное горение стехиометрической водородно-воздушной смеси, поступающей со сверхзвуковой скоростью в плоские каналы. Установлена возможность стабилизации сформированной ячеистой детонационной волны в плоском канале с параллельными стенками с помощью слабых дополнительных разрядов при скорости потока, существенно превосходящей скорость распространения самоподдерживающейся волны детонации. Изучено влияние числа Маха потока, энергии дополнительных разрядов и их локализации на процесс стабилизации детонационного горения.

Выполнено теоретико-экспериментальное исследование тягового модуля авиационного двигателя оригинальной компактной конструкции с кольцевым соплом и полусферической резонаторной областью. В экспериментах по продувкам сопла воздухом и в численных расчётах в рамках осредненных уравнений Навье-Стокса и приближения Буссинеска для описания процессов турбулентного переноса зафиксировано формирование устойчивого осесимметричного кольцевого потока в резонаторной области.

 

 

Лаборатория общей аэродинамики. Проведены аэродинамические испытания ветровых и снеговых нагрузок на модели многофункционального торгового центра «Радуга» в г. Санкт-Петербурге с учётом окружающей застройки. Получены характеристики снеговых отложений в зависимости от угла набегающего ветрового потока.

Лаборатория общей аэродинамики и лаборатория аэромеханики и волновой динамики. Экспериментальным методом кругового обдува определены аэродинамические характеристики моделей проектируемых парашютирующих противопожарных средств спасения с высотных зданий семейства «КСС СПАРС» с учётом влияния плоского экрана. Результаты позволяют обосновать выбор оптимальной конструкции и проводить расчёты скорости и траектории снижения спасаемого объекта при различных начальных условиях введения.

Лаборатория биомеханики, лаборатория аэромеханики и волновой динамики и лаборатория общей аэродинамики. В аэродинамической трубе А-6 проведена серия испытаний вариантов экипировки спортсменов-саночников. В роли испытателя экипировки при проведении экспериментов выступали заслуженный мастер спорта России А.М. Демченко и другие члены сборной. По результатам серии испытаний выявлен тип экипировки с наименьшим коэффициентом аэродинамического сопротивления.

Лаборатория физико-химической газодинамики. Показано, что учёт объёмной вязкости в решении задачи о структуре фронта прямой ударной волны даёт правильную толщину ударной волны, совпадающую с экспериментальными данными при числах Маха 8 и 10. Учёт объёмной вязкости в задаче сверхзвукового обтекания затупленных тел вязким теплопроводным газом в рамках решения параболизованных уравнений Навье-Стокса дает увеличение теплового потока на 10–15% и слабо влияет на сопротивление.

В задаче трёхмерного гиперзвукового обтекания затупленных тел разреженным газом в переходном режиме от континуального к свободномолекулярному получены аналитические зависимости коэффициентов теплопередачи, трения и давления от параметров набегающего потока и геометрии тела. Проведённое сравнение с различными решениями, полученными с помощью континуальных методов, модельных кинетических уравнений Больцмана и метода прямого статистического моделирования Монте-Карло показало хорошую точность полученных аналитических решений

Лаборатория аэромеханики и волновой динамики. Построено точное аналитическое решение задачи о струйном обтекании в плоскопараллельном канале проницаемой пластины с типом проницаемости 2-го рода. Результат использован для построения теории «комбинированной проницаемости», сочетающей тканевый (2-го рода) и конструктивный (1-го рода) типы проницаемости. Типичным практическим примером комбинированной проницаемости является купол парашюта из проницаемого тканого материала при наличии дополнительной распределенной перфорации.

Выполнены весовые экспериментальные исследования и визуализация обтекания моделей лобового экрана проектируемого спускаемого космического аппарата (СА) в диапазоне до- транс- и сверхзвуковых чисел Маха (0.2–2.0) и углах атаки от 0^о до 360^о. Результаты внедрены при проведении траекторных расчётов свободного падения лобового экрана на поверхность Марса после отделения от СА.

Разработаны новые расчётно-экспериментальные методики оценки эффектов паро-влаго-проницания и ветровой эрозии волокнистых материалов утеплителя в вентилируемых навесных фасадных системах строительных сооружений.

Лаборатория гиперзвуковой аэродинамики. В результате комплексных теоретических и экспериментальных исследований структуры обтекания V-образных крыльев установлены условия зарождения невязких вихревых структур в ударных слоях конических течений. Показано, что существование вихревых особенностей Ферри на наветренной стороне крыльев при их симметричном и несимметричном обтекании с маховским взаимодействием присоединённых к передним кромкам ударных волн определяется интенсивностью контактных разрывов, исходящих из точек ветвления головной ударной волны. Установлено, что в ударном слое вихревые особенности Ферри не образуются при относительной интенсивности контактных разрывов менее 0.15. Указанная величина характерна и для появления/исчезновения вихревых особенностей Ферри при обтекании крыльев с углом скольжения.

На основании численных и физических экспериментов открыты новые возможности увеличения температурной газодинамической стратификации путём использования проницаемого энергетического оборудования. Обосновано предложение о замене дросселирующих устройств с подогревом газа на станциях подготовки сырья и газораспределительных станциях на агрегаты с газодинамической температурной стратификацией. Получены новые теоретические и экспериментальные данные влияния вдува газа через проницаемую поверхность и системы скачков уплотнений на величину коэффициентов восстановления энтальпии газа на теплоизолированной стенке.

Выполнена обработка результатов измерений электронной концентрации и электронной температуры в ближнем следе за конической моделью при её сверхзвуковом обтекании разреженным потоком воздуха при наличии испарения с поверхности окиси молибдена. Показано, что температура электронов в следе заметно превышает поступательную температуру газа. Величина электронной концентрации в присутствии окиси молибдена оказалась меньше, чем в чистом воздухе. Получено решение уравнений для электронной концентрации и электронной температуры с учётом выделения энергии рекомбинации. Это решение дает физическое объяснение экспериментальным закономерностям.

Разработаны экспериментальные модели ДТГ (донный тепловой генератор) для изучения газодинамической схемы течения с одновременным подводом тепла, как на боковую поверхность, так и в донную область тела вращения: – с тепловыделяющим элементом (ТВЭЛ) нового поколения на основе карбид-кремниевой керамики и температурой разогреваемой поверхности до 2200^о С (подвод тепла на боковую поверхность); – с тепловыделяющим элементом из высокоэнергетической смеси металлических порошков (ВСМП), обладающим высокой температурой горения и высокой концентрацией выбрасываемых в донную область частиц металла (горение в донной области). При числе Маха М = 3 проведены предварительные эксперименты ДТГ с установленными на корме тела вращения магнитными кольцами и горением ВСМП. Установлено, что при выбросе термитной пылевой плазмы в донную область тела вращения при наличии магнитного поля наблюдается увеличение донного давления в 3.3 раза по сравнению ДТГ с ТВЭЛ.

Лаборатория механики многофазных сред и лаборатория гиперзвуковой аэродинамики. Исследован процесс энергоразделения в газе, имеющем число Прандтля отличное от 1, в теплообменнике, состоящем из двух соосных осесимметричных трубок, по которым газ течёт с до- и сверхзвуковой скоростями. Обмен теплом между газовыми потоками происходит вследствие отличия коэффициента восстановления от единицы. Показано, что если угол расширения трубы превысил определённое пороговое значение, происходит качественное изменение характера течения. Появляются новые важные с практической точки зрения режимы течения с разгоном газа, когда можно избежать возникновения ударных волн в канале. Показатель энергоразделения в таком теплообменнике существенно выше, чем в цилиндрическом. Для сокращения длины устройства нужно использовать режимы течения, при которых скорости на входе и выходе близки, так что теплообмен в расширяющемся сверхзвуковом канале происходит при постоянной приведённой скорости газа.

Лаборатория газодинамики взрыва и реагирующих систем. Выполнено численное исследование режимов формирования передних отрывных зон при сверхзвуковом обтекании затупленных и заостренных тел за счёт взаимодействия с очень тонким высокотемпературным следом за областью энерговклада малого размера. Установлена высокая эффективность снижения сопротивления и проверена концепция «тепловой иглы» – для затупленных и заостренных тел (сферы, различных комбинаций конус-цилиндр и тела оживальной формы) показана теоретическая возможность достижения конечного снижения сопротивления за счёт энерговклада в сколь угодно малой области.

Выполнено численно-экспериментальное исследование развития газодинамического предвестника при взаимодействии ударной волны, отражённой от торца ударной трубы, с пограничным слоем. В численных расчётах, проведённых в рамках двумерных нестационарных «ламинарных» уравнений Навье-Стокса, установлен эффект ограничения роста высоты газодинамического предвестника при неограниченном росте продольных размеров отрывной зоны, что согласуется с экспериментами. В экспериментах зафиксировано развитие осесимметричного крупномасштабного газодинамического предвестника на тонкой игле, выступающей навстречу потоку из торца ударной трубы.

На базе разрывного метода Галёркина построена численная схема высокого порядка аппроксимации для расчёта газодинамических задач с негладкими решениями. Проведена верификация предложенного подхода на известных задачах распада разрыва, а также на задаче распространения ударной волны по синусоидально возмущенному фону плотности (проблема Шу-Ошера).

 

 

Лаборатория общей гидромеханики. Рассмотрены поверхности разрывов при неизотермической фильтрации бинарной смеси углекислый газ-вода. На плоскости определяющих параметров исследованы адиабаты и построены диаграммы эволюционности.

Показано, что конкуренция процессов фильтрации воды и охлаждения кимберлитовой трубки приводит к неоднородному распределению серпентинита, который образуется из оливина в определённых температурных условиях в присутствии воды.

Построена модель кристаллизации оливина, основанная на решении уравнений многокомпонентной диффузии для восьми основных компонент магматического расплава. Показано, что при быстром остывании оливин оказывается обогащённым фосфором, что подтверждается экспериментальными данными.

Исследовано влияние вида граничного условия на границе кристалл-расплав на состав кристалла. Показано, что использование граничного условия в форме Стефана (отсутствие локального переохлаждения) не позволяет объяснить зональность состава кристалла, наблюдаемую в реальных кристаллах и в экспериментах.

Лаборатория общей аэродинамики. На основе наблюдательных данных были определены масса и состав, а также структура Челябинского метеорного тела.

Проведены исследования по количественно-массовому распределению фрагментов метеороидов при дроблении. Показано, что распределение осколков описывается сигмоидальными функциями распределения, такими как логнормальное распределение, распределение Вейбула и распределение Грэди. Полученные зависимости позволяют определить представительность собранного набора фрагментов для изучаемого метеорита и узнать вероятность отсутствия в имеющемся наборе фрагментов различных характерных масс. Определены критерии образования больших кратеров на поверхности Земли. Детально изучена атмосферная траектория и физические свойства Челябинского болида.

Лаборатория экспериментальной гидродинамики. Получены приближённые аналитические и численные решения задач о пуске галереи скважин и о пуске одиночной скважины в случае течения слабосжимаемой жидкости в слабодеформируемом пористом скелете при нелинейном законе фильтрации с предельным (начальным) градиентом давления.

Лаборатория физико-химической газодинамики. Разработанная модель двухстадийного разрушения крупного болида в атмосфере Земли опробована на примере входа болидов Маршалловых островов (1 февр. 1994 г.) и Кошице (28 февр. 2010 г.). Расчёты времени свечения и его интенсивности близки к данным наблюдений. Модель даёт объяснение увеличения светимости на первой стадии и пика светимости на второй (заключительная вспышка).

Лаборатория механики природных процессов. Дано современное представление о физике взрыва болидов и суперболидов, крупных фрагментов ядер комет и астероидов в конце траектории их полёта в атмосфере Земли. Теоретически определена энергетика взрыва Челябинского суперболида 15 февр. 2013 г.

 

 

Лаборатория общей гидромеханики. Показано, что данных дифференциальной импрессионной тонометрии (глаз нагружается стержнями или грузами с выпуклым основанием двух разных весов) достаточно для оценки внутриглазного давления и жесткости склеральной области. Дополнительная аппланационная эластотонометрия (глаз нагружается грузами с плоским основанием двух разных весов) даёт возможность найти жёсткость роговицы и объёмную жёсткость ненагруженного и нагруженного глазного яблока.

По данным клинических измерений рассчитаны гидродинамические показатели дренажной системы глаза. Обнаружено, что эти показатели у пациентов с первичной открытоугольной глаукомой достоверно отличаются от нормы, что позволяет использовать предложенную методику для диагностики.

Предложена модель деформирования эмбрионального клеточного пласта с учётом деформации и переупаковки клеток, явно учитывающая механическую активность ламеллоподий (подвижных выростов клеток). Построена теория, объясняющая механические аспекты перестроечных эффектов, наблюдаемых в пласте в ответ на растяжение.

Лаборатория нестационарной гидродинамики. Разработана методика оценки несущей способности мини-имплантатов с помощью прибора Ostell ISQ (Швеция). Предложен алгоритм расчёта усилий, действующих на имплантаты и слизистую оболочку протезного ложа при жевательных нагрузках для полных съёмных протезов.

Лаборатория биомеханики. Построена механическая модель активации мышечного сокращения ионами кальция, учитывающая спиральную форму тропомиозиновых молекул и их упругие свойства. Модель позволила объяснить целый ряд экспериментальных данных. Она будет использована для изучения влияния мутаций в молекуле тропомиозина на его функциональные свойства.

Выявлены молекулярные механизмы, объясняющие природу механических свойств мышц, благодаря которым они действуют как эффективные рессоры, предохраняющие кости и суставы от повреждения при беге и прыжках.

На фоне системной гиперагрегации эритроцитов с помощью оптических щипцов показано различие в силе взаимодействия клеток в случаях практически здоровых людей и больных системной красной волчанкой. Это демонстрирует различие в механизмах агрегации эритроцитов в норме и при патологии.

 

 

Лаборатория динамических испытаний. Получено аналитическое решение плоской нестационарной задачи о движении поверхностной нагрузки по упругому полупространству.

Построена модель нестационарных процессов в сплошных средах с учётом различных взаимодействующих между собой полей: механических, тепловых, электрических, магнитных и диффузионных. Получены аналитические решения новых нестационарных задач механодиффузии.

Лаборатория упругости и пластичности. Разработана методика проведения высокотемпературных испытаний на сжатие по методу Кольского в условиях предварительного нагрева образца в удаленной печи.

 

 

Лаборатория упругости и пластичности. Экспериментально выявлены характерные особенности поведения сплавов в состояниях, близких к сверхпластическому. Показано, что для адекватного описания такого поведения эффективен явный учёт эволюции структуры в процессе деформирования материала. Предложен соответствующий вариант определяющих соотношений, качественно верно описывающий экспериментальные данные.

Проведено систематическое аналитическое исследование нелинейных определяющих соотношений вязкоупругопластичности. Предложены способы их идентификации и обоснована возможность использования их для описания ползучести и сверхпластического деформирования материалов.

Получено обоснование пространственного подхода к задачам плоского напряжённого состояния.

В виртуальных экспериментах по осадке толстостенных цилиндров с коническими торцами исследована зависимость неоднородностей напряжённо-деформированного состояния от коэффициента трения в законе Кулона.

Разработана теория эксперимента по определению сдвигового модуля упругости грунтов с использованием нагружающего устройства специальной формы.

Численно построены функции Грина для обратной задачи изгиба упругой балки, круглой и прямоугольной пластины при жёсткой заделке или шарнирном опирании их краёв, даны оценки точности их построения.

На основе асимптотического анализа трёхмерного функционала действия установлено, что для упругих трёхслойных пластин симметричной структуры по толщине с сильно различающимися физико-механическими свойствами материалов в слоях энергия сдвига сопоставима с энергией изгиба.

 

 

Лаборатория ползучести и длительной прочности. Предложен алгоритм расчёта напряжённо-деформированного состояния пястно-запястного сустава большого пальца, основанный на результатах томографических исследований сустава и на методах механики контактных взаимодействий. Установлено существенное влияние пористости костной ткани и суммарной толщины хрящевой прослойки на обеих костях на напряжённое состояние в суставе.

При исследовании механического поведения полимерных композиционных материалов изучено влияние фенолоформальдегидного связующего и армирующих волокон на особенности их фрикционного взаимодействия. Установлено влияние свойств волокон и связующего на возникновение колебательного характера трения.

Впервые построена модель запирающего эффекта диффузионного процесса на длительную прочность при растяжении, в которой использовано решение уравнения диффузии с коэффициентом диффузии, асимптотически стремящемся к нулю.

Проведено сопоставление предложенного ранее энергетического критерия длительной прочности полимерных материалов с известным деформационным критерием. Показано, что энергетический критерий разрушения даёт возможность более точно прогнозировать время до разрушения исследуемых материалов при сложных программах нагружения, чем деформационный критерий.

Разработан метод приближённого решения нестационарного двумерного уравнения теплопроводности методом, основанным на идее температурного фронта. Изучено влияние теплофизической нелинейности на распределение температурных полей.

При исследовании материала, изготовленного на 3D-принтере, были впервые рассмотрены вопросы прочности конечного изделия. Установлен оптимальный диапазон температур выплавки, обнаружены поры регулярного и нерегулярного характера, установлено, что в образцах с поперечной заливкой меньше пор, чем с продольной заливкой. Сформулированы технологические аспекты печати, отсутствующие в открытой литературе.

Лаборатория прочности и ползучести при высоких температурах. Предложено обобщение определяющих соотношений теории ползучести с повреждённостью на трёхмерный случай, в которое входят две материальные нелинейные тензор-функции двух тензорных аргументов.

Проведены эксперименты по влиянию скорости нагрева (теплового удара) на неупругое поведение коротких стержней. Показано, что несущая способность таких элементов конструкций зависит не только от температуры нагрева, но и от скорости изменения температуры окружающей среды.

Разработана оригинальная методика и получены образцы из биоцементов для замены костной ткани организма. В результате проведённых механических испытаний определены прочностные характеристики полученного материала в различных модификациях и дано объяснение полученных результатов с позиции физико-химической механики о фазовых контактах. Изготовленные импланты испытываются in vivo на крысах.

Рассмотрена проблема расчёта эффективных моментных характеристик композиционного материала с периодической и непериодической структурами и найдены приближённые аналитические выражения для эффективных упругих и моментных модулей упругости слоистого композита.

Лаборатория ползучести и длительной прочности и лаборатория прочности и ползучести при высоких температурах. Поставлена и решена связанная задача о влиянии внешнего давления на ползучесть цилиндрической оболочки, внутри которой находится агрессивная среда. Показано, что агрессивная среда приводит к значительному уменьшению критического времени.

Определены режимы температурного отжига для твёрдых сплавов, обеспечивающие существенное повышение микротвёрдости рабочей поверхности.

 

 

Лаборатория механики многофазных сред. Теоретически исследованы ламинарные течения, ограниченные супер-гидрофобными стенками, имеющими анизотропию локальной длины скольжения, изменяющейся в одном направлении. Изучены сдвиговое течение, ограниченное одной супергидрофобной стенкой, и течение в канале при различных видах текстуры поверхности (полосчатая, синусоидальная, трапецевидная, треугольная). Для ряда предельных случаев (полосчатая текстура с малой локальной длиной скольжения и текстуры общего вида для течения в канале малой ширины) получены аналитические выражения для эффективной длины скольжения и тензора проницаемости канала. Разработан численный метод для расчёта указанных макроскопических величин на основе решения уравнений Стокса для произвольных текстур и конечных значений высоты канала. Показано, что трапецевидные и зубчатые текстуры могут иметь преимущество в эффективной длине скольжения по сравнению с традиционными полосчатыми текстурами. Полученные результаты важны в микрофлюидике для уменьшения сопротивления и интенсификации пассивного перемешивания в каналах.

Численно исследованы нестационарные вихревые газодисперсные течения с особенностями типа вихревой пары и вихревого кольца в двумерном и осесимметричном случаях. Изучены процессы переноса, перемешивания и аккумуляции дисперсных частиц в зависимости от параметров дисперсной примеси и условий формирования вихревой структуры. Проведено сравнение результатов с известными экспериментальными данными и аналитическими моделями вихрей. В качестве основного инструмента исследования применялся комбинированный бессеточный, полностью лагранжев подход, развиваемый в последние годы. Подход основан на сочетании вихревого бессеточного метода для решения уравнения Навье-Стокса и Эйлера для несущей фазы и полного лагранжева метода для вычисления полей параметров дисперсной фазы.

В рамках двухкомпонентной трёхмерной МГД модели с учётом влияния межзвёздных атомов водорода и магнитных полей проведено теоретическое исследование структуры течения плазмы солнечного ветра в гелиосферном ударном слое при распространении в слой возмущения, включающего в себя две ударных волны – переднюю и обратную. Такие возмущения наблюдались во внешней гелиосфере на космическом аппарате Вояджер 2, однако их влияние на течение в гелиосферном ударном слое ранее не изучалось. Исследована структура магнитогидродинамического течения плазмы в гелиосферном ударном слое при взаимодействии передней и обратной ударных волн с гелиосферной ударной волной, прослежена эволюция образовавшегося возмущения в ударном слое, описано взаимодействие ударной волны с гелиопаузой и отражение магнитозвуковых волн в гелиосферном ударном слое. Разработанные модели и полученные оценки амплитуд возмущений параметров плазмы в гелиосферном ударном слое будут в дальнейшем использованы для анализа данных аппарата Вояджер 2 по измерениям плазмы солнечного максимума в ударном слое.

 

 

Лаборатория экспериментальной гидродинамики. Исследовано влияние пограничного слоя на одномодовый и связанный флаттер упругой пластины в сверхзвуковом потоке газа. Показано, что для случая флаттера связанного типа при наличии пограничного слоя неустойчивость не может исчезнуть, но скорость роста возмущений уменьшается. Для случая одномодового флаттера влияние пограничного слоя зависит от его профиля, причём влияние на волны разных длин может быть различным.

Лаборатория навигации и управления. В модель ветроэнергетической установки (ВЭУ) добавлена дифференциальная планетарная передача. Определены условия существования и устойчивости стационарных режимов установки, даны оценки мощности, необходимой для поддержания целевого рабочего режима.

Проведён параметрический анализ задачи о движениях аэродинамического маятника. В пространстве параметров построены область отсутствия циклических движений, область существования автоколебаний и область существования авторотационных движений.

В пространстве параметров построена область устойчивости вращения оперённого тела.

Получены новые случаи интегрируемости многомерных систем со знакопеременной диссипацией, взятых из динамики твёрдого тела, взаимодействующего со средой, теории колебаний, электродинамики. Исследованы полученные первые интегралы, выражающиеся через элементарные функции, на предмет их поведения около имеющихся притягивающих и отталкивающих предельных множеств.

В задаче о скольжении по горизонтальной шероховатой плоскости кругового цилиндра с плоским торцем (шайбы) показано, что опрокидывание тела возможно в том случае, когда его мгновенная ось вращения не пересекает опорный круг. Установлено, что критическое значение коэффициента трения не зависит от величины угловой скорости верчения.

Проведена модификация ранее построенной модели ВЭУ с целью учёта нелинейной зависимости момента на валу генератора от тока. Полученные результаты качественно соответствуют результатам экспериментов, проведенных в аэродинамической трубе НИИ механики.

Лаборатория навигации и управления и лаборатория аэромеханики и волновой динамики. В ранее построенную линейную модель присоединённого осциллятора введена нелинейность, что позволило описать автоколебательные движения аэродинамического маятника в диапазоне сравнительно малых чисел Рейнольдса.

 

 

Лаборатория навигации и управления. Сформулированы теоремы об устойчивости линейных нестационарных механических систем специального класса, которые остаются справедливыми как теоремы об устойчивости по первому приближению нулевого решения соответствующих нелинейных систем. Рассмотрены примеры, демонстрирующие существенное различие влияния диссипативных и гироскопических сил на стационарную и нестационарную системы.

В задаче об устойчивости относительного равновесия механической системы с распределёнными параметрами, представляющей собой два твёрдых тела, соединённых массивным гибким стержнем получены достаточные условия устойчивости.

Исследована задача построения закона управления квадрокоптером – четырёхвинтовым вертолётом. Классическая конструкция такого аппарата представляет собой крестовидную раму, в вершинах которой установлены электродвигатели с жёстко закреплёнными на их осях пропеллерами. Управление строится в виде суммы программного управления и обратной связи, стабилизирующей нулевое решение системы уравнений в отклонениях от программного движения. Строго доказана полная управляемость нестационарной линейной системы. Предложенный подход позволяет разработать общий численный метод для построения управления, обеспечивающего устойчивое движение квадрокоптера по произвольным гладким трёхмерным траекториям.

Лаборатория механики природных процессов. Исследованы области неустойчивости вращающихся механических систем, близких к осесимметричным, вблизи критических скоростей потери устойчивости. Проведена классификация возможных сценариев распада мультипликаторов при изменении многих параметров. Ограничения на распад мультипликаторов, налагаемые симметрией, использованы для классификации резонансных точек, которые могут привести к дестабилизации системы. Получены в явном виде критерии дестабилизации в окрестности резонансных точек.

Развит общий подход к определению и анализу структуры коллапса в дискретных моделях турбулентности в зависимости от параметров. Показано, что коллапс может быть описан с использованием аттракторов ренормализованной динамической системы.

 

 

Лаборатория автоматизации экспериментальных исследований. Разработаны и прошли тестовые испытания прототипы программных средств для поддержки процессов реинжиниринга больших верифицируемых прикладных программных комплексов с использованием систем микроправил и языков, адекватно описывающих специфику предметной области.

Разработаны новые и усовершенствованы существующие формальные модели, алгоритмы и программные средства обеспечения безопасности информации вычислительных и телекоммуникационных ресурсов больших, сложно организованных распределённых систем.

Разработано новое математическое и программное обеспечение второй версии системы ИСТИНА – интеллектуального анализа слабоструктурированных данных по научно-инновационной и образовательной деятельности с целью подготовки принятия решений. Проведены экспериментальные полномасштабные исследования системы на информационном поле Московского университета, продемонстрировавшие соответствие предъявляемых к ней требований по основным функциям и качеству их реализации.

 

 

Лаборатория наномеханики. Методами квантовой механики исследованы каталитические свойства современных и перспективных теплозащитных материалов космических аппаратов. Без привлечения экспериментальных данных построена замкнутая модель гетерогенных каталитических процессов на поверхности и определены коэффициенты скоростей элементарных стадий (адсорбции и десорбции атомов, их ударной и ассоциативной рекомбинации) на покрытиях SiO₂ и Al₂O₃ в диссоциированном воздухе.

Разработан оригинальный численный метод cо стохастическим шагом по времени для исследования неравновесных процессов в газе и на границе раздела фаз в Ab initio приближении. С его помощью исследовано горение угольного кокса в зависимости от формы и размеров пор, а также процессы сажеобразования при горении авиационного керосина.

Разработан эффективный численный метод для событийного молекулярно-динамического моделирования газовых течений в свободно молекулярном режиме. Проведено исследование таких течений в каналах со сложной геометрией, а также в каналах с подвижными стенками. Исследована вероятность прохождения колеблющейся в своей плоскости мембраны в зависимости от безразмерных параметров, характеризующих геометрию каналов, массу молекул и температуру газа, частоту и амплитуду колебания мембраны в свободномолекулярном потоке. Показано, что можно управлять проводимостью мембраны для того или иного газа с помощью изменения параметров вынужденных колебаний и найдены оптимальные значения параметров.

Исследованы особенности устойчивости пористых цеолитных материалов в процессе разделения смесей, содержащих углекислый газ. Установлена зависимость прочностных свойств цеолитов как от концентрации образующихся карбонат-ионов, так и от типа входящего в него катиона.

 

Учебная работа. Учёные НИИ механики продолжали преподавательскую работу по механическим и смежным дисциплинам на факультетах механико-математическом, наук о новых материалах, физическом, биологическом, геологическом, а также в ряде других вузов Москвы (МГТУ, МГИУ, МГСУ, МФТИ, МАТИ, ВА РВСН). Было прочитано 35 курсов лекций, работали 17 регулярных научных семинаров. Экспериментальная и вычислительно-информационная базы института используются для проведения многочисленных студенческих лабораторных практикумов. В 2013 г. студенты III–IV курсов механико-математического факультета прошли обучение на 24 общих и 30 специальных лабораторных практикумах, при проведении которых использовалось уникальное в системе высшей школы экспериментальное оборудование для исследования процессов механики жидкостей и газов, механики твёрдого деформируемого тела и мехатроники. 59 студентов и 18 аспирантов факультета (отделения механики и кафедры вычислительной математики) защитили свои квалификационные работы. Работал Центр компьютерных технологий института.

Команда института с участием студентов механико-математического факультета стала лауреатом международного молодёжного конкурса по экологически чистым технологиям GreenTech (Тайвань) с проектом в сфере ветроэнергетики.

Проведён финал конкурса «У.М.Н.И.К.–2013» по направлению «машиностроение». Неоднократно проводились «дни открытых дверей» для школьников Москвы и абитуриентов МГУ с посещением лабораторных установок экспериментального комплекса НИИ механики.

 

Конференции. Организованы и проведены:

– Ломоносовские чтения. Секция «Механика» (15–23 апр.). Сборник тезисов докладов конференции издан и размещён на сайте института.

– Конференция-конкурс молодых учёных НИИ механики (8–9 окт.);

– VII международная летняя научная школа «Компьютерные технологии анализа инженерных проблем механики – 2013» (1–31 июля).

Проводится еженедельный видеосеминар по аэрогидромеханике в режиме телемоста ЦАГИ (г. Жуковский) – ИТПМ СО РАН (г. Новосибирск) – СпбГПУ (г. Санкт-Петербург) – НИИ механики МГУ (Москва).

 

Кандидаты наук 2013 г. Кандидатские диссертации защитили: мл.н.с. лаборатории физико-химической гидродинамики Волкова Татьяна Игоревна («Изучение формы поверхности тяжёлой магнитной жидкости, ограниченной пластинами, в неоднородных магнитных полях»); мл.н.с. лаборатории аэромеханики и волновой динамики Пастушков Павел Павлович («Влияние влажностного режима ограждающих конструкций с наружными штукатурными слоями на энергоэффективность теплоизоляционных материалов»); вед. инженер лаборатории прочности и ползучести при высоких температурах Филиппов Ярослав Юрьевич («Реакционно-связанные композиты на основе фосфатов кальция для регенерации костных тканей»); н.с. лаборатории экспериментальной гидродинамики Юшутин Владимир Станиславович («Динамическая устойчивость стенок канала при протекании по нему физически нелинейной среды»).

 

Персоналии. Премия Правительства РФ в области образования присуждена гл.н.с. лаборатории гиперзвуковой аэродинамики Н.Н. Пилюгину за научно-практическую разработку «Создание базы знаний “Электроника” на основе генерации серии тематических баз и банков данных по фундаментальным разделам физической и прикладной электроники и издание серии учебников и учебных пособий “Электроника в техническом университете”».

Премия и золотая медаль Международной научной организации ICDERS по динамике взрыва и реагирующим системам / The International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems присуждена заведующему лабораторией газодинамики взрыва и реагирующих веществ В.А. Левину за «отличные теоретические и численные результаты в области инициирования газовой детонации и динамики реагирующих систем».

Премия и медаль им. Г.Г.Чёрного в области газовой динамики МГУ и Национального комитета по теоретической и прикладной механики присуждена ст.н.с. лаборатории газодинамики взрыва и реагирующих веществ И.С. Мануйловичу за цикл работ по нестационарной газовой детонации в различных устройствах.

Награда международного конкурса TECOGreenTech 2013 за самый оригинальный проект «Новые портативные ветротурбины волнового типа» присуждена ст.н.с. лаборатории навигации и управления Л.А. Климиной.

Первая премия на конкурсе молодых учёных, проводимого в рамках всероссийской конференции «Взрыв в физическом эксперименте» (16–20 сент.), присуждена н.с. лаборатории газодинамики взрыва и реагирующих веществ О.Г. Сутырину за доклад «Взаимодействие ударных волн с локальными неоднородностями» (соавторы: вед.н.с. П.Ю. Георгиевский, акад. РАН В.А. Левин).

Диплом в номинации «За актуальность темы исследования» V международной научно практической конференции «Новые технологии в газовой отрасли: опыт и преемственность» вручён вед.н.с. лаборатории общей гидромеханики А.А. Афанасьеву за статью «Композиционное моделирование трёхфазной фильтрации в задачах подземного захоронения углекислого газа».

Диплом II степени конкурса научных работ молодых учёных МГУ присуждён зав. лабораторией экспериментальной гидродинамики В.В. Веденееву.

Вед.н.с. лаборатории газодинамики взрыва и реагирующих веществ А.Н. Хмелевский избран членом-корреспондентом Российской академии космонавтики им. К.Э.Циолковского по отделению «Фундаментальные и прикладные проблемы аэрогазодинамики, тепломассообмена и энергетики».

 

Публикации. Опубликовано 4 монографии, 5 глав в монографиях, 10 разделов в БРЭ; 2 сборника трудов, 2 учебных пособия, около 650 статей и тезисов докладов.

 

Адрес страницы института: http://www.imec.msu.ru/