МГУ–2018: Научно-исследовательский институт механики

Наука. Научная работа велась в рамках 12 приоритетных научных направлений фундаментальных исследований. Исследования осуществлялись за счёт госбюджетного финансирования (18 тем) и за счёт грантов: РФФИ (55), РНФ (4), Президента РФ для государственной поддержки молодых российских учёных – докторов (1) и кандидатов (1) наук; стипендий Президента РФ молодым учёным и аспирантам (6). Получено 8 патентов на изобретения и 1 свидетельство регистрации прав на ПО.

 

Наиболее значимые результаты.

 

 

Издана монография заведующего лабораторией ползучести и длительной А.М. Локощенко (на англ. яз., Taylor & Francis Group). Монография написана на основе экспериментально-теоретических исследований, проведённых в НИИ механики, и посвящена кинетической теории ползучести, теории наследственной ползучести. Проведено моделирование вязкого, хрупкого и смешанного разрушения, описан ресурс деформационной способности материала и обосновано влияние концентрации напряжений на длительную прочность. Приведены результаты экспериментально-теоретического исследования влияния структуры металлов на характеристики ползучести и длительной прочности. Впервые предложен и апробирован метод измерения повреждённости металлов в процессе высокотемпературного испытания на ползучесть. Показаны возможности кинетической теории при описании длительной прочности при переменных напряжениях. Исследование особенностей длительной прочности при сложном напряжённом состоянии проведено с использованием кинетического и критериального подходов. Особое внимание уделено ползучести и длительной прочности металлов в агрессивных средах.

 

 

Лаборатория экспериментальной гидродинамики. Проведены и верифицированы сравнением с экспериментальными результатами расчёты течения внутри диффузора, показывающие влияние геометрии канала диффузора и сопротивления проницаемых перегородок на выходе из него на профиль скорости формируемой затопленной струи. Теоретически исследована устойчивость струи. Показано и подтверждено экспериментально существование двух ветвей растущих возмущений.

Выполнено экспериментальное и численное исследование процесса фонтанирования из-под свободной поверхности вертикальных затопленных осесимметричных струй в относительно узких каналах. Построено аналитическое решение задачи о встречном нестационарном слабо возмущённом соударении плоских струй идеальной несжимаемой жидкости, вытекающих из каналов. В твердожидкостной импульсной постановке исследована задача о взрыве на поверхности грунта шнурового заряда клиновидной формы.

Предложена модель для описания медленного течения тонкого слоя вязкой несжимаемой жидкости со свободной поверхностью внутри высокопористой среды над непроницаемым основанием. Получено уравнение для толщины слоя жидкости, изучены решения в виде бегущих волн и автомодельные решения, описывающие растекание жидкости. Предложена эвристическая модель медленного течения малоконцентрированной суспензии в высокопористой среде. Рассмотрены задачи о течениях в пористом канале под действием перепада давления.

В рамках пространственно-одномерной модели исследована устойчивость течения степенной жидкости в упругих трубках конечной длины. При отсутствии натяжения трубки граница устойчивости найдена аналитически. Численно показано, что при учёте продольного натяжения область неустойчивости уменьшается.

 

Лаборатория нестационарной гидродинамики. Закончен цикл сравнительных испытания различных волновых движителей (ВД) на модели катамарана. Испытаны прямоточный ВД, гибкая пластина (плавник), жёсткая качающаяся пластина с упругими связями, жёсткий симметричный профиль NACA0015 и ВД типа подводный парус. Показано, что в условиях килевой качки эффективность прямоточного ВД уменьшается, но с применением кормовой пластины-стабилизатора его эффективность поднимается до уровня, полученного в отсутствие качки. Наличие кормовой пластины-стабилизатора значительно увеличивает эффективность ВД гибкой пластины, пластины и жёсткого профиля с упругими связями. Для ВД типа подводный парус максимальная скорость судна со стабилизатором не увеличивается, происходит заметный сдвиг зависимости скорости от частоты волн в сторону низких частот. Наибольшая скорость получена с использованием в качестве ВД жёсткого профиля с упругими связями (на треть больше, чем в случае жёсткой пластины). ВД парус уступает профилю, но имеет больший частотный диапазон и конструктивные преимущества. Прямоточный ВД в условиях сильной качки уступает традиционным движителям, но имеет несомненное преимущество в отсутствие килевой качки.

Проведено испытание ВД различных типов на подводном судне, находящемся на небольшой («перископной» – примерно 0,1 длины судна) глубине. Показано, что на такой глубине ВД могут обеспечить скорость, достаточную для управляемости подводного судна.

Теоретически и экспериментально проведено изучение волнового следа за наклонной пластиной и течения перед ней в жидкости конечной глубины при околокритических скоростях движения и малых углах глиссирования. Наблюдения показали, что стационарный периодический волновой след возникает вместе с носовой волной неизменной формы, а при отставании кормовых волн возбуждаются волны перед глиссирующей пластинкой. Получено экспериментальное подтверждение известной формулы Рассела для амплитуды уединённой волны. С точностью до малых параметров показано её совпадение с результатом М.А. Лаврентьева.

Отлажена методика измерений силы сопротивления с помощью динамометрической тележки при буксировочных испытаниях моделей на гидроканале НИИ механики. Проведены испытания осесимметричной, погружённой в воду модели, приспособленной к введению в поток добавок (например, полимеров), способствующих снижению сопротивления.

Продолжены исследования возможности использования кавитационных автоколебаний, возникающих между двумя гидравлическими сопротивлениями (кавитатор и выходное сопротивление), для технологий, применяющихся при обработке материалов скоростными пульсирующими струями. Показано, что наиболее подходящим для этой цели является режим первой моды, при котором колебания давления в каверне максимальны. В качестве выходного сопротивления использовалась щель либо экспоненциальное сопло Войцеховского. Показано, что истечение порций жидкости через щель сопровождается сильным разбрызгиванием. Приведены примеры течения с использованием сужающегося сопла Войцеховского, где на выходе реализуется струйное истечение.

Исследовано качение колёсной системы с грунтозацепами по свободной поверхности воды. Предложена методика экспериментального измерения осадки (погружения) колёсной системы при качении по поверхности воды и получены зависимости осадки и несущей способности от числа Фруда для ряда значений безразмерной массы системы. Предложен алгоритм оценки минимальной скорости качения и положения нижней области качения. Методика будет полезной при проектировании двухсредных транспортных средств, которые могут использоваться при чрезвычайных ситуациях (например, при наводнениях), так как они не только обладают высокой скоростью качения по воде, но и могут ходить по мелководью, а на суше не уступают внедорожникам.

 

 

Лаборатория общей аэродинамики. Впервые предпринята попытка описания реалистичного турбулентного течения в канале с позиций поведения хаотических динамических систем. Для многомерной (N~10⁸) системы численно найдены значения старшего ляпуновского показателя (СЛП) и определены свойства соответствующего старшего ляпуновского вектора (СЛВ). Показано, что рост возмущений СЛВ значительным образом определяется нестационарностью и пространственной неоднородностью течения. Обнаружена пространственно-временная локализация возмущений СЛВ, указывающая на их связь с недавно найденными экспериментально локализованными структурами в развитых турбулентных потоках. Определены значения СЛП в турбулентном течении Куэтта. Подтверждён ранее сделанный вывод об универсальности значений СЛП в пристенных турбулентных течениях.

Определён механизм генерации вторичных течений Прандтля 2-го рода, возникающих в турбулентных течениях в прямых трубах некруглого поперечного сечения.

Разработан алгоритм расчёта турбулентных течений с осреднением по ансамблю реализаций, позволяющий существенно сокращать общее время расчёта на многопроцессорных компьютерах за счёт параллельного решения уравнения Пуассона для давления для нескольких правых частей, соответствующих разным реализациям.

Выявлены и изучены новые сценарии потери устойчивости течений в электромембранных системах. Предложен способ описания динамики сильных электролитов на основе уравнений Нернста–Планка. Описано движение частицы с ионоселективной поверхностью в электролите под действием внешнего электрического поля и указаны его отличия от поведения диэлектрических и проводящих частиц. Выведена формула электрофоретической скорости частицы и определено влияние электроосмотических эффектов в электролите на её движение. Описано воздействие электрического поля и внешнего давления на форму жидкой границы раздела электролита и диэлектрика. Выявлено стабилизирующее действие ВЧ-поля и дестабилизирующее действие давления.

 

Лаборатория экспериментальной гидродинамики. Численно изучена нелинейная устойчивость течений, вызванных вращательными колебаниями внутренней сферы относительно состояния покоя в тонком сферическом слое. Обнаружен новый вид центробежной неустойчивости, который с увеличением частоты колебаний сменяется вихрями Гёртлера, а с уменьшением частоты – вихрями Тейлора. Экспериментально исследован процесс выбора одного из двух возможных волновых чисел при потере устойчивости течения в присутствии вращения с ускорением и шума. Показано, что при изменении уровня шума могут наблюдаться три различных сценария зависимости волнового числа от величины ускорения.

 

 

Лаборатория общей гидромеханики. Впервые достигнуты режимы стабильного горения протяжённой (вплоть до 30 см) вертикальной электрической дуги в воздушной атмосфере. На основе датчиков Холла разработана система 3D-диагностики нестационарных магнитных полей до 30 мТл, на которой измерены распределения магнитных полей в системах стабилизации разряда и изучена возможность формирования резких импульсов магнитного поля с помощью движущихся магнитов.

 

Лаборатория физико-химической гидродинамики. В рамках двухионной модели слабопроводящей среды исследованы процессы в канале одной ступени электрогидродинамического (ЭГД) компрессора. Показано, что зависимость перепада давления и суммарного объёмного заряда промежутка от приложенного напряжения в определённом диапазоне близка к линейной, однако имеется некоторое критическое значение этой величины, после которого дальнейшее её увеличение ухудшает эффективность работы преобразователя. Это связано с влиянием инжекции отрицательных ионов с катода, которая усиливается с ростом поля и перераспределяет объёмный заряд в межэлектродном пространстве.

Исследована устойчивость движения капиллярно-гравитационной волны на горизонтальной свободной поверхности вязкой несжимаемой жидкости в присутствии магнитного поверхностно-активного вещества во внешнем магнитном поле. Показано, что для нормального, а также для тангенциального внешнего магнитного поля горизонтальная свободная поверхность жидкости неустойчива для силы поля, превышающей некоторое критическое значение, которое не зависит от постоянной упругости плёнки поверхностно-активного вещества.

Теоретически и экспериментально исследуется левитация и движение магнита в слабо намагничивающейся магнитной жидкости на горизонтальной плоскости. Получена аналитическая формула для силы, действующей на магнит со стороны магнитной жидкости. Экспериментально исследовано движение магнита по тонкой узкой полосе магнитной жидкости. Предложена математическая модель такого движения.

Проведено моделирование магнитожидкостной перемычки между двумя коническими поверхностями и внешним цилиндром, на оси которых проходит линейный проводник с током. Показано, что наличие конусов позволяет перемычке выдерживать перепад давления.

Создан экспериментальный образец намагничивающегося эластомера с анизотропными свойствами. Предложена теоретическая модель анизотропной несжимаемой однородной намагничивающейся упругой среды в магнитном поле. Решена задача об анизотропном сферическом теле в неоднородном приложенном магнитном поле. Получено аналитическое выражение для магнитной силы, действующей на тело. Разработана методика экспериментального определения входящих в модель констант тензора магнитной проницаемости, основанная на измерении силы, действующей на сферическое тело из такого материала в осесимметричном неоднородном поле при различных направлениях вектора анизотропии.

Проведены исследования крутильных деформаций цилиндрических тел из намагничивающихся эластомеров в однородном магнитном поле. В теоретических расчётах используется обобщение модели Кельвина–Фойгта вязкоупругого материала, учитывающее остаточные деформации. Удлинение образца описывается моделью Муни–Ривлина. Зависимость коэффициентов вязкости и сдвига, а также остаточных деформаций от напряжённости магнитного поля определяется из сравнения теоретических и экспериментальных результатов.

Экспериментально и теоретически исследована деформация переменного объёма магнитной жидкости, содержащей намагничивающийся шар, и фиксированного объёма немагнитной жидкости в цилиндрической кювете в однородном магнитном поле. Предложена методика численного расчёта формы поверхности магнитной жидкости в неоднородном магнитном поле в безындукционном приближении с учётом силы тяжести, поверхностного натяжения, гистерезиса угла смачивания и нелинейной зависимости намагниченности магнитной жидкости от магнитного поля.

Исследовано распространение по произвольному неоднородному, но известному фону слабых разрывов и слабых ударных волн в газах и плазме. Дано новое точное решение задачи электрогидродинамики об ударной волне, проходящей без отражения сквозь ряд слоев заряженного газа, что может моделировать явления, происходящие в грозовых облаках.

Дано общее решение задачи о распространении слабой кольцевой ударной волны в тонком слое магнитной жидкости переменной толщины, находящейся во внешнем магнитном поле. В зависимости от исходных условий решение обладает свойствами опрокидывания, как во внутренней области, так и на границе жидкости. Результаты могут быть использованы для диагностики неровностей поверхности немагнитных материалов.

В рамках линеаризованных уравнений и граничных условий феррогидродинамики исследована капиллярная неустойчивость цилиндрической струи феррожидкости при наличии магнитного поля, создаваемого окружающим струю соосным соленоидом. Анализ влияния продольного магнитного поля на капиллярную неустойчивость цилиндрической струи феррожидкости проведён с использованием кривой намагничивания, полученной путём обработки экспериментальных данных по намагничиванию образцов феррожидкостей в максимальном технически достижимом диапазоне изменения напряжённости магнитного поля. Для конкретной феррожидкости представлен график зависимости длины волны, имеющей наиболее быстрый рост амплитуды, от напряжённости магнитного поля.

Исследованы деформационные колебания капли вязкой магнитной жидкости, взвешенной в несмешивающейся с ней другой вязкой магнитной жидкости, в переменном магнитном поле. Установлено, что вращающееся магнитное поле вызывает вращение жидкости внутри и вне капли. Найдены угловые скорости, характеризующие это вращение.

 

 

Лаборатория физико-химической газодинамики. Из сравнения экспериментальных данных по тепловым потокам, полученных на установке ВГУ-4 (Институт прикладной механики РАН) при обтекании воздухом сферически затупленной цилиндрической модели и рассчитанных для условий экспериментов в рамках уравнений Навье–Стокса, определены значения эффективных коэффициентов рекомбинации атомарных компонентов на поверхности водоохлаждаемых датчиков из различных металлов и кварца. Установлена количественная шкала их каталитичности.

В рамках уравнений Навье–Стокса и химически неравновесной модели воздуха проведено численное моделирование течений в установке АДТ ВАТ-104 (ЦАГИ) и выполнены параметрические исследования обтекания керамических дисков. Из условия совпадения рассчитанных и экспериментальных значений тепловых потоков на наветренной стороне диска определена константа скорости гетерогенной рекомбинации атомарных компонентов на его поверхности. Получено хорошее совпадение рассчитанных и экспериментальных значений яркостной температуры на наветренной стороне керамического диска.

 

Лаборатория кинетических процессов в газах. Проведены исследования радиационных свойств ударно нагретого воздуха и кислорода в диапазоне скоростей 5 – 11,4 км/с. Измерения выполнялись в области вакуумного ультрафиолета на двух длинах волн 124 и 174 нм (воздух) и в спектральном диапазоне 190–700 нм (кислород).

Исследовано влияние озона на время задержки воспламенения стехиометрической водород-кислородной смеси. Показано, что присутствие озона уменьшает время задержки зажигания смеси на несколько порядков. Экспериментально установлено, что одной из основных причин инициирования детонации является ускорение пламени, вызванное появлением турбулентности за слабой ударной волной.

Исследовано влияние добавок азота на протяжённость самоподдерживающейся детонационной волны в гремучем газе. Показано, что при увеличении молярной доли азота толщина детонационной волны и протяжённость зоны горения растут. Зависимость толщины зоны интенсивного тепловыделения и протяжённости детонационной волны от молярной доли азота делает нецелесообразным введение коэффициента пропорциональности между этими величинами.

На основе анализа известных данных по моделированию горения авиационного керосина различными суррогатными смесями показано, что в качестве однокомпонентного суррогатного топлива, хорошо описывающего воспламенение авиационного керосина, можно использовать н-декан. Разработана упрощённая кинетическая модель горения н-декана в воздухе, позволяющая рассчитывать методами вычислительной гидродинамики процессы в сверхзвуковой прямоточной камере сгорания.

Исследована возможность инициирования детонационного горения паров керосина в сверхзвуковом потоке воздуха, набегающем на торцевую стенку цилиндра в неограниченном пространстве и канале постоянного сечения. Показано, что в открытом пространстве стехиометрическая смесь паров керосина с воздухом приземной атмосферы детонирует перед торцевой стенкой цилиндра с радиусом более 1 см, если число Маха набегающего потока больше 4. В коаксиальном канале постоянного сечения инициированию детонации паров керосина с воздухом способствует воспламенение газа в области отражения ударных волн от стенок канала и образующей коаксиального цилиндрического тела. Вся поступающая в канал стехиометрическая смесь детонирует, если диаметр канала не более чем в 2,5 раза превосходит диаметр центрального цилиндрического тела, а число Маха набегающего потока не менее 4. Определена конфигурация соплового канала, обеспечивающего удельную тягу в несколько сотен секунд в условиях приземной атмосферы.

С использованием методов молекулярно-динамического моделирования и молекулярно-кинетических расчётов определены корректные граничные условия на межфазных поверхностях при моделировании процессов с фазовыми превращениями. Предложен упрощённый подход к описанию процесса испарения жидких капель с учётом кинетических особенностей вблизи межфазных поверхностей.

 

Лаборатория газодинамики взрыва и реагирующих систем. Выполнено численное исследование детонации в стехиометрической водородно-воздушной смеси с добавками мелких инертных частиц пыли, поступающей со сверхзвуковой скоростью в плоский симметричный канал с пережатием; установлена возможность управления положением детонационной волны в канале при изменении концентрации частиц с целью расширения рабочего диапазона скоростей и повышения тяги.

Выполнено численное моделирование трёхмерных течений с вращающейся детонацией в оригинальном осесимметричном устройстве, состоящем из двух параллельных круглых пластин, ортогональных к оси симметрии и осесимметричного сопла; выполнен анализ формирования непрерывной вращающейся детонации и определена тяга сопла для различных режимов работы устройства.

Продолжены расчётно-экспериментальные исследования квазистационарных и пульсирующих режимов течения газа в компактном тяговом модуле с кольцевым соплом и дефлектором. Проведены измерения силы тяги в пульсирующем режиме течения высокотемпературных продуктов сгорания ацетилено-воздушных смесей. В численных расчётах на основе усредненных по Фавру уравнений Навье–Стокса в зависимости от определяющих параметров зафиксированы как стационарные, так и пульсирующие режимы течения.

Продолжено исследование пределов воспламенения и различных характеристик горения метановоздушных смесей с добавками водорода, ацетилена и бутана; показано, что присутствие в составе сжиженного природного газа указанных углеводородных добавок позволяет организовать его эффективное сжигание в камерах сгорания авиационных и ракетных двигателей.

 

 

Лаборатория экспериментальной гидродинамики и лаборатория гиперзвуковой аэродинамики. На основе численного моделирования исследованы турбулентные течения в плоском и круглом каналах с безотрывным диффузором. Показано, что в круглом диффузоре характеристики турбулентности – энергия турбулентности и напряжения Рейнольдса – оказываются выше, чем в плоском диффузоре при той же степени расширения, и в обоих диффузорах они существенно выше, чем в каналах постоянного сечения при тех же числах Рейнольдса. Обнаруженная турбулизация потоков позволяет увеличить интенсификацию теплообмена в безотрывных диффузорах с различной степенью расширения при различных числах Рейнольдса и Прандтля.

 

Лаборатория аэромеханики и волновой динамики. Получены новые данные экспериментального и численного исследования сверхзвукового обтекания протяжённых осесимметричных тел с кольцевыми выступами (ступеньками) и выемками (кавернами) под углом атаки. Экспериментально установлено, что при достижении определённых значений варьируемых параметров (угла атаки, протяжённости выемки, протяжённости тела перед выступом) может происходить повышение статического давления на подветренной стороне тела до величины, превышающей давление на наветренной стороне этого же тела. Численные исследования показали, что механизм данного явления связан с поперечным отрывом потока на боковой поверхности тела и формированием в подветренной области пары продольных вихрей, вызывающих поперечный отток газа от плоскости симметрии в противоположных направлениях, что приводит к уменьшению толщины пограничного слоя. Между областями отрыва и вихрями на подветренной стороне вдоль поверхности тела формируется узкая сверхзвуковая высоконапорная струйка газа, которая взаимодействует с препятствиями в условиях, близких к невязкому взаимодействию, что обуславливает локальное повышение давления.

Получены данные экспериментального исследования сверхзвукового обтекания протяжённой кольцевой каверны с установленной в ней поперечной кольцевой перегородкой. Дана оценка влияния высоты и места расположения поперечной перегородки на режимы течения в каверне.

Численно исследовано управление потоком с помощью теплового импульса при сверхзвуковом обтекании осесимметричного тела с кольцевой каверной в области гистерезиса. Численное моделирование выполнено с использование программного комплекса FlowVision. Проведено исследование влияния положения, мощности и длительности теплового импульса на перестройку течения для стационарного источника. Определены оптимальные параметры мощности и времени действия импульса, приводящие к перестройке течения в характерных точках на дне каверны. Проведено исследование влияния подвижных и переменных тепловых импульсов на перестройку течения. Построена зависимость пороговой мощности, необходимой для перестройки течения, от положения источника теплового импульса на дне каверны.

Дан сравнительный анализ известных подходов для исследования формообразования купола квадратного парашюта: экспериментальный – с продувкой моделей парашюта в аэродинамической трубе, приближённый аналитический – основанный на решении системы дифференциальных уравнений типа Рахматулина и численный – с использованием компьютерного моделирования. В качестве альтернативы предложен и реализован гибридный метод решения на основе численно-экспериментальной процедуры, в соответствие с которой форма и напряжённо-деформированное состояние купола парашюта определяются численно в лагранжевой постановке (без учёта взаимодействия с воздухом) с заданным распределением давления на куполе, определяемым либо из непосредственного натурного эксперимента, либо из однократного FSI-расчёта. Метод реализован в виде пошаговой процедуры, сходимость которой обеспечивается чередованием квазистатических и динамических шагов. Показана эффективность метода для решения задач оптимизации формы парашюта и определения корреляции между формой и распределением давления по куполу.

Получен фундаментальный результат в области нестационарной динамики вязкой несжимаемой жидкости. Уравнение Навье–Стокса записано в дивергентной форме. Введено понятие тензора переноса завихрённости. Плотность потока завихрённости через поверхность определена как произведение этого тензора на нормаль к поверхности. Силы, действующие на тело в потоке жидкости, выражены через потоки завихрённости.

На основе разработанной вычислительной технологии решения сопряжённых задач о нестационарном взаимодействии подвижных тел с вязкой несжимаемой жидкостью решён цикл задач о возбуждении интенсивных автоколебаний твёрдых тел в стеснённых и неограниченных потоках. В том числе решены задачи о влиянии сплошной среды на параметры соударений твёрдых тел, погружённых в жидкость.

Проведён комплекс исследований, направленных на создание системы научно-обоснованных, верифицированных прикладных методик прогнозирования изменения теплофизических показателей в процессе эксплуатации в ограждающих конструкциях зданий различных типов теплоизоляционных материалов, позволяющих определять коэффициенты условий эксплуатации в зависимости от типа теплоизоляционного материала и рассматриваемой части ограждающей конструкции.

По заказам профильных специализированных организаций решён цикл прикладных задач промышленной аэродинамики: в области прогнозирования опасных ветровых воздействий на строительные сооружения, по определению аэродинамических характеристик вращающихся антенн и изделий военного назначения, в области механики спорта (санный спорт и летающие лыжники).

 

Лаборатория гиперзвуковой аэродинамики. Проведено численное исследование аэродинамического качества компоновки, состоящей из V-образного крыла и центрального тела в виде кругового конуса, при числе М = 6. Верхняя поверхность тела направлена по потоку. В качестве изопериметрических условий заданы объём компоновки и коэффициент подъёмной силы. Установлена существенная зависимость геометрии тела от коэффициента подъёмной силы. Компоновка с ростом коэффициента подъёмной силы может содержать центральное тело и иметь угол раскрытия V-образного крыла гамма > p, быть плоским треугольным крылом и V-образным крылом с гамма < p.

Поставлена и решена задача о форме волнолёта максимального аэродинамического качества, построенного на плоской ударной волне и имеющего плоскость симметрии, при двух изопериметрических условиях: заданы удельный объём волнолёта и коэффициент подъёмной силы. В его конструкции предусмотрены боковые шайбы. Донный срез волнолёта максимального аэродинамического качества задан в виде двух симметричных плоских поверхностей, что представляется важным в приложениях. Экстремаль – распределение длины хорды волнолёта в плане по размаху находится с использованием численного метода локальных вариаций, адаптированного к вариационной задаче с двумя указанными изопериметрическими условиями. Показано, что при нормированных специальным образом аэродинамических коэффициентах задача сводится к поиску минимума функционала, не зависящего от числа Рейнольдса. Форма экстремали зависит от состояния пограничного слоя: ламинарный или турбулентный.

Получены новые экспериментальные данные, подтверждающие возможность существенного повышения энергоразделения сверхзвукового потока влажного воздуха. Исследован эффект сверхзвукового аэродинамического охлаждения стенки при течении в следе за ребром. Показана возможность снижения коэффициента восстановления температуры на величину до 10% на расстоянии до 80 высот ребра ниже по течению. Определены коэффициенты теплоотдачи и сопротивления гладкой и облуненных поверхностей, расположенных в следе за цилиндром. Показано, что теплогидравлическая эффективность облуненных поверхностей в следе за цилиндром оказалась ниже значений на гладкой поверхности. Проведённый сравнительный анализ течения в каналах постоянного сечения и с малым углом раскрытия показал, что фактор аналогии Рейнольдса в диффузорах выше по сравнению с каналом постоянного сечения. Показано влияние отрицательного продольного градиента давления и поперечного вдува (отсоса) газа на стенке на характеристики течения и теплообмена. Определена величина параметра ускорения, при котором в плоском канале с конфузором происходит полная ламинаризация течения. Для сверхзвукового обтекания пластины с поперечным вдувом газовых смесей с заданной температурой вдува подтверждено существование области температур проницаемой стенки ниже температуры вдуваемого газа и температуры торможения набегающего потока. Предложена идея реализации метода безогневого подогрева при редуцировании давления природного газа на основе устройства сверхзвукового безмашинного энергоразделения потоков.

 

Лаборатория механики многофазных сред. На основании параметрических численных расчётов обтекания круглого цилиндра сжимаемым вязким газом в режиме нестационарного схода вихревой дорожки исследованы причины возникновения известного экспериментального парадокса Эккерта–Вайса, состоящего в падении равновесной температуры задней части поверхности теплоизолированного цилиндра ниже статической температуры набегающего потока. Показано, что для объяснения парадокса Эккерта–Вайса, наряду с нестационарностью течения в ближнем следе, необходимо учитывать стратификацию полного теплосодержания потока за счёт проявления диссипативных эффектов вблизи точек отрыва пограничных слоёв.

Теоретически исследовано затухающее двумерное однородное и изотропное турбулентное течение в автомодельном пределе больших чисел Рейнольдса, образованных по времени и кинетической энергии потока, когда начальное значение усреднённой энстрофии стремится к бесконечности при вязкости, стремящейся к нулю. Показано, что в этом случае скорость диссипации энстрофии имеет ненулевой конечный предел. Исследованы корреляционная функция поля завихренности и спектральная плотность энстрофии в инерционном интервале расстояний и волновых чисел, где эти функции свободны от влияния вязкости и параметров крупномасштабного течения. Показано, что в затухающей двумерной автомодельной турбулентности инерционный интервал существует в физическом пространстве, но отсутствует в пространстве волновых чисел. Это означает, что турбулентные вихри соответствующего размера не дают вклада в спектральную плотность, а известный закон минус первой степени не выполняется.

 

Лаборатория газодинамики взрыва и реагирующих систем. Выполнено численное исследование сверхзвукового обтекания затупленных тел при наличии энерговклада, локализованного в малых областях эллипсоидальной формы, расположенных в набегающем потоке; изучено влияние числа Маха потока, удлинения, размера области энерговклада и подводимой мощности на формирование высокотемпературного следа и отрывных зон перед телом; предложена формула для пересчёта эффективности снижения волнового сопротивления затупленных тел.

В трёхмерной нестационарной постановке выполнено численное исследование взаимодействия сильной ударной волны с продольным каналом газа пониженной плотности круглого, эллиптического или прямоугольного сечений. Для эллиптического и прямоугольного сечений отмечено усиление эффекта кумуляции высоконапорных струй вблизи центральной оси течения. Определена динамика развития газодинамического предвестника.

Проведена работа по созданию подвижного варианта комплекса на основе монохроматора МДР-23Д с целью получения спектральных характеристик газового разряда при различных режимах в канале ударной трубы «Квадрат». Выполнено экспериментальное исследование развития осесимметричного отрывного течения перед сферой с тонкой иглой при падении на него ударной волны со сверхзвуковым течением за ней. Получены теневые картины различных фаз развития конической отрывной зоны при взаимодействии отражённой ударной волны с пограничным слоем на тонкой игле.

С использованием модифицированной «трёхпалубной» модели нестационарного свободного вязко-невязкого взаимодействия исследовано поведение слабых возмущений в пограничном слое над твёрдой плоской пластиной, обтекаемой околозвуковым потоком газа, для квадратичного профиля продольной составляющей невозмущённой скорости в пограничном слое. Показано качественное отличие картины малых возмущений от случая линейного профиля скорости в пограничном слое.

Численно исследованы режимы отрицательного маховского отражения при дифракции ударной волны на клине. Наряду с известными режимами двойного и тройного маховского отражения, обнаружены качественно новые автомодельные режимы многократного маховского отражения с четырьмя или пятью трёхударными конфигурациями. Определены границы существования конфигураций многократного отражения при изменении угла клина, показателя адиабаты газа и числа Маха потока.

 

 

Лаборатория общей гидромеханики. Созданы модель и программа расчёта переноса примесей и газов водо-соляным раствором с учётом отложения минералов на скелет и химических реакций в водной фазе. Исследовано образование медного порфирового месторождения при дегазации магматического очага. Результаты расчётов хорошо воспроизводят данные о геологическом строении реальных месторождений.

Построена квазидвумерная модель течения магмы в канале вулкана с учётом зависимости вязкости от скорости сдвига. Показано, что профиль скорости существенно отличается от параболического, принимаемого в одномерных моделях, внутри канала образуются зоны больших градиентов скорости.

Построена модель и проведены расчёты накопления заряда в вулканических газо-пепловых струях. Оценены параметры, при которых достигается критическая напряжённость электрического поля, соответствующая пробою струи молнией.

Исследовано влияние предела текучести материала на скорость склонового потока и скорость захвата донного материала. Показано, что для ламинарных потоков увеличение предела текучести приводит к уменьшению скорости и увеличению скорости захвата. В турбулентных потоках при малых величинах предела текучести его увеличение вызывает противоположный эффект.

 

Лаборатория экспериментальной гидродинамики. Проведено численное исследование влияния наличия предела текучести на динамические параметры склонового потока. Исследована устойчивость потока на склоне, описываемого уравнениями в гидравлическом приближении, по отношению к косым возмущениям.

 

Лаборатория физико-химической газодинамики. Получено приближённое аналитическое решение уравнений физической теории метеоров с меняющимися вдоль траектории коэффициентами сопротивления и теплопередачи. При моделировании взаимодействия Челябинского метеороида с атмосферой Земли на высотах выше 27 км изучено влияние на решение неопределённости в задании начальных параметров при входе его в атмосферу Земли. Полученные кривые энерговыделения и относительной световой кривой хорошо согласуются с наблюдательными данными.

Из литературных данных для формул радиационных тепловых потоков к затупленным телам в метеорном диапазоне изменения их параметров проведены расчёты и даны сравнения с имеющимися в литературе точными численными решениями. На основании проведённых сравнений получено новое аналитическое выражение для радиационного потока в зависимости от скорости, радиуса тела и плотности атмосферы, обладающее хорошей точностью в широком диапазоне изменения этих параметров.

Анализ литературных данных по классификации выпавших частиц по размерам при их разлёте после разрушения метеороида позволил выбрать модель, наилучшим образом согласующуюся с наблюдёнными данными.

Получены аналитические решения уравнений физической теории метеоров для не дробящегося метеороида, летящего в неизотермической атмосфере, при задании параметра уноса массы на траектории его движения в виде степенной функции от скорости. Получено выражение для массы метеороида через его скорость, а также соотношение, связывающее скорость метеороида, атмосферное давление и его начальные параметры. Получены приближённые формулы для массы и скорости метеороида на начальном участке траектории, а также соотношения для определения экстремальных значений основных его динамических характеристик: торможения, скоростного напора, скорости уноса массы, площади миделевого сечения, баллистического коэффициента и кинетической энергии на единицу пути. Установлена очерёдность их появления.

 

Лаборатория механики многофазных сред. На основании численного моделирования исследован эффект коллимации потока звёздного ветра в направлении оси вращения звезды в области астросферного ударного слоя между внутренней ударной волной и астропаузой. Этот эффект, связанный с влиянием тороидальной компоненты магнитного поля звезды, приводит к образованию, вместо классической кометообразной формы, астросферы с двумя хвостами. Впервые данный эффект рассмотрен с учётом относительного движения звезды сквозь окружающее межзвёздное пространство. Показано, что в случае частично ионизованной межзвёздной среды перезарядка между нейтральными атомами и протонами приводит к удалению точки торможения далеко в хвост астросферы, в результате чего структура с двумя хвостами не реализуется.

 

 

Лаборатория общей гидромеханики. На основе разработанной модели биологической сплошной среды, образованной клетками и внеклеточной жидкостью, решена задача о формировании полости в первоначально однородном клеточном сфероиде вследствие потери устойчивости однородного состояния.

Решён цикл задач о влиянии неоднородности роговицы глаза, в т.ч. возникающей в результате хирургической коррекции зрения, на результаты измерения внутриглазного давления при помощи тонометров Маклакова и Шиотца.

 

Лаборатория биомеханики. Исследовано влияние ингибитора рецепторов фибириногена, «Монофрама», на реологические характеристики крови испытуемых с нормальной и повышенной агрегацией эритроцитов (АЭ) и больных сахарным диабетом. Специфического влияния Монофрама на реологию крови больных диабетом не обнаружено. Предложен новый показатель, характеризующий АЭ в текущей крови по величине гистерезиса при пошаговом циклическом изменении скорости сдвига.

Методами молекулярной динамики исследованы изменения механических характеристик регуляторного белка мышц, тропомиозина, под действием мутаций и посттрансляционных модификаций, ассоциированных с врождёнными и приобретёнными болезнями сердца. Получено хорошее соответствие результатов молекулярно-динамических расчётов с экспериментальными данными, полученными в  ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологий» РАН и Институте иммунологии и физиологии УрО РАН.

 

Лаборатория прочности и ползучести при высоких температурах. Разработана методика получения пористых 3D-конструкций заданной архитектуры на основе фосфатов кальция для замещения повреждённых участков костной ткани совместным использованием аддитивных технологий и коллоидного формования.

Проведены экспериментальные исследования механических свойств берцовой кости крысы линии Vistar c устройством временной фиксации (10 к-тов) в опытах на изгиб на установке ИМЕХ-БИО.

 

 

Лаборатория ползучести и длительной прочности. Проведено моделирование влияния формы поверхностного рельефа вязкоупругого тела на контактные характеристики и силу трения при взаимодействии с жёстко движущимся штампом.

Решена динамическая задача о качении с проскальзыванием упругого цилиндра по упругому полупространству.

Исследовано влияние остаточных напряжений на процесс накопления контактно-усталостных повреждений в условиях трения качения.

С помощью кинетической теории моделируются известные результаты испытаний на длительную прочность в условиях нестационарного сложного напряжённого состояния. При описании экспериментальных данных используется векторный параметр повреждённости с кусочно-постоянной скоростью накопления повреждений.

Исследовано осаживание с учётом трения составного цилиндра, состоящего из сплошного внутреннего цилиндра и окаймляющего его полого цилиндра, высоты обоих цилиндров совпадают. Принимается, что оба цилиндра деформируются без бочкообразования, трение торцов цилиндров с плоскостями пресса описывается законом Кулона. Рассматривается осаживание составного цилиндра на одну и ту же величину за одну и ту же длительность с помощью различных программ нагружения. С помощью вариационного подхода определена оптимальная программа осаживания, при которой работа внешней силы минимальна.

Исследовано длительное разрушение растягиваемого стержня, находящегося в условиях диффузионного и химического взаимодействия с агрессивной средой. Для решения задачи разработана механико-математическая модель, включающая модифицированное уравнение диффузии, кинетическое уравнение накопления повреждений и соотношение для параметра химического взаимодействия. Время до разрушения стержня рассчитывается на основе критериального или кинетического подходов.

Исследована нестационарная одномерная диффузия агрессивной окружающей среды вдоль толщины длинной цилиндрической оболочки.

Исследована задача об установившейся ползучести длинной прямоугольной мембраны в стеснённых условиях внутри жёсткой матрицы при кусочно-постоянной зависимости скорости поперечного давления от времени. В качестве примера исследуется ползучесть мембраны при однократном изменении скорости поперечного давления во времени. Рассматривается два варианта условий контакта мембраны и матрицы: идеальное скольжение и прилипание. Анализ проводится до времени практически полного заполнения матрицы мембраной.

Получены новые результаты экспериментально-теоретических исследований локализации деформаций при ползучести. Получено свидетельство на разработанную программу для обработки фотографий, полученных из экспериментов по растяжению цилиндрических образцов. Разработана теоретическая модель локализации деформаций на основе постулата Друккера.

Предложена методика вычисления предельных напряжений, характеризующих процесс ползучести, по известным опытным данным установившейся ползучести и длительной прочности.

 

Лаборатория динамических испытаний. Построено аналитическое решение нестационарной осесимметричной задачи Ламба для среды Коссера. Исследовано напряжённо-деформированное состояние моментно упругой полуплоскости под действием поверхностных нестационарных нормальных перемещений.

Получено решение задачи о термоупругом деформировании трёхслойной круговой пластины при воздействии локальных нагрузок.

Теоретически обоснована модификация метода построения решений нестационарных динамических задач линейной вязкоупругости в случае ограниченности области распространения возмущений при постоянном коэффициенте Пуассона материала. Исследованы свойства спектрального множества в задачах о свободных колебаниях линейно-вязкоупругих тел в случае, когда коэффициент Пуассона материала не зависит от времени, а наследственное ядро является экспоненциальным двухпараметрическим.

Решена симметричная контактная задача для вязкоупругой полуплоскости и абсолютно твёрдого ударника. Для сверхзвукового этапа взаимодействия рассматривается два предельных случая условий контакта: жёсткое сцепление и свободное проскальзывание, два типа ядер релаксации: двухпараметрическое экспоненциальное и ядро Колтунова, три типа поверхностей, ограничивающих ударник: параболический, эллиптический и гиперболический цилиндры. Для дозвукового этапа контактного взаимодействия в качестве условия контакта рассмотрено условие свободного проскальзывания. Получена система разрешающих интегро-дифференциальных уравнений, составлена её разностная схема, построены необходимые функции влияния.

В рамках линейных моделей решены одномерные нестационарные задачи термоупругой диффузии и электромагнитомеханодиффузии в декартовой системе координат для слоя и полупространства. Даны постановки и получены решения задач о нестационарных упругодиффузионных колебаниях балок Эйлера–Бернулли и Тимошенко. Использовался метод, основанный на применении интегральных преобразований и, в частности, преобразования Лапласа по времени, а также с помощью представлений искомых величин в виде разложений по собственным функциям. В задачах электромагнитомеханодиффузии дополнительно предполагалось, что либо прямые, либо обратные пьезоэффекты слабо выражены, что позволило решить отдельно либо задачу электродинамики, либо задачу упругой диффузии.

Построены нестационарные пространственные функции влияния для мембран, балок, пластин и оболочек. Решён ряд тестовых задач с использованием построенных функций влияния. Разработаны методы и подходы к решению нестационарных обратных задач для стержней и балок типа Тимошенко. Исследованы нестационарные обратные задачи о восстановлении распределённой нагрузки, воздействующей на балку Тимошенко конечной длины.

Разработаны методы и подходы к решению плоских нестационарных контактных задач с подвижными границами с учётом сил адгезионного взаимодействия.

Выполнено исследование взаимодействия сферической гармонической волны с шарнирно-опертой пластиной в плоской и пространственной постановках.

 

Лаборатория прочности и ползучести при высоких температурах. Получена интегральная формула представления решения дифференциального уравнения общего вида в частных производных с переменными коэффициентами, зависящими от координат и времени, через решение такого же уравнения с постоянными коэффициентами.

Рассмотрена первая специальная краевая задача (СКЗ) теории упругости неоднородного тела, из решения которой находятся эффективные коэффициенты упругости. Показано, что решение первой СКЗ, а значит, и эффективные коэффициенты упругости выражаются через интегралы от тензора Грина.

Дана постановка задачи в инженерной теории продольно поперечного изгиба неоднородного стержня с переменным поперечным сечением.

Подробно рассмотрена постановка задачи об изгибе пластины переменной толщины из неоднородного анизотропного материала.

Предложено решение проблемы получения керамических материалов на основе пирофосфата кальция путём введения добавок, обеспечивающих образование расплава и, как следствие, жидкофазное спекание.

Проведена модернизация испытательной установки ИМЕХ-ВТР4 (высокотемпературное растяжение, при нагрузке до 50 кН и температуре до 1600⁰С).

Разработана и изготовлена система температурной стабилизации и управления для муфельной печи СНОЛ-1,6.2,0.0,8/9-М1 для температур до 900⁰С.

 

Лаборатория упругости и пластичности. Выполнено широкое аналитическое исследование и проведена аттестация двух нелинейных определяющих соотношений вязкоупругопластичности – Работнова и типа Максвелла. Найдены индикаторы применимости (и неприменимости) этих моделей и разработаны методики их идентификации по данным испытаний материала.

Разработан и реализован алгоритм идентификации модели пластичности Шабоша по результатам экспериментов на одноосное циклическое нагружение стальных образцов.

Проведена серия экспериментов по скольжению одного слоя арамидной ткани о другой в условиях трансверсальной сжимающей нагрузки при различных углах относительного поворота слоёв. Выполнена верификация численных расчётов динамического взаимодействия ударников с ткаными барьерами, состоящими из слоёв различных типов плетения; предложены более эффективные способы укладки слоёв защитных тканей по сравнению с полотняными.

Развита теория эксперимента и экспериментально апробирована новая методика испытаний на динамический сдвиг в рамках модификации метода Кольского.

В рамках договора о сотрудничестве НИИ механики с университетским центром на Свальбарде (UNIS, Норвегия) проведены исследования масштабного эффекта в тестах для макрообразцов (в полевых условиях) и микрообразцов (в лабораторных условиях) на о. Шпицберген (февр. – март). Выполнено измерение параметров установки, используемой для экспериментов в полевых условиях; это дало возможность оценить скорость деформации в экспериментах с макрообразцами.

Завершена разработка аналитического метода решения плоских задач и задач об осевом деформировании с позиций пространственной теории упругости с учётом специально вводимой компоненты перемещений в осевом направлении. Получены точные аналитические решения ряда задач этих классов.

На основе ранее полученных динамических уравнений трёхслойных упругих пластин с идеальным контактом между слоями исследовано явление геометрической дисперсии волн.

 

 

Лаборатория механики многофазных сред. На двух модельных примерах турбулентных течений, с использованием модифицированного полного лагранжева подхода, исследовано влияние инерции дисперсной примеси и турбулентного перемешивания на неоднородное распределение числовой плотности частиц в турбулентном потоке. Полный лагранжев метод развит на случай вычисления гессиана преобразования от эйлеровых к лагранжевым переменным. Рассмотрен случай умеренно инерционных частиц, когда их конвективный перенос осуществляется крупномасштабными (осреднёнными) турбулентными структурами, рассчитанными методом крупных вихрей (LES), а дополнительный перенос примеси подсеточной турбулентностью может быть описан в диффузионном приближении. На основе сравнения расчётов в рамках развитого эйлерово-лагранжева подхода с прямыми численными расчётами трёхмерного затухающего однородного турбулентного газодисперсного течения в кубической ячейке показано, что предлагаемый подход позволяет успешно рассчитывать турбулентные течения с формированием каустик и локальных областей повышенной концентрации частиц.

С использованием метода граничных интегральных уравнений проведено параметрическое численное исследование медленного течения вязкой жидкости в микроканале, образованном текстурированными стенками, имеющими периодическую полосчатую структуру. Рассмотрен случай, когда стенки канала – полосчатые супергидрофобные поверхности, каверны которых содержат газовые пузырьки, а также случай, когда каверны полностью заполнены протекающей жидкостью. Задача снижения гидродинамического сопротивления в микроканале с текстурированными стенками исследована в наиболее общей постановке, когда размер и расстояния между кавернами на противоположных стенках канала различны. Установлено, что заметное снижение сопротивления микроканала происходит не только при использовании супергидрофобных стенок, но и в случае, когда микрокаверны заполнены жидкостью.

Изучены подъёмные силы инерционной природы, действующие на сферические частицы в микроканалах и вызывающие поперечное смещение частиц и их фокусировку на определённом расстоянии от стенок канала. Предложено обобщение теоретических результатов, ранее полученных для малых чисел Рейнольдса, на случай конечных чисел Рейнольдса и конечного отношения размера частиц к ширине канала. Для проверки теоретической модели проведено компьютерное моделирование миграции частиц на основе метода решёточного уравнения Больцмана. В случае, когда плотности несущей фазы и материала частиц заметно отличаются, помимо подъёмной силы, на частицу также действуют сила тяжести и сила Архимеда, что может сильно сместить положение равновесия или даже привести к его исчезновению. Разработанная модель фокусировки частиц может быть полезной для управления равновесным положением частиц и эффективной сортировки частиц по размерам в течениях в микроканалах.

Разработаны теоретические основы метода каплеулавливания на поверхность свободных жидких плёнок в условиях открытого космоса применительно к работе перспективных бескаркасных капельных излучателей-холодильников. Исследованы условия полного поглощения падающих капель плёнкой без формирования брызг. Построена и исследована новая математическая модель стационарного течения в свободной плёнке с учётом потоков массы и импульса, приносимых в плёнку осаждающимися жидкими каплями. Развита линейная теория гидродинамической устойчивости свободной плёнки вязкой теплопроводной жидкости для условий работы капельных радиаторов. Показано, что в отсутствие неустойчивости Кельвина–Гельмгольца в условиях вакуума основные механизмы неустойчивости плёнки связаны с возникновением градиентов вязкости и поверхностного натяжения, вызванных излучением тепла с поверхности плёнки. Работа выполнена по договору с «Центром Келдыша».

Разработана и исследована математическая модель для оценки снижения трения (перепада давления) при течении вязкой жидкости в микроканале с нижней полосчатой супергидрофобной стенкой. Модель позволяет учитывать изменение положения газовых пузырьков в кавернах вдоль канала при наличии существенного продольного перепада давления. Разработанные методы расчёта поля скорости вязкой жидкости, осреднённой длины скольжения и оценки снижения трения могут быть использованы для оптимального дизайна микротекстурированных поверхностей, применяемых в устройствах микрофлюидики.

Рассмотрена диффузия броуновских частиц в канале с супергидрофобными стенками со скрещенной полосчатой текстурой, когда среднее течение представляет собой суперпозицию течений Пуазейля, поперечного сдвига и однородного течения скольжения, а течение в поперечном направлении сопровождается образованием пары вихрей. Получены оценки для дисперсии частиц в поперечном направлении на малых и больших временах.

Получены новые результаты по исследованию устойчивости газодисперсного потока в вертикальном плоском канале с учётом рассогласования скоростей фаз в основном течении. Показано, что однородное распределение инерционных частиц по сечению канала приводит к заметной стабилизации течения, в то время как неоднородное распределение приводит к возникновению новых механизмов неустойчивости, проявляющихся даже при низких числах Рейнольдса.

 

 

Лаборатория экспериментальной гидродинамики. Проведено исследование влияния формы панели обшивки на границы одномодового флаттера. Показано, что границы флаттера трапециевидных пластин близки к границам флаттера прямоугольных пластин, а границы флаттера пластин в форме параллелограмма существенно отличаются от них, так что при уменьшении угла скоса увеличивается аэроупругая устойчивость при малых сверхзвуковых скоростях.

Исследовано влияние вязких возмущений пограничного слоя на флаттер пластин конечной длины. Численно исследованы пограничные слои в типичных течениях около вогнутых криволинейных поверхностей, которые могут оказывать дестабилизирующее влияние на флаттер упругой поверхности.

Исследовано влияние конструктивных параметров на прогнозирование флаттера лопаток компрессоров газотурбинных двигателей. Показано, что влияние радиального зазора, угла прикрытия/открытия входного направляющего аппарата, радиальной неравномерности потока незначительно влияют на границы флаттера. В то же время величина монтажного натяга существенно влияет на результаты расчёта флаттера.

 

Лаборатория навигации и управления. Описаны общие свойства и тенденции движения оперённого тела в сопротивляющейся среде. Проведено сопоставление свойств движения макета тела, закреплённого на сферическом шарнире в аэродинамической трубе, с характеристиками различных режимов свободного полёта тела в атмосфере. Исследовано влияние несимметричности оперения и наличия вязкого наполнителя на характер движения тела.

Построена математическая модель ветротурбины, использующей эффект Магнуса. Сформировано управление рабочими режимами. Показано, что при использовании такой ветротурбины в качестве привода ветромобиля можно обеспечить движение системы против ветра.

Разработан метод отыскания коэффициента управления, обеспечивающего существование периодической траектории с определёнными свойствами в неконсервативной центрально-симметричной системе с одной степенью свободы. Алгоритм применён к задачам о колебаниях/ротациях аэродинамических маятников.

Предложены некоторые новые классы приводимых линейных нестационарных систем, являющиеся математическими моделями ряда задач космической динамики. На основе разработанной теории созданы алгоритмы магнитной стабилизации относительного равновесия спутника на круговой орбите.

Получены достаточные условия устойчивости положений относительного равновесия спутника, состоящего из двух твёрдых тел, соединенных упругими стержнями, а также условия устойчивости равновесия твёрдого тела, закреплённого на конце вращающегося упругого вала. Получены условия устойчивости стационарных движений одноколёсного робота достаточно сложной конструкции и предложены алгоритмы их стабилизации.

В задаче о двухзвенном аэродинамическом маятнике проанализировано влияние пружин крепления на устойчивость положения равновесия и характеристики периодических режимов. Показано, что результаты численного моделирования достаточно хорошо согласуются с данными экспериментов, проведённых в трубе А6 НИИ механики.

Рассмотрена математическая модель колёсной тележки, приводимой в движение ротором Савониуса. Проведено систематическое исследование стационарных режимов, показано, что такое устройство может двигаться против ветра.

Построено квазиоптимальное управление движением вибрационного робота, скользящего по горизонтальной плоскости с трением.

Построена математическая модель движения катамарана, оснащённого ветродвигателем. Исследованы стационарные движения, показана возможность движения строго против ветра.

Рассматривается математическая модель пространственного воздействия среды на осесимметричное твёрдое тело, частью участка внешней поверхности которого является круговой конус. Приводится полная система уравнений движения в условиях квазистационарности. Исследован вопрос устойчивости по части переменных пространственного прямолинейного поступательного торможения. Показана интегрируемость некоторых классов динамических систем с четырьмя степенями свободы. При этом силовые поля обладают так называемой переменной диссипацией и обобщают ранее рассмотренные.

 

Лаборатория общей механики. Разработана конструкция сферического робота. Построена математическая модель маршевого (продольного) движения робота; найдено в виде обратной связи управление его маршевым движением. Проведены первые эксперименты по управлению макетом этого робота с использованием беспроводного канала связи.

 

 

Лаборатория автоматизации экспериментальных исследований. Продолжена работа по расширению функциональных возможностей Информационно-аналитической системы ИАС «ИСТИНА» с целью использования её в качестве стандартизованной и верифицированной платформы для научных организаций РАН и вузов.

Разработаны и прошли тестовые испытания модели, алгоритмы и их программные реализации, позволяющие создавать большие коллекции верифицированных наукометрических данных, тематически анализировать их с использованием современных подходов интеллектуального анализа.

В рамках совместного участия в исследованиях, проводимых физическим факультетом работ по проекту Фонда перспективных исследований для перспективной модели отечественного многоядерного векторного спецвычислителя: реализовано подмножество стандарта OpenCL, на котором успешно опробовано несколько производительных приложений; разработана новая технология распараллеливания вложенных циклов; разработаны эффективные средства трассировки исполнения параллельных программ, а также их отладки.

 

 

Лаборатория наномеханики. Получены новые результаты о течении смеси газов в микроканале, стенки которого вынужденно изгибаются по волновому закону. Решена задача о медленном течении многокомпонентного газа в переходном и свободномолекулярном режимах в области со сложной границей и перепадами температуры на стенках. Показано, что сложная геометрия в сочетании с градиентом температуры приводит к эффекту прокачки газа и разделения смеси. Созданный в 2017 г. гибридный численный метод для моделирования течения бинарных смесей в устройствах с разными режимами течения (континуальный, переходный, свободномолекулярный) был развит на случай течения смесей из трёх компонент. В настоящий момент с помощью данного метода ведётся расчёт задачи о течении смеси из трёх компонент в новом газоразделительном устройстве, представляющем собой U-образный канал с помещённой между внутренними сторонами мембраной или рядом нагретых нитей (филаментов). Показано, что при течении в такой системе обнаруживается эффект разделения смеси. Также метод событийного молекулярно-динамического моделирования был обобщён на случай наличия границ, движущихся с постоянными, но различными скоростями.

Разработан алгоритм построения атомных моделей нанотрубок с цилиндрической анизотропией упругих свойств различной хиральности. Реализована программная реализация алгоритма. Рассчитаны коэффициенты Пуассона нанотрубок из железа и меди, свёрнутых из плоскости (010) под различными углами хиральности, Показано, что с увеличением угла хиральности снижаются значения коэффициента Пуассона и при угле хиральности выше 33⁰ он становится отрицательным. Установлено, что нанотрубки из Fe и Cu проявляют линейный эффект Пойнтинга, т.е. закручиваются при растяжении. Максимальный эффект достигается при углах хиральности около 25⁰. Реализован алгоритм метода дискретных дислокаций, который позволяет рассчитывать характеристики пластической деформации тел, имеющие нано- и микроразмеры. Показано, что барьер образования дикарбоната находится в пределах 0,3 эВ, что является достаточным для активации такой реакции при комнатной температуре. Получено, что катион K существенно выходит из плоскости 8-членного окна при координации к нему дикарбоната, карбоната или гидрокарбоната, позволяя молекулам газа проходить через это окно. Этот результат подтверждает, что именно процессы химической адсорбции имеют существенное влияние на характер разделение газовых смесей, включающий углекислый газ, в цеолитах.

 

Лаборатория наномеханики и лаборатория кинетических процессов в газах. Проведены исследования обменных процессов между угарным газом и оксидами азота CO+N₂O ←→ СO₂+N₂, CO+NO₂ ←→ СO₂+NO, приводящим к образованию СO₂. Методами квантовой механики получены переходные состояния, частоты колебаний и пути реакций, а также их ключевые энергетические характеристики. В рамках теории переходного состояния были рассчитаны константы скоростей прямых и обратных реакций. Проведено их сравнение с имеющимися в литературе экспериментальными данными. Представлены их аппроксимации в виде Аррениуса в широком диапазоне температур 300–2500⁰K.

Проведены расчёты константы скорости диссоциации N₂+N → 3N для различных уровней описания с использованием вычислительного комплекса MD Trajectory и интернет каталога теоретических моделей. Проведено сравнение результатов траекторных расчётов с теоретической моделью Мэрроуна–Тринора по уровневому фактору. Получено существенное отличие вплоть до 4-х порядков при невысоких поступательных температурах для высоких колебательных уровней молекулы N₂. Для описания траекторных расчётов предложена модификация модели Мэрроуна–Тринора с введением температурной зависимости параметра q(T). Проведено сравнение результатов траекторных расчётов и теоретических моделей с имеющимися экспериментальными данными для процесса диссоциации N₂ + N → 3N. Показано, что наиболее адекватно экспериментальные данные описывает двухтемпературная модель Мэрроуна–Тринора.

 

Учебная работа. Важнейшим направлением учебной работы является проведение студенческих лабораторных практикумов для механико-математического факультета и факультета наук о материалах. Эти практикумы являются составной частью обязательного учебного плана обучения студентов III–IV курсов. Используются базовые экспериментальные установки и специализированные учебные стенды по направлениям: механика жидкостей и газов, механика твёрдого деформируемого тела, прикладная механика и мехатроника.

В 2018 г. было задействовано 24 общих и 29 специальных лабораторных практикумов, что обеспечивает проведение более одной трети всех лабораторных практических занятий студентов вышеназванных факультетов. Решением вопросов материально-технической и инженерной поддержки этих практикумов постоянно занимается до 40 специалистов института. Решением вопросов материально-технической и инженерной поддержки этих практикумов постоянно занимается до 40 специалистов института, которыми разработаны и полностью обеспечиваются около 30% практикумов. Сотрудники института являются научными руководителями студентов и аспирантов (в 2018 г. – 31).

В 2018 г. было прочитано 10 спецкурсов в рамках новой магистерской программы «Космос и механика» для факультета космических исследований, в т.ч. и на английском языке (проф. А.Н. Осипцов). Обучение по программе «Космос и механика» предусматривает практику в лабораториях НИИ механики, где студенты ФКИ могут участвовать в решении текущих научных фундаментальных и прикладных задач, что повышает потенциал их востребованности на предприятиях авиакосмической отрасли РФ.

 

Конференции. Организованы и проведены:

– Ломоносовские чтения. Секция «Механика» (16–24 апр.);

– I международная конференция «Проблемы механики и управления» (16–22 сент.).

– всероссийская конференция «Биомеханика-2018» (28 мая – 1 июня);

– всероссийское рабочее совещание «Биомеханика-2018» (8–9 февр.);

– научная конференция «Проблемы прочности, динамики, ресурса и оптимизации» (19–23 нояб.);

– всероссийская конференция молодых учёных-механиков YSM-2018 (4–14 сент.);

– XXIII международная конференция «Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность» «Не-За-Те-Ги-Ус» – 2018 (25 февр. – 4 марта);

– ежегодная открытая конференция-конкурс молодых учёных НИИ механики с присуждением стипендий молодым сотрудникам и публикацией сборника докладов (15–17 окт.);

– XII международная летняя научная школа для российских и тайваньских студентов «Компьютерные технологии инженерных задач механики», посвящённая 105-летию создания первого пассажирского самолёта (25 июня – 30 июля);

– XXIV международный симпозиум «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г.Горшкова (13–17 фев.).

НИИ механики является одним из организаторов регулярного Всероссийского распределённого телесеминара по аэромеханике, проходящего в режиме телемоста между ведущими научными центрами из различных городов РФ: ЦАГИ (Жуковский) – ИТПМ СО РАН (Новосибирск) – СПб ГПУ (Санкт-Петербург) – НИИ Механики МГУ (Москва). В 2017 г. было проведено 40 таких семинаров.

 

Доктора и кандидаты наук 2018 г. Ст.н.с. лаборатории динамических испытаний Земсков Андрей Владимирович защитил докторскую диссертацию «Нестационарные механодиффузионные возмущения в многокомпонентных упругих средах с плоскими границами».

Ст.н.с. лаборатории экспериментальной гидродинамики Толоконников Сергей Львович защитил докторскую диссертацию «Аналитический, экспериментальный и численный анализ течений жидкости со свободными границами».

Кандидатские диссертации защитили: вед. инженер лаборатории нестационарной гидродинамики Бойко Андрей Владимирович («Некоторые задачи о поведении биоконструкций при динамических и статических воздействиях с учётом неоднородности и существенной неупругости материалов»); н.с. лаборатории наномеханики Брюханов Илья Александрович («Исследование влияния наноразмерных включений и адсорбции газов на механические свойства кристаллических материалов»); вед. инженер лаборатории навигации и управления Голицына Мария Вадимовна («Анализ, управление и оптимизация движения вибрационного робота»); н.с. лаборатории общей аэродинамики Пиманов Владимир Олегович («Численное исследование локализованных турбулентных структур в трубах»).

 

Персоналии. Ст.н.с. лаборатории многофазных сред С.А. Боронин награждён премией им. академика Г.И. Петрова за работу «Развитие теории гидродинамической устойчивости течений многофазных и дисперсных сред».

Федерацией космонавтики РФ награждены:

– медалью «Первый в мире искусственный спутник Земли»; зав. лабораторией многофазных сред А.Н. Осипцов за вклад в развитие теории космических исследований;

– медалью им. академика Г.Е.Лозино-Лозинского: зав. лабораторией физико-химической газодинамики В.И. Сахаров за вклад в развитие российской космонавтики;

– медалью им. академика В.Н.Челомея: вед.н.с. лаборатории многофазных сред И.Г. Брыкина за заслуги перед космонавтикой.

Ведущие научные сотрудники лаборатории навигации и управления М.З. Досаев, Ю.Д. Селюцкий, Л.А. Климина и вед. инженер А.П. Голуб награждены дипломом финалиста международного конкурса APEC-ACABT YES Challenge 2018 (APEC Research Center for Advanced Biohydrogen Technology, Тайвань, Китай).

Ведущие научные сотрудники лаборатории навигации и управления М.З. Досаев, Ю.Д. Селюцкий, Л.А. Климина, ведущие инженеры А.П. Голуб, А.А. Мастерова и техник М.А. Гарбуз стали финалистами международного молодёжного конкурса экологически чистых технологий TECO Green Tech 2018 с присуждением диплома (TECO Technology Founation CPC Corporation, Тайвань, Китай).

Н.с. лаборатории гиперзвуковой аэродинамики С.С. Попович награждён дипломом победителя бизнес-игры «Технологический трансфер: из науки в бизнес» в рамках V конгресса «Инновационная практика: наука плюс бизнес».

Грант Президента РФ для государственной поддержки научных исследований молодых российских учёных-докторов наук получил вед.н.с. лаборатории общей гидромеханики А.А. Афанасьев.

Грант Президента РФ для государственной поддержки научных исследований молодых российских учёных-кандидатов наук получил ст.н.с. лаборатории ползучести и длительной прочности В.В. Терауд.

Стипендию Президента РФ молодым учёным и аспирантам получили н.с. лаборатории общей аэродинамики Б.И. Краснопольский, н.с. лаборатории прочности и ползучести при высоких температурах Я.Ю. Филиппов, научные сотрудники лаборатории гиперзвуковой аэродинамики М.С. Макарова, Н.А. Киселёв и С.С. Попович, мл.н.с. лаборатории наномеханики В.В. Косьянчук.

 

Публикации. Опубликовано 7 монографий, 36 статей в Топ-25, 8 сборников трудов, более 800 статей и тезисов докладов.

 

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