ВАЖНЕЙШИЕ НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ
Института теоретической и прикладной механики СО РАН за 2004 год


а) по комплексной программе "Механика жидкостей и газов"

1. Создан на основе нанотехнологии новый тип термоанемометрического датчика, не имеющего аналогов в мире для измерения характеристик газовых потоков - трубчатый датчик термоанемометра. Чувствительный элемент датчика представляет собой полупроводниковую монокристаллическую микро- или нанотрубку с наружным диаметром 0,1-10 мкм и толщиной стенки 1-100 нм, на внутреннюю или наружную поверхность которой нанесен чувствительный слой электропроводного материала. Совместно с ИФП СО РАН разработана конструкция датчика и технология массового изготовления полупроводниковых датчиков термоанемометров в интегральном исполнении. Измерения отклика датчика на импульсно-периодический лазерный нагрев показали, что постоянная времени нового датчика почти в 100 раз меньше, чем у традиционных термоанемометрических датчиков. Сравнительные измерения пульсаций скорости в турбулентном пограничном слое подтвердили большую чувствительность нового трубчатого датчика по сравнению с традиционными датчиками.


Рис. 1. Оптические фотографии термоанемометрических датчиков, расположенных на подложке арсенида галлия

Ответственный исполнитель: зав. лабораторией, д.ф.-м.н. Маслов А.А. (тел.(8-383) 330-38-80, e-mail: maslov@itam.nsc.ru).

2. Впервые экспериментально показана принципиальная возможность управления гиперзвуковым потоком воздуха с помощью МГД-воздействия, когда ионизация потока осуществляется электронным пучком. МГД-управление определялось по положению косой ударной волны на клине рис. 1а. Обтекание клина осуществлялось при числе Маха М = 8, статическом давлении потока 1 Торр, а измеренное значение индукции магнитного поля было 2,5 Тл. Для ионизации потока воздуха перед клином использовалась электронная пушка с оксидным катодом прямого накаливания. Эксперимент сопровождался расчетом с использованием 3D-программных кодов, созданных в ИТПМ СО РАН и аналитическими оценками. Результаты сравнения приведены на рис. 1б.


Рис.1. Положение скачка уплотнения на клине, а - эксперимент, б - расчет

Ответственный исполнитель: директор института, зав. лабораторией, академик Фомин В.М. (тел.(8-383) 330-85-34, e-mail: fomin@itam.nsc.ru)

3. Впервые показана эффективность применения ультразвук поглощающих покрытий с хаотической пористой микроструктурой для управления ламинарно-турбулентным переходом при гиперзвуковых скоростях. Пористое покрытие представляет собой металлический фетр, состоящий из спеченных металлических проволочек диаметром 30 мкм. Пористость покрытия составляет 75%. Исследования ламинарно-турбулентного перехода на конусе выполнены в гиперзвуковой аэродинамической трубе адиабатического сжатия АТ-303 с числами Рейнольдса более чем 107 при больших числах Маха (8-20). Показано, что ультразвук поглощающие пористые покрытия при гиперзвуковых скоростях позволяют увеличить протяженность ламинарного участка обтекания в 2 раза.

Ответственный исполнитель: зав. лабораторией, д.ф.-м.н. Маслов А.А. (тел.(8-383) 330-38-80, e-mail: maslov@itam.nsc.ru).

4. Впервые на основе численных исследований показана возможность осуществления стационарной детонации при маховском отражении наклонных ударных волн, генерируемых системой из двух клиньев в сверхзвуковом потоке водородо-кислородной или водородо-воздушной смеси при различных числах Маха набегающего потока.

Ответственный исполнитель: зав. лабораторией, д.ф.-м.н. Иванов М.С. (тел.(8-383) 330-81-63, e-mail: ivanov@itam.nsc.ru)


б) по комплексной проблеме "Машиностроение"

1. Созданы энергопреобразующие устройства с многофункциональными дисковыми или ячеисто-пористыми роторами, в которых могут совмещаться несколько разноскоростных процессов при неадиабатических условиях в одном рабочем органе. Это позволяет реализовать на практике преимущества неравновесных рабочих процессов в уникальных характеристиках энергопреобразования.

В частности, создан воздухоочиститель для удаления растворимых в воде газов (аммиака), где в одном аппарате совмещены многодисковый вентилятор, скруббер, сепаратор, термоэлектрический охладитель и подогреватель (осушитель) воздуха. Первый образец изготовлен по заказу Университета префектуры Акита (Япония) и испытан в Японии на заводе по производству удобрений и на свинарнике ИЦиГ СО РАН (рис.1). Второй образец с новым типом проницаемого ротора является еще более компактным. Испытан в виварии ИЦиГ СО РАН (рис.2).

В испытаниях получена высокая степень очистки воздуха при концентрации аммиака в воде в среднем на порядок превосходящей равновесную.


Рис. 1

Рис. 2

Ответственный исполнитель: зав. сектором, д.т.н. Баев В.К.( тел.(8-383) 330-39-05, e-mail: baev@itam.nsc.ru).

2. Создан новый класс термобарьерных плазменных покрытий с улучшенными эксплуатационными характеристиками (пористость, адгезия, когезия и т.д.) на основе полученных металлических порошков, модифицированных наночастицами тугоплавких соединений (карбидов, боридов, оксидов).

Исследовались три типа образцов с покрытиями, являющимися подслоями термобарьеров, напыленных в условиях динамического вакуума:

  1. напыление подслоя стандартным исходным порошком CoNiCrAlY ;
  2. напыление тем же порошком, но прошедшим высокоэнергетическую механоактивацию в центробежной шаровой мельнице;
  3. напыление тем же порошком,, но прошедшим высокоэнергетическую механоактивацию и одновременно модифицированным ультрадисперсными частицами TiC .

Прочность связи изучалась с помощью метода 4-х точечного испытания на изгиб. Показано, что значения деформаций, при которых наблюдается отслоение покрытий непосредственно после напыления для стандартного образца составляет 0.5%, а для образцов, прошедших механоактивацию и модификацию ультрадисперсными частицами - 2%, т.е. такие образцы обладают в четыре раза более высокой прочностью связи по сравнению со стандартными образцами.

Ответственный исполнитель: зав. лабораторией, д.т.н. Солоненко О.П.(тел.(8-383) 330-16-42, e-mail: solo@itam.nsc.ru


в) по комплексной программе "Механика деформируемого твердого тела"

1. Исходя из первичных принципов проведены молекулярно-динамические расчеты механических характеристик наноструктур с размерами до нескольких десятков нанометров. Методами молекулярной динамики смоделирован процесс образования нанотрубок, который впервые в мире практически реализован в ИФП СО РАН на слойках материалов арсенида галлия или индия. Радиус нанотрубок при молекулярно-динамическом моделировании оказывается меньше, чем предсказывает теория упругости для гетероструктур толщиной несколько монослоев. Выяснена причина такого расхождения, которая заключается в том, что для тонких гетероструктур основная часть атомов находится на поверхности в условиях, отличных от условий в объеме материала. Предложен способ учета поверхностной энергии в модели теории упругости, позволивший существенно уменьшить расхождение с данными эксперимента.

Ответственный исполнитель: директор института, зав. лабораторией, академик Фомин В.М. (тел.(8-383) 330-85-34, e-mail: fomin@itam.nsc.ru)

2. Построена физико-математическая модель лазерной сварки многокомпонентных (по химическому составу) сплавов на основе алюминия. Предложенная модель базируется на квазиравновесном описании процессов плавления и кристаллизации многокомпонентных сплавов с образованием двухфазной зоны. Согласно этой модели в двухфазной зоне нет переохлажденной жидкости или перегретой твердой фазы. Между незатвердевшим расплавом и выделившимся из него кристаллами существует термодинамическое равновесие. Установлено, что вследствие малой диффузионной подвижности растворенных компонентов в твердом состоянии распределение вещества в растущих кристаллах неоднородно и полное равновесие в системе не достигается. Предварительные оценки и расчеты показали, что осуществить глубокое плавление при сварке алюминиевых пластин невозможно без образования парогазовой каверны. Поэтому при построении модели особое внимание уделено описанию механизма сварки в режиме кинжального проплавления, когда плотность мощности излучения превышает пороговое значение и процесс формирования соединения сопровождается интенсивным испарением материала с образованием парового канала. В отличие от известных подходов данная модель позволяет рассчитывать кристаллизацию многокомпонентного сплава, ширину двухфазной зоны, время пребывания металла в ней, а также возможность образования газоусадочной пористости, размер кристаллического зерна и пор.

Экспериментальная проверка модели осуществлялась на образцах сварных соединений углеродистой, нержавеющей сталей, титана, алюминия и его сплава марки 1420Т авиационного назначения. Совместно с Институтом машиноведения УрО РАН методами металлографии, электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального анализа исследована микроструктура, фазовый и химический состав полученных образцов, что позволило проводить сравнение не только их интегральных, но и локальных характеристик.

Ответственный исполнитель: в.н.с., д.ф.-м.н. Ковалев О.Б.( тел.(8-383) 330-42-73, e-mail: kovalev@itam.nsc.ru).