ВАЖНЕЙШИЕ НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ
Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН за 2008 год


а) по комплексной программе "Механика жидкостей и газов"


3.2.3.

1. При исследовании процессов теплообмена и предельных энергетических характеристик тлеющего разряда при высокой до 100 м/с скорости прокачки для мощного лазера с дисковыми вентиляторами - теплообменниками впервые обнаружен эффект медленной тепловой неустойчивости объемного разряда СО2 лазера при низком давлении. Показано, что данное явление связано с проявлением струйного характера течения газа в замкнутом контуре.

Увеличение перемешивания газа в канале перед теплообменником позволило преодолеть кризис теплообмена.


Аннотация


Рис. 1. Схема лазера и размещения термопар

На рис. 1. приведена схема мощного лазера с дисковыми вентиляторами - теплообменниками. Результаты измерения температур в режиме развития неустойчивости приведены на рис.2.

На рис. 3 представлен пример выравнивания температуры в разряде после применения специальной системы перемешивания линий газового тока.


Рис. 2. Тепловая неустойчивость. Изменение температуры потока во времени после разряда в двух точках вдоль электродов.

Рис. 3. Подавление тепловой неустойчивости.
Изменение температуры потока вдоль электродов разряда.

Ответственный исполнитель: зав. лабораторией, д.ф.-м.н. Оришич А.М. (тел.(8-383) 330-73-42, e-mail: laser@itam.nsc.ru).

2. Для определения влияния теплового следа плазмоида на интенсивность звукового удара впервые проведено исследование процессов энергетического управления параметрами сверхзвукового потока воздуха в условиях реального газодинамического обтекания аэродинамической модели. Исследования выполнены с использованием впервые созданного квазистационарного оптического разряда в воздухе в условиях масштабной аэродинамической установки. Показано, что при взаимодействии теплового следа от зоны оптического разряда с головной ударной волной, генерируемой моделью, наблюдается заметное изменение структуры течения за падающей ударной волной от модели в области взаимодействия ее с тепловым следом, создаваемым оптическим пробоем.

Решение данной проблемы позволит существенно снизить интенсивность звукового удара.


Аннотация

Эксперименты по реализации квазистационарного оптического разряда в сверхзвуковом потоке воздуха выполнялись на малоразмерной аэродинамической установке МАУ. Для выполнения экспериментов создан мощный импульсно-периодический СО2 лазер с механической модуляцией добротности со средней мощностью генерации до 4 кВт, частотой следования импульсов до 80 кГц и импульсной мощностью до 150 кВт.

В сверхзвуковом потоке воздуха (М = 2) получен квазистационарный оптический разряд. Теневая картина плазмоида и течения вблизи него изображена на рис. 1.


Рис. 1

Рис. 2

Перед областью оптического разряда формируется головная ударная волна, как от затупленного твердого тела. За плазмоидом наблюдается тепловой след, конфигурация которого изменяется вниз по потоку. На рис. 2 представлен теневой снимок взаимодействия теплового следа от плазмоида с головной ударной волной, генерируемой моделью в виде кругового конуса . Наблюдается заметное изменение структуры течения за падающей ударной волной от модели в области взаимодействия ее с тепловым следом, создаваемым оптическим пробоем.

Ответственный исполнитель: зав. лабораторией, д.ф.-м.н. Оришич А.М. (тел.(8-383) 330-73-42, e-mail: laser@itam.nsc.ru),
с.н.с., к.т.н. Чиркашенко В.Ф. (тел.(8-383) 330-18-95, e-mail: chirkash@itam.nsc.ru)

3. Для повышения качества газолазерной резки листовых металлов выполнено теоретическое исследование и впервые предложен способ генерации ультразвуковых колебаний в струе вспомогательного газа, не требующий внешних источников и доставляющий возмущения непосредственно к расплаву.


Аннотация

В качестве источника ультразвуковых колебаний в газе использовался генератор типа свистка Гартмана, рис. 1а. В результате проведенных расчетов получена динамика развития процессов (анимационные фильмы), демонстрирующие развитие возмущений при истечении газа в свободное пространство, рис. 1б, а также проникновение ультразвуковых колебаний в узкую щель, геометрически подобную лазерному резу, рис. 1в. Обнаружено влияние этих колебаний на разрушение пленки расплава по всей глубине канала реза. Все параметры газа подвержены колебаниям, которые особенно заметны в нижней части канала, что может положительно сказаться на разрушении и выносе расплава, а также качестве получаемой поверхности реза.


Рис. 1: а) схема двойного коаксиального сопла с генератором ультразвуковых колебаний; 1 - периферийное сопло, 2 - центральное сопло, 3 - генератор колебаний, 4 - предсопловой объем;
б) истечение струи газа с ультразвуковыми колебаниями в свободное пространство;
в) колебательное течение газа около фронта реза, распределение модуля.

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

4. При выполнении комплексных теоретических экспериментальных исследований, направленных на повышение качества и эффективности кислородно-лазерной резки листовой стали впервые определены физические механизмы образования ряда дефектов качества.


Аннотация

Зашлаковывание нижней кромки и облой образуются из-за возникновения вихрей в струе газа на выходе из канала, в которых удерживаются расплав и окисел. Установлены физико-химические механизмы зарождения шероховатости в результате циклической реакции окисления железа. Методами моделирования проведен поиск эффективных режимов резки (рис. 1), что на практике позволило устранить дефекты качества и на 20% повысить скорость резки листовой малоуглеродистой стали.

Развиты численные и экспериментальные методы моделирования течений газа в канале, геометрически подобном лазерному резу. С двойным коаксиальным соплом удается вытеснить вихрь за пределы канала, и на практике получить качественный рез.

Модель, основанная на балансе энергии в зоне реза, позволяет получать динамику областей горения, в зависимости от скорости резки, геометрии излучения, толщины слоя оксида и концентрации примесей в струе кислорода. Шероховатость минимальна, если линейная скорость горения не превышает скорость резки.


Рис. 1: а,б,в,г - рез с дефектами качества; д,е,ж,з - оптимизированный режим резки;
а,д - визуализация потока газа жидкими покрытиями; б,е - 3D расчет поля скорости;
в,ж - образцы резки; г,з - 3D расчет формы поверхности с учетом химической реакции.

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

5. Впервые проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния нанопорошковых инокуляторов на качество сварного шва при СО2 - лазерной сварке деталей из титановых сплавов. Установлено, что введение специально подготовленных наноразмерных порошков тугоплавких соединений в количестве менее 0,05% по массе позволяет существенно повысить прочность сварного соединения при одновременном увеличении пластичности металла в сварном шве.


Аннотация

Выполнено научное исследование процесса сварки титановых сплавов ВТ5, ВТ6, ВТ20 с помощью непрерывного СО2 - лазерного излучения с применением нанопорошковых инокуляторов (НПИ). В качестве инокулирующих порошковых материалов использовались тугоплавкие соединения TiN, Y2O3, а также их смесь, плакированные хромом. Концентрация модифицирующей композиции, вводимой в сварочную ванну составляла не более 0,05% по массе. Показано, что применение наномодификаторов позволяет повысить скорость сварки при той же мощности луча за счет увеличения коэффициента поглощения интенсивности лазерного излучения. При этом улучшается качество соединения (морфология и структура шва), существенно возрастают его механические характеристики.



На рисунке приведены выполненные совместно с Новосибирским государственным техническим университетом результаты измерений относительного удлинения (а), предела прочности (б), предела текучести (в) при сварке сплава ВТ5 как без добавок, так и с добавками НПИ. В результате испытаний было установлено, что относительное удлинение повысилось в 2 - 4,9 раза, предел прочности в 1,23 -1.35 раз, а предел текучести в 1,8 - 2,0 раза в зависимости от состава НПИ.

Ответственный исполнитель: зав. лабораторией, д.ф.-м.н. Оришич А.М. (тел.(8-383) 330-73-42, e-mail: laser@itam.nsc.ru),
зав. лабораторией, д.ф.-м.н. Черепанов А.Н. (тел.(8-383) 354-30-49, e-mail: ancher@itam.nsc.ru).


б) по комплексной программе "Машиностроение"
3.5.4

6. При исследовании взаимодействия плазмы, ускоренной в дисковом МГД-ускорителе, с твердыми поверхностями впервые были обнаружены следующие эффекты:

  • качественное травление кремния плазмой аргона со скоростью порядка 40 мкм/с;
  • образование алмазоподобной пленки на твердой поверхности при обтекании ее плазмой природного газа со скоростью порядка 1 мкм/с, что значительно выше скорости образования такой пленки в плазме СВЧ-разряда.

Аннотация

Скорость потока плазмы на выходе из ускорителя может достигать величины 5 км/с при расходе несколько десятков граммов в секунду. В качестве плазмообразующего газа могут использоваться не только природный газ, но и другие газы.

На рис. 1 представлено изображение слоя алмазоподобной пленки на поверхности кремниевой пластины, полученное с помощью атомно-силового микроскопа. На рис. 2 - микрофотография фрагмента кремниевой пластины с вытравленными плазмой аргона незащищенной фоторезистом поверхностью.


Рис. 1 Поверхность алмазоподобной пленки.

Рис.2. Травление кремния.

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

7. Впервые реализована модификация теневого метода с использованием в качестве визуализирующего элемента пластинки из фототропного стекла АВТ (адаптивный визуализирующий транспарант). На основе АВТ разработано не имеющее аналогов в мире оборудование для теневой визуализации потоков.


Аннотация

АВТ-стекло меняет свою пропускную способность при засвечивании, размещается вместо ножа или диафрагмы стандартного теневого прибора. Созданное темное пятно с гауссовским распределением затемнения при подсветке лазером позволяет значительно повысить чувствительность теневого метода. Метод особенно эффективен на дозвуковых и гиперзвуковых скоростях.


Рис. 1. Применение АВТ-технологии в теневых исследованиях

Ответственный исполнитель: с.н.с., к.ф.-м.н. ПавловА.А. (тел.(8-383) 330-78-55, e-mail: pavalex@itam.nsc.ru).


в) по комплексной программе "Механика деформируемого твердого тела"
3.5.5

8. Впервые продемонстрирована возможность существенного снижения локального сопротивления трения на осесимметричном теле вращения с помощью каскада синтетических cтруй. Разработка новых активных методов снижения сопротивления движению тел позволит снизить расход топлива и повысить экономичность перспективных транспортных средств. В частности, важной задачей является снижение сопротивления трения в турбулентном пограничном слое на осесимметричном теле, движущемся с дозвуковой скоростью в воде или воздухе.


Аннотация

В рамках рассматриваемой задачи было экспериментально исследовано влияние локального периодического воздействия в виде вдува/отсоса через последовательно расположенные вдоль круглого цилиндра кольцевые щели на свойства турбулентного пограничного слоя, формирующегося при продольном обтекании цилиндра несжимаемым потоком. Показано, что автономное управление процессом вдува/отсоса через каждую щель с обеспечением фазовой синхронизации частоты следования периодических импульсов обеспечивает существенное снижение локальных значений поверхностного трения тела вращения, максимальная величина которого ниже по потоку от кольцевых щелей достигает 80 % (рис. 1). Положительное влияние данного способа управления проявляется даже в областях течения, расположенных выше по потоку от каждой кольцевой щели, начиная с расстояния, составляющего 5-6 толщин вытеснения пограничного слоя. На основе полученных результатов представлена простая модель, адекватно описывающая механизм уменьшения трения при используемом способе управления пограничным слоем.


Рис. 1. Коэффициент локального трения в зависимости от продольного расстояния вдоль цилиндра.

Ответственный исполнитель: г.н.с., д.т.н. Корнилов В.И. (тел. (8-383) 330-39-06, e-mail: kornilov@itam.nsc.ru).

9. Для проектирования и создания космических кораблей и возвращаемых аппаратов требуется детальное знание аэротермодинамики вдоль всей траектории полета. В связи с этим возникает практическая необходимость исследования явлений, связанных с разреженностью и термохимической неравновесностью газа в гиперзвуковом полете. Характерные параметры обтекания летательного аппарата на больших высотах полета существенно превышают возможности наземного моделирования в аэродинамических установках, поэтому численные методы аэродинамики разреженного газа являются практически единственным средством исследования.

Для перспективного космического аппарата "Клипер" было выполнено численное моделирование обтекания в околоконтинуальном режиме вдоль начального участка траектории спуска с орбиты на высотах от 150 до 80 км. Исследованы его аэротермодинамические параметры в широком диапазоне чисел Кнудсена при различных углах атаки, скольжения и при изменяющемся положении аэродинамических органов управления.


Аннотация


Поле плотности и распределение коэффициента теплопередачи. Щиток отклонен на 10 град.

Поле давления и распределение коэффициента давления. Щиток отклонен на 20 град.

Проведен анализ эффективности органов управления на ожидаемых углах атаки при входе в плотные слои атмосферы (высоты 80-90 км.), который показал, что отклонение балансировочных щитков незначительно влияет на сопротивление и подъемную силу, но при этом существенно изменяется значение коэффициента момента тангажа. В зависимости от угла отклонения балансировочных щитков возможно создание как положительного, так и отрицательного момента тангажа, что позволяет управлять ориентацией КА. Специально проведённое исследование показало, что влияние эффектов реального газа на высотах больше 80 км. практически не сказывается на аэродинамических характеристиках и влияет только на тепловые потоки на поверхности КА.

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

10. Впервые проведено экспериментальное и прямое численное моделирование возмущений в гиперзвуковом ударном слое на пластине, выявлены механизмы формирования возмущений, показана возможность подавления акустических пульсаций пористыми материалами при высоких числах Маха.

Затягивание или полное устранение ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое гиперзвукового летательного аппарата позволит снизить его сопротивление трения и сделать его более экономичным. Возможность прямого воздействия на возмущения в пограничном слое позволяет создать методы управления ламинарно-турбулентным переходом без больших энергетических затрат связанных с традиционными методами воздействия на среднее течение. Для решения этой задачи необходимо пройти по пути исследования характеристик возмущений, построения адекватных моделей явления и создания собственно методов воздействия на возмущения.


Аннотация

В рамках этого направления в ИТПМ СО РАН для числа Маха 21 и умеренных чисел Рейнольдса выполнены расчетные и экспериментальные исследования характеристик возмущений в гиперзвуковом ударном слое на пластине, порождаемых воздействии на ударный слой внешних акустических возмущений и возмущений от локального источника "вдув-отсос" с поверхности пластины. Расчеты проведены на основе разработанного в ИТПМ СО РАН кода решения двумерных нестационарных уравнений Навье-Стокса с использованием современных схем сквозного счета высокого порядка точности. Было показано доминирование в ударном слое энтропийно-вихревых возмущений при нулевых и небольших углах атаки пластины и возникновение значительной акустической составляющей пульсаций при больших углах атаки. Численные исследования были проведены для широкого круга параметров обтекания и характеристик воздействий, как в вязкой, так и в невязкой постановке задачи. Численные исследования были полностью подтверждены трубными экспериментами.

В гиперзвуковой аэродинамической трубе в условиях доминирования в ударном слое акустической моды возмущений была определена эффективность ряда пористых материалов (сетки, пористо-ячеистые материалы и канальные покрытия) для подавления акустических пульсаций и выявлены наиболее перспективные материалы. Пример спектральных характеристик подавления полученных для некоторых материалов приведен на рис. 1.


Рис. 1.

Ответственные исполнители: г.н.с., д.ф.-м.н. Миронов С.Г. (тел. (8-383) 330-85-28, e-mail: mironov@itam.nsc.ru),
с.н.с., к.ф.-м.н. Поплавская Т.В. (тел. (8-383) 330-85-28, e-mail: popla@itam.nsc.ru)


3.6.4.

11. Для нанесения многокомпонентных покрытий в оптимальном режиме для всех компонентов смеси впервые разработана и реализована схема соплового узла, позволяющая формировать металлокерамические смеси непосредственно в тракте сопла.


Аннотация

Как правило, композитные покрытия наносятся путем напыления заранее приготовленных смесей. В этом случае частицы всех компонентов смеси достигают скоростей и температур, которые могут являться эффективными для напыления одного компонента смеси, но неэффективными для напыления другого. Наиболее эффективным будет являться способ нанесения многокомпонентных покрытий, в котором удастся реализовать нагрев и ускорение каждого компонента смеси в диапазоне необходимых ему температур и скоростей. Один из вариантов реализации такого способа - раздельное инжектирование каждого компонента смеси в разные области потока газа. Схема соплового узла, позволяющего реализовать раздельное инжектирование компонентов смеси представлена на рис. 1


Рис. 1 Схема соплового узла с двумя точками ввода порошка

В случае инжекции порошка меди в первую (дозвуковая область), а алюминия во вторую точку ввода (сверхзвуковая область), их параметры при вылете из сопла отличаются друг от друга и являются оптимальными для каждого компонента.

Данный сопловой узел позволяет также наносить металлокерамические покрытия. В этом случае в первую точку ввода инжектируются частицы металла, а во вторую точку ввода - порошок керамики. Такой ввод керамики в сверхзвуковую область за критическим сечением позволяет избежать эрозии стенок сопла в критическом сечении. Примеры напыленных композитных покрытий представлены на рис. 2.


Рис. 2 Примеры многокомпонетных покрытий : a - Al+Cu+SiC; b - Al+Ti; c - Al+Cu

Ответственный исполнитель: зав. лаб., д.ф.-м.н. Косарев В.Ф. (тел. (8-383) 354-30-43, e-mail: vkos@itam.nsc.ru).

12. Выполнено детальное молекулярно-динамическое исследование термодинамики наноразмерных металлических кластеров. Получен ряд важных закономерностей. Разработана методика исследования термодинамики нанообъектов. Показана возможность применения данной методики для получения термодинамических параметров макротел.


Аннотация

Впервые предложена методика расчета термодинамических свойств наноструктур (калорического и термического уравнений состояния, рис.1, 2) методом молекулярной динамики, основанная на первых принципах и альтернативная методу, разработанному в рамках статистической физики.

Методика апробирована на примере медных кластеров сферической формы с радиусом 20 ангстрем.


Рис.1 Зависимость внешнего давления от относительного изменения полного объема для интервала внешних давлений от -20ГПа до 12ГПа.

Рис.2 Зависимость теплового давления в кластере от температуры (случай сжатия) для различных начальных холодных давлений: 1 - 0.1 ГПа, 2 - 1 ГПа, 3 - 5 ГПа, 4 - 10 ГПа.

Полученное уравнение состояния позволяет рассчитать константу Грюнайзена g, которая широко используется в механике сплошных сред (рис.3, 1 - 0.1 ГПа, 2 - 1 ГПа, 3 - 5 ГПа, 4 - 10 ГПа). Разработана методика расчета свободной энергии наноструктуры с помощью уравнения Гиббса-Гельмгольца на основе численных результатов, найденных в рамках метода молекулярной динамики.

Дополнительные ограничения, которые необходимо учитывать при анализе термодинамических явлений в наносистемах, связаны с использованием классической механики. При температурах, меньших температуры Дебая, необходимо учитывать квантовые эффекты. Следовательно, выводы, полученные в работе, верны для температур . При высоких температурах этот метод следует сочетать с известными методиками учета влияния электронов на термодинамику системы.


Рис.3

Предложенная методика позволяет рассчитывать термомеханические свойства и для макротел. Для этого необходимо увеличить размеры наносистемы до масштаба, когда можно пренебречь влиянием поверхностных атомов.

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

13. Разработана теория теплопроводности твердофазных гетерогенных сред и композитных материалов, содержащих регулярно чередующиеся полости или полые включения (щелевидные слои, армирующие трубки и т.п.).


Аннотация

В настоящей теории теплоперенос в полостях осуществляется по закону Стефана - Больцмана. Эффективные коэффициенты теплопроводности рассматриваемых сред существенно зависят от температуры, поэтому такие композитные материалы являются термочувствительными. Поведение линии 2 на рис. 1 и кривой 3 на рис. 2 указывают на то, что с увеличением температуры T продольная теплопроводность рассматриваемой композиции уменьшается, а поперечная теплопроводность, наоборот, возрастает.

Сопоставление же кривых 2, 3 на рис. 4 позволяет заключить, что при определенных значениях удельного объемного содержания полых включений (например, при ) недопустимо пренебрегать поперечной теплопроводностью в щелевидных слоях и полостях.



Зависимости эффективных коэффициентов теплопроводности слоистого композита, полученного регулярным чередованием железных и щелевидных слоев. Кривые на рисунках этого слайда соответствуют: линии 1 - изотропный материал (железо); кривые 2 - коэффициент продольной теплопроводности щелевидного композита; линии 3 - коэффициент поперечной теплопроводности щелевидного композита. На рис. 1 и 2 изображены зависимости коэффициентов от температуры T (с учетом термочувствительности железа), на рис. 3 - зависимости от поперечного размера d щелевидных слоев, а на рис. 4 - от удельного объемного содержания щелевидных слоев.

Ответственный исполнитель: г.н.с., д.ф.-м.н. Немировский Ю.В. (тел. (8-383) 330-38-04, e-mail: nemirov@itam.nsc.ru).