ВАЖНЕЙШИЕ НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ
Учреждения Российской академии наук Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН за 2010 год

 

По комплексной программе «Механика жидкостей и газов»

 

1. В исследованиях обтекания треугольного крыла с затупленной передней кромкой при числе Маха М=4 обнаружены аномально высокие уровни пульсаций массового расхода в области боковой кромки, вызванные, взаимодействием головной ударной волны с пограничным слоем на линии растекания. Максимальные их значения внутри слоя достигают 20%. Ширина данной области около двух радиусов затупления крыла, и она наблюдается на протяжении нескольких десятков радиусов по хорде. Основная часть энергии сосредоточена в области низких (до 3 кГц) частот. Такое явление может вызывать дополнительную неблагоприятную нагрузку на несущую поверхность крыла по тепловым потокам и вибрациям. (ИТПМ СО РАН, ЦАГИ)

 

Схема модели крыла

Ответственный исполнитель: г.н.с., д.ф.-м.н. Косинов А. Д., тел. (8-383) 330-12-28, e-mail: kosinov@itam.nsc.ru

 

2. Впервые экспериментально продемонстрирована возможность значительного снижения волнового сопротивления затупленных тел в сверхзвуковом потоке (М?=5 и 20) с помощью плоских сетчатых экранов и газопроницаемых пористых вставок. За плоским сетчатым экраном в сверхзвуковом потоке формируется течение в виде слабо недорасширенной струи с дефектом числа Маха на ее оси. В результате, на расположенном за экраном торце цилиндра, возникает вытянутая вперед отрывная зона и цилиндр обтекается как заостренное тело. Этот эффект  приводит к снижению общего сопротивления модели «сетчатый экран?цилиндр».
Цилиндр с газопроницаемой передней пористой вставкой обтекается сверхзвуковым потоком как заостренное тело из-за разницы гидравлического сопротивления приосевых и периферийных областей газопроницаемой пористой вставки, что и приводит к снижению сопротивления.


Рис.1. Модель, визуализации обтекания и зависимость относительной силы сопротивления для плоского сетчатого экрана.


Рис.2. Модель, визуализации обтекания и зависимости относительной силы сопротивления для газопроницаемой пористой вставки.

Ответственный исполнитель: г.н.с., д.ф.-м.н. Миронов С. Г., тел. (8-383) 330-85-28, e-mail: mironov@itam.nsc.ru

 

3. Создана математическая технология, позволяющая на основе клинических данных строить модели верхней части дыхательного тракта человека с учетом индивидуальных особенностей. Выполнено математическое моделирование процесса дыхания человека с использованием  пакетной технологии и многопроцессорных вычислительных систем (рис. 1). Геометрия носовой полости человека моделировалась по серии томограмм, выполненных на рентгеновском томографе в параллельных коронарных сечениях. Получены поля течения для четырех реальных случаев типичной патологии носовых полостей. Исследовано влияние патологии на поля скоростей, температур и на транспортную функцию носа. Течение воздуха в трахее при вдохе во всех случаях представляет собой закрученный поток с образованием нескольких вихрей (рис. 2). Количество и интенсивность вихрей определяется профилем скорости в объединенной области правой и левой носовых полостей (хоане), который, в свою очередь, зависит от реальной геометрии обеих носовых полостей. При выдохе на структуру и параметры течения воздуха в трахее большое влияние оказывает геометрия бронхиального дерева и строение носовой полости.

 

Рис. 1. Математическая модель дыхательного тракта человека, включающая нос, трахею и часть бронхиального дерева

Рис. 2. Визуализация поля течения в трахее

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

 

По комплексной программе «Машиностроение»

 

1. В ИТПМ СО РАН для визуализации и измерения касательных напряжений разработаны диагностические жидкие кристаллы (ЖК) составы чувствительные к касательным напряжениям, но слабо чувствительные к температуре. Созданы оптическая схема регистрации отклика пленки ЖК на сдвиг и стенд для получения калибровочной зависимости «цвет– величина – направление вектора касательного напряжения». Исследованы механо-оптические характеристики двух и трехкомпонентных ЖК составов на основе холестерических ЖК.
Разработанные ЖК смеси использованы совместно с ЦАГИ для тестовых испытаний и визуализации распределения касательных напряжений на вертикальном оперении модели (с турбулизаторами), обтекаемой дозвуковым потоком в трансзвуковой аэродинамической трубе АТ-128 ЦАГИ (см. рис. При увеличении уровня сдвиговых напряжений цвет ЖК претерпевает сдвиг в голубую часть видимого спектра.).
Разработанные диагностические ЖК составы могут найти широкое применение при изучении особенностей течения на моделях (ламинарно-турбулентный переход, отрыв-присоединение и др.) при панорамных измерениях в промышленных установках и тестировании численных методов.

Пример визуализации разных диапазонов  касательных напряжений с помощью трех нечувствительных к температуре ЖК с разными рабочими диапазонами температур.

Ответственный исполнитель: г.н.с., д.т.н. Жаркова Г. М., тел. (8-383) 330-38-96, e-mail: zharkova@itam.nsc.ru

 

2. На основе исследования процессов взаимодействия мощных потоков лазерного излучения с металлами (в том числе с использованием импульсно-периодического СО2- лазера с длиной волны 10.6 мкм при мощности 107-1010 Вт/см2) предложены пути решения фундаментальной проблемы, связанной с определением законов подобия лазерной резки металла, формулированием безразмерных параметров и нахождением их критических значений, определяющих условие качественного реза. Впервые оптимизация процессов лазерной резки проводится на основе четких количественных показателей – измеренных  значений шероховатости поверхности и минимизации зоны термического влияния за счет исследования уравнения баланса энергии лазерного резки при использовании кислорода в качестве активного газа.

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

 

3. Изготовлен и испытан экспериментальный образец двухвальной многоступенчатой машины (6 ступеней) с проницаемыми роторами в соответствии с патентом ИТПМ СО РАН № 240 26 94 (27.10.2010)
Машина позволяет реверсировать поток без изменения направления вращения и осуществлять функции нагнетателя, испарителя, сорбера, сепаратора, теплового регенератора. Результаты испытаний подтвердили ожидаемые расходно-напорные характеристики и равномерность работы последовательно включенных ступеней

 

Ответственный исполнитель: г.н.с., д.т.н. Баев В. К., тел. (8-383) 330-38-96, e-mail: zharkova@itam.nsc.ru

 

По комплексной программе «Механика деформируемого твердого тела»

 

1. Впервые проведены экспериментальные исследования влияния тугоплавких нанопорошков инокуляторов TiN+Cr на структуру и усталостную прочность сварного соединения  при СО2 – лазерной сварке пластин из титанового сплава. Показано, что введение специально подготовленных наноразмерных порошков тугоплавких соединений в количестве менее 0,1 % по массе приводит к повышению дисперсности кристаллического зерна, значительному повышению пластичности и стойкости к циклическим нагрузкам.

 

Аннотация

В 2010 году в ИТПМ СО РАН выполнен цикл научно –исследовательских работ  процесса сварки титанового сплава ВТ20 с помощью непрерывного СО2  - лазерного излучения с применением нанопорошковых инокуляторов (НПИ). В качестве инокулирующих порошковых материалов использовали тугоплавкое соединение TiN, плакированное хромом. Концентрация модифицирующей композиции, вводимой в сварочную ванну составляла не более 0,1 % по массе. Исследовалось влияние нанопорошкового  материала на усталостную прочность сварного соединения пластин из титанового сплава марки ВТ 20.

На рис.1 приведены фотографии шлифов сварного шва без применения НПИ и с применением НПИ.           

    
а)
   
б)
Рис. 1. Морфология и структура шва без применения НПИ (а) и с применением НПИ TiN + Cr (б)

Табл. Результаты усталостных испытаний для ВТ 20

№ образца

Вид материала и режим сварки

ресурс работы ? до разрушения, мин

1

Сплав ВТ20, без сварного шва

  ? = 220,5

2

Сплав ВТ20, со сварным швом без инокулятора
P= 3кВт, v = 0,8 м/мин

  ? = 48±15

4

Сплав ВТ20, со сварным швом с добавкой TiN+Cr
P= 3кВт, v= 1 м/мин

  ? = 129,6

Усталостная прочность сварных швов, модифицированных НПИ, значительно  (в 1,5 – 2 раза) превышает ее значение при сварке пластин без применения наномодифицирующей добавки.

Ответственный исполнитель: зав. лабораторией, д.ф.-м.н. Черепанов А. Н., тел. (8-383) 330-38-04, e-mail: ancher@itam.nsc.ru

 

2. Получено общее решение задачи о динамическом изгибе идеальной жесткопластической двусвязной пластины с произвольными шарнирно опертыми или защемленными криволинейными контурами, на которую действует равномерно распределенная по поверхности кратковременная динамическая нагрузка высокой интенсивности взрывного типа. Пластина покоится на вязкоупругом основании. Показано, что существует несколько механизмов деформирования пластин. Для каждого из них получены уравнения динамического деформирования и проанализированы условия реализации.

Ответственный исполнитель: г.н.с., д.ф.-м.н. Немировский Ю. В., тел. (8-383) 330-42-73, e-mail: nemirov@itam.nsc.ru