ВАЖНЕЙШИЕ НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ
Института теоретической и прикладной механики СО РАН за 2003 год

1. Впервые экспериментально показана возможность использования электрического разряда в качестве активного элемента систем управления перспективных летательных аппаратов. Эксперименты, выполненные в ИТПМ СО РАН на дозвуковой аэродинамической трубе Т-324, показали, что применение электрического разряда в районе носка осесимметричного тела, обтекаемого под углом атаки, является эффективным механизмом управления течением. Удалось добиться как симметризации изначально несимметричного течения, так и управления направлением искусственно создаваемой асимметрии, а, следовательно, и аэродинамической силы.


Дымовая визуализация течения при помощи лазерного ножа.
Изначально асимметричное вихревое течение (а) переходит в симметричное состояние при включении электрического разряда (б).

2. Проведено численное исcледование влияния импульсного энергетического воздействия на трехмерные ударно-волновые конфигурации регулярного и маховского отражения. Фокусированное импульсное выделение лазерной энергии в набегающем потоке сопровождается образованием сферической взрывной волны и локальной области нагретого газа, которые сносятся потоком и взаимодействуют со стационарным регулярным или маховским отражением. Проведено трехмерное нестационарное моделирование этого взаимодействия. Показана возможность управления переходом между регулярным и маховским отражениями в области двойного решения с помощью локализованного импульсного энергоподвода.


Полученный в численном моделировании вынужденный переход от маховского к регулярному отражению под действием одиночного лазерного импульса. Число Маха потока M=3.45, энергия импульса .

3. Показана возможность управления аэродинамическими характеристиками крыльевых профилей с помощью локального импульсно-периодического подвода энергии в поток вблизи контура профиля при трансзвуковых числах Маха набегающего потока. На основе математического моделирования изучено влияние подвода энергии различной интенсивности в сверхзвуковую область на структуру течения и волновое сопротивление профиля. Установлен периодический характер формирующегося течения, что может позволить использовать его на крейсерских режимах полета. Показано, что вследствие смещения вперед осредненного положения замыкающего скачка уплотнения увеличивается статическое давление на "подветренной" поверхности профиля, и тем самым, уменьшается его волновое сопротивление. При относительной величине подводимой энергии (отношение подводимой мощности к мощности полной энтальпии входящего потока) волновое сопротивление уменьшается на .


Поле чисел Маха периодического течения

4. Изучена возможность управления турбулентным течением с помощью устройств разрушения вихрей (УРВ), расположенных в турбулентном пограничном слое тела вращения фюзеляжеобразной формы. Обнаружено, что все исследованные варианты УРВ обеспечивают снижение коэффициента поверхностного трения Cf на величину, максимальное значение которой в зависимости от высоты расположения УРВ в пограничном слое, составляет 7,5-16%. Установлено, что для двухэлементного УРВ (схема "тандем"), начиная с расстояния около 10 толщин пограничного слоя от УРВ и далее вниз по течению, вплоть до 90-100 толщин пограничного слоя, наблюдается устойчивое снижение сопротивления, которое в среднем составляет около 10%. Такие устройства разрушения вихрей могут найти практическое применение как для целого ряда существующих летательных аппаратов, так и для аппаратов подводного флота без принципиального изменения их конструкции.


Фрагмент модели тела вращения

Изменение сопротивления для управляемого пограничного слоя (схема ''тандем'')

5. Впервые создан непрерывный СО2 лазер мощностью 8 кВт с дифракционным качеством пучка. Результат достигнут благодаря использованию нетрадиционной для лазеров такого типа схемы резонатора с пространственной фильтрацией излучения, а также тщательной оптимизации параметров системы накачки и резонатора. Мощность излучения в ТЕМ00 моде повышена вдвое по сравнению с промышленными лазерами, в которых применяется устойчивый резонатор. Использование лазера в системах для резки металлов резко повышает эффективность процесса и качественные показатели реза.

Выполнено численное моделирование технологий лазерной обработки материалов. Результаты моделирования качественно согласуются с результатами натурных экспериментов. Показано, что качество лазерной резки металлов непосредственно зависит от характера распыления жидкого расплава и процесса его удаления.

6. Впервые проведены теоретические и экспериментальные исследования комплексного влияния тугоплавких нанопорошков, плакированных цирконием и кристаллизации под давлением на структуру и свойства литой меди. Результаты анализа микроструктуры шлифов контрольного и опытного (модифицированного) образцов, отлитых в кокиль, показали, что применение нанопорошкового модификатора существенным образом изменяет морфологию и дисперсность кристаллической структуры металла. Установлено, что комплексное применение нанопорошкового модификатора и давления при кристаллизации позволяет получать плотные качественные отливки из меди. Это было использовано для разработки новой технологии получения медных наконечников для фурм кислородных конвертеров, опытно-промышленноые испытания которых показали увеличение их эксплуатационной стойкости в 3-4 раза по сравнению с применяемыми в конверторном производстве стали сварными аналогами.


Структура немодифицированного (а) и модифицированного образца (б)

7. Впервые предложены физическая и математическая модели учета влияния активации поверхности частицами напыляемого материала на процесс холодного газодинамического напыления. На их основе проведен численный эксперимент закрепления частиц на поверхности. Получены зависимости запыленной площади от числа ударов при различных скоростях и температурах частиц, которые показывают характер зависимости процесса напыления от коллективного взаимодействия частиц с преградой и удовлетворительно совпадают с результатами проведенных ранее экспериментов.


Увеличение доли запыленной площади в процессе напыления (численное моделирование) при различных скоростях частиц.

8. Разработан и программно реализован метод молекулярной динамики с помощью которого:

  • получено уравнение состояния и механические характеристики бездефектных нанокристаллических тел;
  • установлено, что при динамических нагружениях бездефектных нанокристаллов напряжение не зависит от скорости деформации;
  • предложена математическая модель синтеза нанотрубок InGaAs/GaAs, результаты расчета по которой дали качественное согласие с экспериментальными данными.

Изображение бинарного слоя 2ML InAs + 2ML GaAs в процессе сворачивания в нанотрубку. Результаты молекулярно-динамического моделирования.