ВАЖНЕЙШИЕ НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ
Института теоретической и прикладной механики
им. С.А. Христиановича СО РАН за 2007 год


а) по комплексной программе "Механика жидкостей и газов"

1. Впервые реализовано активное управление интенсивностью пульсаций в гиперзвуковом вязком ударном слое. Экспериментально и теоретически показано, что пульсации в ударном слое на пластине, генерируемые внешними акустическими волнами, могут быть подавлены вводимыми с поверхности тела контролируемыми периодическими возмущениями при условии подбора соответствующей амплитуды и фазы.

Эксперименты были проведены при числе Маха 21 и числе Рейнольдса ReL=1.44*105 . Акустические возмущения внешнего потока создавались с помощью искрового разряда в форкамере сопла, контролируемые периодические возмущения вводились в ударный слой с помощью кососрезного газодинамического свистка с передней кромки пластины. Необходимая для подавления возмущений фаза создавалась регулируемой задержкой по времени между пульсациями давления в свистке и моментом запуска искрового разряда.

Результаты эксперимента были полностью подтверждены прямым численным моделированием пульсаций в ударном слое на основе полных двумерных нестационарных уравнений Навье-Стокса с использованием схем сквозного счета высокого порядка (см. рисунок).


Рис. Поле изолиний мгновенных пульсаций плотности в ударном слое (а,б,в,г) и среднеквадратичных пульсаций плотности в сечении x=0.8 (д,е,ж,з) при , , частоте вводимых возмущений f=38.4 кГц и нулевом угле распространения внешней акустической волны :
а,д) - медленная акустическая волна с амплитудой Anat=0.001;
б,е) - вдув-отсос газа с поверхности пластины с амплитудой Aart=0.06;
в,ж) -противофазное воздействие;
г,з) -синфазное воздействие.

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 реализована модификация теневого метода с использованием в качестве визуализирующего элемента тонкой пластинки из фототропного стекла (АВТ ? адаптивный визуализирующий транспарант) и осуществлена визуализация отрывных дозвуковых течений на чистом воздухе без подогрева модели и визуализирующих добавок. Дано теоретическое обоснование и разработана схема реализации метода. Методика аппробирована в ряде экспериментов при исследовании, как сверхзвуковых, так и дозвуковых потоков. Результаты экспериментов доказывают работоспособность и перспективность использования АВТ в аэрофизическом эксперименте.

Пример реализации этого метода представлен на рисунке.


Рис. Теневая визуализация с использованием АВТ обтекания цилиндра (D=80 мм, L=1 м) в аэродинамической трубе Т-324 при скорости набегающего потока V=1.5 м/c. Получено впервые в мировой практике.

Ответственный исполнитель: зав. лабораторией, д.ф.-м.н. Бойко В.М. (тел.(8-383) 330-78-55, e-mail: bvm@itam.nsc.ru).

3. Экспериментально установлено, что параболизация профиля скорости течения на срезе дозвукового сопла приводит к увеличению пространственной протяженности ламинарного участка струи и ее дальнобойности, тогда как "ударный" профиль скорости на срезе классического сопла способствует развитию гидродинамической неустойчивости струи и ее сравнительно быстрой турбулизации. Обнаруженное влияние начальных условий вблизи среза сопла на струйные течения может быть использовано для управления их характеристиками.


Ответственный исполнитель: зав. лабораторией, д.ф.-м.н. Козлов В.В. (тел.(8-383) 330-42-78, e-mail: kozlov@itam.nsc.ru).


б) по комплексной проблеме "Машиностроение"

1. Впервые предложено газодинамическое конструирование трехмерных пространственных структур с помощью холодного газодинамического напыления (ХГН).

Формирование трехмерных пространственных структур осуществляется с помощью создания устойчивых вихревых образований в сверхзвуковой части сопла, которые изменяют распределение концентрации дисперсной фазы в двухфазном потоке по сечению сопла и, тем самым, обеспечивают заданную форму напыляемого пятна на подложке до получения требуемой трехмерной структуры. Вихревые образования внутри сопла могут создаваться с помощью воздействия на поток как раздельно, так и совместно различных возмущающих газодинамических факторов: закрутка потока на входе в сопло, вдув в сопло через пористый насадок на срезе сопла или через продольные щели (пропилы) вблизи среза сопла и др.

Показано, что вихревые структуры при натекании на напыляемую поверхность, способствуют разрушению ударной волны (сжатого слоя) и, следовательно, улучшают процесс напыления.

Примеры получения некоторых трехмерных структур при ХГН с вариацией возмущающих факторов и, соответственно, вихревых образований в сопле (напылялся медный порошок на стальную подложку) представлены на фотографиях.



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

2. Впервые экспериментально решена фундаментальная задача оптимизации условий лазерной резки толстой (более 10 мм) низкоуглеродистой стали в широком диапазоне параметров при использовании кислорода в качестве технического газа. Критерием для оптимизации условий резки выбрано получение минимальной шероховатости поверхности реза Rz и отсутствие грата. Впервые показано, что шероховатость поверхности поддается автомодельному описанию. Найдены безразмерные параметры, определяющие условия резки и определены их значения, соответствующие минимуму шероховатость Rz

На основе полученных фундаментальных законов найдены практически важные энергетические критерии качественной газолазерной резки толстых металлических листов. Показано, что при лазерной резке низкоуглеродистой стали с кислородом при увеличении толщины разрезаемых листов для получения малой шероховатости поверхности необходимо увеличивать ширину реза. При этом впервые показано, что условием качественного реза толстых листов является постоянство энергии излучения, приходящейся на единицу объема удаляемого материала. Два этих фактора приводят к тому, что энергия излучения, расходуемая на резку единицы длины материала в области больших толщин (более 10 мм) растет квадратично с толщиной листа. Ранее считалось, что эта энергия растет с толщиной линейно.


Энергия лазерного излучения на единицу длины реза в зависимости от толщины листа.

Образец реза низкоуглеродистой стали толщиной 25 мм.

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


в) по комплексной программе "Механика деформируемого твердого тела"

1. Впервые рассчитаны из первых принципов, без использования феноменологических предположений, молекулярно-динамическим методом термическое и калорическое уравнения состояния наноструктур на конкретном примере медного нанокластера. Показана возможность использования предложенного метода для расчета уравнения состояния макроструктур, необходимого в механике сплошных сред.

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

2. Показано, что для инденторов радиусом менее 10 нм твердость по Бринеллю нанопленки меди не является универсальной характеристикой, а возрастает с уменьшением радиуса индентора, и уменьшается с увеличением глубины погружения. Это обусловило необходимость создания нового критерия твердости на наномасштабном уровне.

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

3. Совместно с Институтом химии твердого тела и механохимии СО РАН предложен новый метод получения полых сферических частиц порошков металлов и сплавов, в том числе модифицированных тугоплавкими керамическими наночастицами. В основе метода лежит высокоэнергетическая мехактивация (МА) исходного порошка металла или сплава, в том числе его объемное модифицирование (МА+М) тугоплавкими керамическими наночастицами, в центробежно-планетарной мельнице и последующая плазменная обработка полученного порошка в контролируемой аргоновой атмосфере.

Для обоснования метода выполнено экспериментальное исследование закономерностей процесса сорбции рабочих газов при механической обработке порошков Ni и CoNiCrAlY в высокоэнергетической планетарно-центробежной мельнице АГО-2, в том числе в присутствии наночастиц TiC или TiN. Установлено, что на начальной стадии обработки исходного порошка происходит существенное уменьшение размера частиц, на химически активной поверхности которых адсорбируются молекулы рабочего газа (воздух, аргон и т.п.). При дальнейшей обработке порошка происходит агрегирование частичек, в результате чего получается порошок с повышенным газонасыщением. Добавление тугоплавких наночастиц в исходный порошок и их совместная механическая обработка увеличивает степень газонасыщения, вследствие дополнительного вклада химически активных наночастиц.

Вскрыты особенности плазменной обработки полученных порошков. Обнаружено, что нагрев и последующее плавление частиц в плазме аргона приводит к образованию внутри капель газовой полости (рис. 1), а конечный диаметр и толщина оболочки затвердевших частиц зависят от предыстории обработки МА или МА+TiC/TiN - частиц в аргоновой плазменной струе и скорости их закалки. При этом количество остаточного газа в затвердевшей полой сфере определяется динамикой процесса его фильтрации из порового объема твердой частицы на стадии нагрева в плазме до момента образования поверхностной пленки расплава.

Исследовано формирование сплэтов - растекшихся и затвердевших полых капель Ni и CoNiCrAlY при их соударении с полированными подложками из нержавеющей стали. Для этого были выполнены модельные эксперименты при полном контроле ключевых физических параметров: скорость, температура, размер полой частицы и толщина ее оболочки; температура подложки. Показано, что формирование сплэтов при соударении таких капель с подложкой, по сравнению с плотными каплями той же массы и скорости, носит более стабильный характер (рис. 1), что обеспечивает плотную границу раздела "покрытие - подложка" и, соответственно, высокие функциональные характеристики покрытий.

Полученные результаты представляют значительный интерес для газотермического (плазменного, детонационного, газопламенного и др.) нанесения покрытий.


Рис. 1. Морфология частиц CoNiCrAlY, прошедших плазменную обработку, закаленных в жидкость - (а), и после соударения с полированной подложкой из нержавеющей стали - (б).
1 - исходный порошок; 2 - прошедший мехобработку; 3 - прошедший мехобработку и модифицирование наночастицами TiC.

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