ВАЖНЕЙШИЕ НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ
Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук за 2014 год

По комплексной программе «Механика жидкостей и газов»

  1. Экспериментально зарегистрировано влияние  вихрегенераторов в виде поперечного вдува шести микроструй на структуру (рис.1) и акустическое излучение (рис. 2) сверхзвуковой недорасширенной струи. Показано, что при вдуве микроструй происходит снижение уровня низкочастотных спектральных компонент шума и рост высокочастотных компонент. Величина изменения интенсивности акустического шума пропорциональна интенсивности микроструй. Зафиксировано полное подавление высокоинтенсивного дискретного тона при использовании микроструй. Изменение уровня шума равномерно во всем диапазоне углов наблюдения.
r01.jpg
                                                а)                                                                                 б)                                                               в)                 
Рис.1. Распределение давления Пито и профиль вихревой трубки сверхзвуковой недорасширенной струи Ma=1 Npr=5 с поперечным вдувом шести микроструй Maj=1 Nprj=9 с суммарным массовым расходом 0,59% относительно расхода основной струи:        а) в продольном сечении напротив микросопла, б) область взаимодействия микроструи с потоком основной струи, в) структура течения в поперечном сечении струи при x/Ra =5,67.
r02.jpg

Рис. 2. Спектры акустического шума сверхзвуковой недорасширенной струи Ma=1 Npr=5 невозмущенной и при вдуве шести микроструй Maj=1 Nprj=5 с суммарным массовым расходом 0,59%

Ответственные исполнители: Зав. лабораторией, д.т.н. В.И Запрягаев, тел.(8-383)-330-77-66, e-mail: zapr@itam.nsc.ru, М.н.с. Д.А. Губанов.

2. Получена эмпирическая модель для расчета течений крови в капиллярах диаметром от 2 до 1000 микрон. Модель впервые количественно описывает немонотонную зависимость параметров течения крови от показателя гематокрита и диаметра кровеносного сосуда.

Аннотация

Течение крови в мелких сосудах (от 2 до 1000 микрон) не описывается решением Пуазейля, так как обладает рядом особенностей (эффектов): зависимостью показателя гематокрита от диаметра сосуда; существованием безэритроцитного слоя плазмы вблизи стенки сосуда; тупым (по сравнению с профилем течения Пуазейля) профилем скорости крови; зависимостью вязкости крови от диаметра сосуда. Создана эмпирическая модель течения крови в мелких сосудах, которая описывает указанные эффекты. Получены аналитические зависимости для скорости, вязкости и распределения эритроцитов по сечению сосуда в зависимости от диаметра кровеносного сосуда. Сравнение с экспериментальными данными показало, что модель хорошо описывает течение крови в сосудах диаметром от 2 до 1000 микрон. На рис. 1. приведено сравнение профилей показателя гематокрита H (объемной доли эритроцитов m2 ) в сосуде. Сплошная кривая – экспериментальный профиль показателя гематокрита для артериол (диаметр 10.5 микрон) брыжейки крыcы. Пунктирная кривая – расчетный профиль показателя гематокрита для сосуда этого же размера и выпускного показателя гематокрита HD=0.3 . На рис. 2. приведена зависимость относительной толщины пристеночного безэритроцитного слоя h от диаметра сосуда d0 для различных значений показателя выпускного гематокрита HD. Значки – экспериментальные данные с погрешностью измерений. Линии – толщина безэритроцитного слоя, рассчитанная по модели. Профиль скорости крови в сосуде мыши in vivo приведён на рис. 3. Размер трубки, выпускной показатель гематокрита и градиент продольного давления приведены на рисунке. Значки – экспериментальные данные. Сплошная кривая – расчет скорости по модели. Пунктирная кривая – расчет течение по модели Пуазейля.

r06.jpg r07.jpg r08.jpg
Рис. 1 Рис. 2 Рис. 3

Ответственный исполнитель: с.н.с., к.ф.-м.н Медведев А.Е., тел.(8-383)-330-38-04, e-mail: medvedev@itam.nsc.ru


3. Предложен и реализован метод коррекции данных PIV-диагностики в высокоградиентных потоках с учетом скоростной релаксации трассирующих частиц. Метод экспериментально апробирован и показана возможность его применения в течениях с газодинамическими разрывами.

Аннотация

Метод основан на оценке скоростного запаздывания трассеров по их параметру скоростной релаксации как поправки к данным PIV. Показано, что параметр скоростной релаксации трассеров можно определять в тестовых экспериментах в ударной трубе, а в потоках со скачками этот параметр можно определять по исходным данным PIV. Методика экспериментально апробирована на ударной трубе УТ-4М в потоке за проходящей ударной волной, а также на аэродинамической установке Т-326 в сверхзвуковых недорасширенных струях. Показана возможность ее применения в течениях с газодинамическими разрывами.

r09.jpg r10.jpg
PIV-поле скорости сверхзвуковой недорасширенной струи Npr = 5 Профиль скорости вдоль оси в сверхзвуковой недорасширенной струе при Npr = 5; 1 - данные PIV, 2 - скорость газа по результатам коррекции, 3 – численное моделирование (Fluent, k- модель турбулентности)

Ответственный исполнитель: с.н.с., д.т.н. Поплавский С.В. Тел. (8-383) 330-86-29 e-mail: s.poplav@itam.nsc.ru


Результаты ИТПМ СО РАН, готовые к практическому применению
Адсорбционно-мембранная технология выделения гелия из природного газа с одновременной его осушкой

Назначение: Разработана технология выделения гелия из природного газа на месторождениях с низким содержанием гелия.

Характеристика: Выделение гелия из природного газа основано на свойстве селективной проницаемости микросфер (ценосфер) по отношению к легким газам. Помещенные в поток природного газа микросферы поглощают гелий, а другие газы остаются в потоке. За счет использования композитного сорбента, содержащего микросферы или ценосферы и влагопоглотитель, предлагаемая технология обеспечивает одновременно процессы выделения гелия и осушки природного газа.

Технико-экономические преимущества:

  • низкая энерго- и капиталоемкость процесса по сравнению с криогенной технологией;
  • возможность встраивания технологии в существующий процесс выделения гелия из природного газа;
  • высокая гидростатическая прочность микросфер к большим давлениям;
  • получение гелиевого концентрата с содержанием гелия до 98% (содержание гелия зависит от параметров используемых компрессоров);
  • использование композитного сорбента обеспечивает осуществление одновременного процесса выделения гелия и осушки природного газа;
  • технология устойчива к загрязненным потокам.

r11.jpg
r12.jpg
3D макет установки выделения гелия из природного газа Композитный сорбент

Технология получения композитного сорбента разработана ИТПМ СО РАН совместно с ИППУ СО РАН и ИХХТ СО РАН.

Разработка запатентована в РФ.

По комплексной программе «Механика деформируемого твердого тела»

1. Впервые методом молекулярно-динамического моделирования предсказано образование объемно центрированной кубической фазы в меди за фронтом ударной волны в диапазоне давлений 100 - 200 ГПа.

Аннотация

Предложен подход, позволяющий моделировать методом молекулярной динамики (МД) образование поликристаллических материалов путем охлаждения из расплава. С помощью данного подхода получены атомные конфигурации меди, соответствующие поликристаллам со средним размером зерна от 2 до 16 нм. Выполнено молекулярно-динамическое исследование ударного сжатия поликристаллической меди и построены ударные адиабаты. Кривые скорость ударной волны - скорость ударника и давление - плотность за фронтом слабо зависят от сред-него размера зерна в поликристаллической меди, в то время как температура за фронтом на 10% выше для материала с размером зерна около 2 нм. Полное плавление за фронтом ударной волны происходит при давлении 220 - 230 ГПа. При давлении за фронтом от 100 до 200 ГПа в МД расчетах обнаружено присутствие ОЦК фазы меди (Рис.1), что ранее не было отмечено в литературе. В результате разгрузки данная фаза становится нестабильной и переходит в ГЦК структуру с большим количеством дефектов упаковки. Присутствие данной фазы может служить причиной возникновения ячеистой кристаллической структуры в разгруженном материале (Рис.2).

 r13.jpg
r14.jpg 
Рис. 1. Структурный фактор, рассчитанный для состояния, в котором за фронтом ударной волны давлением 200 ГПа в поликристаллической меди со средним размером зерна 2 нм со-существуют ОЦК фаза меди и расплав. Также приведен структурный фактор ГЦК структуры начального недеформированного поликристалла Рис.2. Изображение системы атомов с локальной координацией отличной от ГЦК структуры (дефектов кристаллической решетки), полученной в результате разгрузки ударно-сжатой меди до температуры 300 К и давления 1 атм.

Ответственные исполнители: академик Фомин В.М., тел. (8-383) 330-85-34, e-mail: fomin@itam.nsc.ru
с.н.с., к.ф.-м.н. Болеста А.В., тел. (8-383) 330-38-04, e-mail: bolesta@itam.nsc.ru

Публикации:

  1. Болеста А.В., Фомин В.М. Молекулярно-динамическое моделирование поликристаллической меди // Прикладная механика и техническая физика. - 2014. -Т.55, No.5. -С. 86-99.
  2. Болеста А.В., Фомин В.М. Фазовое превращение за фронтом ударной волны в поликристаллической меди // Доклады АН. - 2014. -Т.456, No.5. -С. 532-536.

2. Впервые построены структурные модели поведения композитных сред с пространственно-ребристым армированием (типа гофра, складчатые, сотовые и др.) в условиях установившейся и неустановившейся ползучести в рамках нелинейно-наследственной теории ползучести Ю.Н. Работного. До настоящего времени механическое поведение таких композитных сред изучалось в рамках упругого или упругопластического поведения.

r15.jpg

На рисунке изображены кривые ползучести, рассчитанные для сотового заполнителя (который наиболее часто используется в авиационных конструкциях) из алюминиевого сплава Д16 при T=200oC . На левом рисунке приведены кривые ползучести при нагружении сотового заполнителя касательными напряжениями в поперечном направлении (в разных плоскостях анизотропии), а на правом – при сжатии в поперечном направлении. Пунктирные кривые – ползучесть при совместном нагружении сжатием и поперечными касательными нагрузками. Ординаты точек пунктирных кривых по модулю больше ординат точек сплошных кривых, что свидетельствует об активизации процесса ползучести при сложном нагружении сотового заполнителя.

Ответственные исполнители:
Г.н.с., д.ф.-м.н. Немировский Ю.В., тел. (8-383) 330-38-04, e-mail: nemirov@itam.nsc.ru
с.н.с., к.ф.-м.н. Романова Т.П., тел. (8-383) 330-38-04, в.н.с., д.ф.-м.н. Янковский А.П., тел. (8-383) 330-38-04.

3. На основе анализа экспериментальных данных определены значения параметров модели пластичности и разрушения Джонсона-Кука, описывающих поведение авиационных титановых сплавов ВТ6, ОТ4 и ОТ4-0 при высокоскоростном деформировании, что позволяет использо-вать их при проектировании корпусов газотурбинных авиадвигателей с целью обеспечения удерживающей способности во избежание катастрофических последствий, вызванных обрывом лопатки вентилятора.

Аннотация

Проведено численное моделирование процессов деформирования и разрушения корпуса вентилятора газотурбинного авиадвигателя при высокоскоростном соударении с имитатором лопатки вентилятора при ее аварийном обрыве. Сравнение с экспериментальными данными показывает хорошее соответствие по остаточным скоростям вылета оборвавшейся лопатки и формам пробитых отверстий. Показано, что в зависимости от материала корпуса, его толщины и скорости обрыва лопатки существует возможность либо пробития корпуса оборвавшейся лопаткой и ее вылет за его пределы (рис. 1), либо локализация оборвавшейся лопатки внутри корпуса (рис. 2). На основе полученных результатов возможно выработать практические рекомендации по выбору материалов корпусов газотурбинных авиадвигателей.

  r16.jpg
а
r17.jpg
б
r18.jpg
а
r19.jpg 
б         
Рис. 1. Пробитие корпуса имитатором лопатки. Результаты эксперимента (а) и расчета (б). Сплав ВТ6. Толщина стенки корпуса 5 мм. Рис. 2. Локализация имитатора после удара. Ре-зультаты эксперимента (а) и расчета (б). Сплав – ОТ4-0. Толщина стенки корпуса 6 мм.

Ответственные исполнители:
Зав. лаб., к.ф.-м.н. Краус Е.И., тел. (8-383) 330-81-50, e-mail: kraus@itam.nsc.ru
н.с., к.ф.-м.н. Бузюркин А.Е., тел. (8-383) 330-38-04, e-mail: buzjura@itam.nsc.ru

Научно-организационная работа ИТПМ СО РАН в 2014 году

В 2014 году Институт провел две научных конференции:

  1. 17th INTERNATIONAL CONFERENCE ON METHODS OF AEROPHYSICAL RESEARCH (ICMAR 2014) (17-я Международ-ная конференция по методам аэрофизических исследований), 30 июня – 06 июля 2014 г., г. Новосибирск.
  2. X всероссийская конференция молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» (посвященная 100 -ию ак. В.В.Струминского), 22-25 апреля 2014 г., г. Новосибирск.