2019

По комплексной программе «Механика жидкостей и газов»

1. Разработана универсальная методика создания программ для расчетов высотной аэротермодинамики космических аппаратов на гетерогенных суперкомпьютерах, позволяющая добиться высокой эффективности вычислений и обеспечивающая равномерную загрузку вычислительных устройств различных типов (например, графические и центральные процессоры).

Аннотация

Предложенная методика позволяет модифицировать программу для ее запуска на вычислительных устройствах (ВУ) различных типов с применением алгоритма динамического баланса загрузки для выравнивания в процессе расчета времени вычислений на каждом ВУ. Методика реализована в пакете прикладных программ SMILE-GPU, что позволило проводить расчеты одновременно на графических процессорных устройствах (ГПУ) и многоядерных центральных процессорных устройствах (ЦПУ). Это обеспечило высокую эффективность параллелизации независимо от типа и быстродействия каждого ВУ. В вычислениях спускаемого аппарата «Союз» на высоте 85 км с одновременным использованием 4 ГПУ Tesla K40m и 48 ядер ЦПУ Intel E5-2683 была достигнута средняя эффективность параллелизации 94.5%, при этом использование 48 ядер ЦПУ оказалось эквивалентно двум ГПУ Tesla K40m. Разработанный подход позволяет объединять разнотипные вычислительные устройства и отдельные компьютеры для решения реальных аэрокосмических задач, требующих огромных вычислительных ресурсов.

Ответственный исполнитель: с.н.с., к.т.н. Кашковский А.В.

Течение вокруг
спускаемого аппарата
«Союз» и разбиение
расчетной области
 

 


2. Предложен геометрический способ газодинамического запуска системы канал-транспортное средство путем организации короткого участка внезапного расширения канала.

Аннотация

Перспективным направлением для создания высокоскоростного сообщения до 1000 км/час и более на новых принципах является вакуумно-левитационный транспорт. Разгон транспортного средства вакуумно-левитационной системы в герметичном путепроводе до сверхзвуковых скоростей сопровождается образованием перед ним воздушной пробки и формированием лидирующей ударной волны. Такой режим движения характерен высоким аэродинамическим сопротивлением транспортного средства и сопровождается большими термическими нагрузками. Переход к благоприятному сверхзвуковому режиму обтекания при продолжительном разгоне либо возможен только при очень высоких скоростях полета, либо не реализуется вовсе.

Предложен геометрический способ газодинамического «запуска» системы канал-транспортное средство путем организации короткого участка внезапного расширения канала (рис.1). На участке внезапного расширения канала происходит дифракция лидирующей ударной волны, что приводит к резкому снижению её интенсивности и скорости. Транспортное средство догоняет фронт ударной волны, пронизывает его и снова входит в канал первоначального размера уже в состоянии установившегося сверхзвукового обтекания. В результате газодинамического запуска сопротивление транспортного средства уменьшается в 3-4 раза.

Ответственный исполнитель: с.н.с., к.т.н. Наливайченко Д.Г.

Рис. 1. Диаграмма этапов газодинамического запуска системы канал-транспортное средство

3. Аналитически построена трехмерная модель полного бронхиального дерева человека в норме и при патологии, на основе которой получена картина течения воздуха и осаждения капель лекарственных аэрозолей в легких человека.

Аннотация

Бронхиальное дерево человека имеет сложную древовидную структуру и насчитывает 24 бифуркации (ветвления) от трахеи до альвеол (количество конечных альвеол 223). Построение полного бронхиального дерева человека не было осуществлено до настоящего времени, поскольку является трудоемкой задачей из-за большого количества бифуркаций. Предложена 3Dаналитическая модель отдельной бифуркации легких человека в норме и при патологии (при патологии поперечное сечение бронхов принимает сложную звездообразную форму). При этом построение полного бронхиального дерева человека описывается несколькими конечными аналитическими формулами с легко изменяемой степенью патологии. Модель бронхиального дерева позволила провести моделирование течения воздуха и осаждения частиц лекарственных средств в легких человека. Предложенный алгоритм поэтапного расчета бронхиального дерева позволил сохранить точность решения для разномасштабных верхних и нижних бронхов. Проведены 3Dчисленные расчеты течения воздуха и аэрозольных капель в легких человека. Расчеты показали, что течение воздуха в легких человека в норме является ламинарным и перепад давления в легких в 2 раза меньше, чем указано ранее. Показано, что количество прошедших капель зависит (кроме расхода, размера капель) от продолжительности вдоха. Медицинские небулайзеры могут обеспечивают доставку не более чем 30% аэрозоли лекарства до альвеол (при условии очень глубокого и продолжительного вдоха).

Ответственный исполнитель: в.н.с., д.ф.-м.н. Медведев А.Е.

Рис. 1. Пример построения трехмерной модели верхней части бронхиального дерева человека при легкой степени патологии.

Рис. 2. График прохождения капель аэрозоля по легким человека. Показана глубина проникновения в легкие человека капель аэрозоля, генерируемого небулайзером, при глубоком вдохе 1, 2 и 3 секунды.


4. Теоретически показано, что применение сублимирующего нафталинового покрытия является эффективным способом управления гидродинамической устойчивостью сверхзвукового пограничного слоя, позволяющим значительно увеличить протяженность ламинарного участка течения.

Аннотация

Проведено теоретическое исследование влияния испарения вещества сублимирующего покрытия с поверхности плоской пластины на устойчивость сверхзвукового пограничного слоя. Расчеты по линейной теории устойчивости проводились для нафталинового покрытия при числе Маха набегающего потока M=2. Большой молекулярный вес нафталина по сравнению с молекулярным весом воздуха и понижение температуры поверхности вследствие испарения материала стенки приводит к заметному уменьшению локальных скоростей роста возмущений (рис.1.) Проведены оценки чисел Рейнольдса перехода в соответствии с методом eN, показавшие принципиальную возможность заметного увеличения продольной протяженности ламинарного пограничного слоя на модели с сублимирующим покрытием (рис.2).

Ответственные исполнители: г.н.с., д.ф.-м.н. Гапонов С.А., с.н.с., к.ф.-м.н. Смородский Б.В.

Рис. 1.  Скорости пространственного роста 3D возмущений в зависимости от угла ориентации волны для различных значений температуры торможения потока: T0=266, 330, 340, 345, 350 К, f=15 кГц (кривые 1, 5-8 соответственно); сплошные линии – в отсутствие сублимации, штриховые – на сублимирующей поверхности.

Рис. 2. Влияние сублимации материала стенки на показатель экспоненциального усиления возмущений и на протяженность ламинарного участка при заданном значении N; в отсутствие сублимации (1), и на сублимирующем покрытии (2).

 

5. Разработан новый высокочувствительный флуоресцентный метод измерения температуры поверхности и впервые определены коэффициенты теплоотдачи при натекании на преграду сверхзвуковых микроструй диаметром от 50 до 1000 мкм.

Аннотация

Разработана новая высокочувствительная флуоресцентная методика измерения температуры поверхности. В методике применяются полимерные покрытия на основе родамина Б. Данный флуорофор возбуждается и флуоресцирует светом видимого диапазона, что делает предложенный метод лёгким в использовании с микронным пространственным разрешением. Создан стенд для исследования теплоотдачи при натекании струй микронного размера на нагреваемую поверхность (рис.1). Пример распределения температуры по поверхности преграды в сопоставлении с данными численного решениясопряженной задача теплообмена при взаимодействии преграды с охлаждающей струйкой воздуха в осесимметричной постановке приведен на рис. 2.

Впервые экспериментально определены коэффициенты теплоотдачи для струй, истекающих из сопел диаметром 50-1000 мкм на расстояниях от поверхности
1-15 диаметров сопла. Пример распределения локальных коэффициентов теплоотдачи по радиусу преграды представлен на рис.3. (n-нерасчётность). Выделены области параметров, при которых коэффициенты теплоотдачи для всех типов сопел показывают одинаковые зависимости. Определены оптимальные расстояния от поверхности, при которых происходит существенное снижение температуры за счёт охлаждения газа при сверхзвуковом истечении.

Данные результаты могут быть использоваться для создания систем охлаждения в микроустройствах.

Ответственные исполнители: с.н.с., д.ф.-м.н. Анискин В.М., в.н.с., д.ф.-м.н. Маслов Н.А., с.н.с., д.ф.-м.н. Коротаева Т.А.

Рис. 1. Фотография стенда

Рис. 2. Распределение температуры по поверхности преграды в сопоставлении с данными численного моделирования

Рис 3. Распределение локальных коэффициентов теплоотдачи по радиусу преграды

 

6. Предложены пути повышения расходных и тяговых характеристик гибридных ракетных двигателей с помощью модификации состава горючего, а также численно изучены особенности горения легкоплавких горючих в потоке окислителя.

Аннотация

Перспективными твердыми горючими для гибридных ракетных двигателей являются легкоплавкие составы на основе парафина и церезина, отличающиеся высокой скоростьюгорения, связанной с уносом жидких капель с поверхности образца потоком газообразного окислителя.

Экспериментально исследовано влияние органометаллических и борсодержащих добавок на расходные и тяговые характеристики горючихна основе парафина и церезина. Получено увеличение скорости горения до30% (рис. 1) и удельного импульса до 18% (рис. 2). Численно исследовано влияние жидких капель горючего на температуру и структуру диффузионного пламени, в пограничном слое образца (рис. 3). Показано, что в присутствии капель топлива диффузионное пламя удаляется от поверхности, а его ширина увеличивается (рис. 4).

Работы выполнены совместно с ИК СО РАН.

Ответственные исполнители: чл.-корр. РАН Шиплюк А.Н., д.ф.-м.н. Фурсенко Р.В., к.ф.-м.н. Лукашевич С.В. 

Рис. 1. Относительная скорость горения

1 – Парафин; 2 – Парафин+Ni(АГ)2(NO3)2;

3 – Парафин+LaFeCuGly;

4 – Парафин+NaBH4+окислитель;

5 – Парафин+LaFeCuGly+окислитель;

6 – Парафин+NH3BH3

Рис. 2. Относительный удельный импульс

1 – Церезин; 2 – Церезин+Ni(АГ)2(NO3)2;

3 – Церезин+LaFeCuGly; 4 – Парафин;

5 – Парафин+Ni(АГ)2(NO3)2;

6 – Парафин+LaFeCuGly+окислитель;

7 – Парафин+NaBH4; 8 – Парафин+NaBH4+LaFeCuGly

Рис. 3. Поля температуры, рассчитанные для случая горения без капель (a) и с каплями (b). Скорость потока газообразного топлива Uf = 0.03 m/s, окислителя UOX = 10 m/s, диаметр и массовый расход капель Dd = 100 μm, Md = 5·10-6.

Рис. 4. Профили температуры вдоль белой пунктирной линии на Рис.3, рассчитанные для случаев горения без капель и с каплями топлива (см. легенду).

 

 

Результаты ИТПМ СО РАН, готовые к практическому применению.

1. Осуществлена интеграция оригинального программного комплекса LOTRAN 2, разработанного для расчета положений ламинарно-турбулентного перехода в двумерных пограничных слоях вязкой сжимаемой жидкости, в газодинамический пакет общего назначения ANSYSFluent. Проведены расчеты по определению положения ламинарно-турбулентного перехода (ЛТП) на ряде аэродинамических конфигураций, результаты которых сопоставлены с данными физических экспериментов. Сравнение показало, что разрабатываемый блок ЛТП дает прогноз положений начала перехода в рассмотренных двумерных дозвуковых и трансзвуковых сжимаемых течениях с погрешностью менее 8%, что лучше встроенной в ANSYSFluentэмпирической модели ЛТП.

Аннотация

Турбулизация течения при обтекании летательных аппаратов (ЛА) существенно влияет на их аэродинамические характеристики. Известно, что от положения ламинарно-турбулентного перехода (ЛТП) и его протяжённости зависит экономичность ЛА, поэтому в процессе оптимизации форм их конструктивных элементов необходимо прогнозировать положение ЛТП. В настоящее время для решения задач аэродинамики ЛА широко используются газодинамические пакеты общего назначения, в частности, пакет ANSYS Fluent. Программный комплекс LOTRAN2 был разработан для расчета положений ЛТП в двумерных пограничных слоях вязкой сжимаемой жидкости. Интеграция этого комплекса в газодинамический пакет ANSYS Fluent в качестве блока ЛТП даёт возможность адекватного прогноза положения перехода в слабосжимаемых течениях c продольным градиентом давления с использованием физически обоснованного метода переменного N-фактора. При этом поля течения из пакета ANSYSFluentимпортируются в пакет LOTRAN2 с помощью разработанного модуля импорта (рис. 1). Тестирование работы такой связки выполнялось на дозвуковом обтекании сфероида (рис. 2) и затупленной пластины. Сопоставление результатов расчетов по определению положения ЛТП на ряде аэродинамических конфигураций с данными физических экспериментов показало, что разрабатываемый блок ЛТП дает прогноз положений начала перехода в рассмотренных двумерных дозвуковых и трансзвуковых сжимаемых течениях с погрешностью менее 8%, что лучше встроенной в ANSYSFluentэмпирической модели ЛТП.

Рис. 1. Схема интеграции блока блока ЛТП с пакетом ANSYSFluent

 

Рис. 2. Экспериментальные напряжения сдвига на поверхности сфероида (линии) и области перехода полученные с помощью LOTRAN: U=40 м/с, ReL=6,4×106; U=60 м/с, ReL=9,6×106

 

Ответственный исполнитель: чл.-корр. РАН Бойко А.В.

 

2. Мембранно-сорбционная технология и композитный сорбент для выделения гелия из гелий содержащих смесей с одновременной его осушкой

Назначение: Создан композиционный сорбент на основе псевдобемита и синтетических микросфер из натрийборсиликатного стекла, позволяющий применять мембранно-сорбционную технологию по обогащению гелия и осушку природного газа одновременно в многоцикловой постановке.

Характеристика: Выделение гелия из природного газа основано на высокой селективной проницаемости микросфер по отношению к легким газам. Благодаря этому свойству композитный сорбент на основе микросфер, помещенный в поток, способен улавливать гелий и осушать природный газ.

Технико-экономические преимущества: Представленный композитный сорбент имеет высокую адсорбционную способность по отношению к гелию и парам воды. Проведённые ресурсные испытания композитного сорбента (рис. 1), на основе полых микросферических частиц и связующего материала, при рабочем давлении 1 МПа показали, что они полностью сохраняют свои адсорбционные свойства, а степень насыщения композитного сорбента парами воды практически не оказывает влияния на темпы сорбции гелия. Для моделирования процесса выделения гелия из природного газа разработана математическая модель, описывающая течения смеси газов, содержащих гелий, через слой композитного адсорбента, представляющего собой цилиндрические частицы из пористого наполнителя и микросфер, способные извлекать из газовой смеси пары воды и гелий (рис. 2). Показана принципиальная возможность оптимального использования исследованного композитного сорбента путём совмещения процессов осушки природного газа от водяных паров и извлечения из него гелия, что позволяет сократить технологическую схему предварительной подготовки природного газа.

Рис. 1. Сорбционные кривые для композитного сорбента (при 90 °С) в нормированном виде после различного количества циклов нагружения

Рис. 2. Структурные уровни для описания динамики смеси газов через адсорбер с композитным сорбентом

Технология получения композитного сорбента разработана ИТПМ СО РАН совместно с ЦНХТ ИК СО РАН.

Ответственные исполнители: к.ф.-м.н. Верещагин А.С., Казанин И.В, акад. Фомин В.М.

3. Предложен и реализован новый способ организации рабочего процесса в камерах сгорания высокоскоростных прямоточных воздушно-реактивных двигателей, основанный на импульсно-периодическом теплогазодинамическом воздействии на течение, с обеспечением высокой полноты сгорания топлива и снижением гидравлических потерь в двигательном тракте.

Аннотация

Создание новых перспективных схем прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД), в которых будет осуществлено эффективное управление газодинамическими процессами в тракте, сегодня является целью многих прикладных и фундаментальных научных проектов. В проведенных экспериментальных исследованиях были определены параметры управляющих импульсов и сформулированы требования к протяженности участка постоянного сечения камеры сгорания (КС). Опыты проводились с горением керосина в коротком (423 мм) и удлиненном (687 мм, рис.1) участками постоянного сечения КС при изменении интенсивности управляющих импульсов (рис.2 а). По измерениям распределения статической температуры определялся режим работы КС (рис.2 б) и эффективность рабочего процесса. Была отработана методология применения импульсно-периодического теплогазодинамического управления эффективностью рабочего процесса для запуска высокоскоростной КС с переходом в режим интенсивного горения, поддерживаемый сжиганием водорода на участке внезапного расширения.

Ответственный исполнитель: г.н.с., д.т.н. Третьяков П.К.

Рис.1. Схема модельной КС с удлиненным участком постоянного сечения.

а   б

Рис. 2. Давление (а) в генераторе управляющих импульсов (ГТИ) и распределение статического давления на стенке КС (б) для двух режимов горения: 1 – диффузионный, 2 – интенсивный.

По комплексной программе «Механика деформируемого твердого тела»

1. Построена замкнутая упругопластическая дискретная модель гетерогенного льда, состоящего из разных фаз, которая позволила описать аномальную экспериментальную зависимость глубины проникновения налетающего стального ударника в ледяную преграду от его скорости.

Аннотация

Эксперименты по прониканию цилиндрического стального ударника в ледяные преграды (рис. 1) показали аномальную зависимость глубины каверны во льду от скорости налетающего ударника.

Рис. 1. Геометрическая постановка задачи

Рис. 2. Зависимость глубины каверны от скорости соударения: – эксперимент; □ – 2D расчет; х – 3D расчет; Δ - смесь льда VI и VII фаз;

Численные расчеты подтвердили, что при описании процессов ударного нагружения ледяной преграды при малых скоростях необходимо использовать прямое численное моделирование смеси фаз льда VI и VII, при этом объемная концентрация фазы льда VII монотонно изменяется от значения aVII = 0 при U = 190 м/с до значения aVII = 1 при U = 300 м/с. На рис. 2 приведена зависимость глубины каверны L от скорости соударения U: штриховая черная линия – расчетная зависимость L(U) для льда фазы VII, сплошная – расчетная зависимость для смеси фаз льда VI и VII. Применение дискретного гетерогенного подхода позволило с достаточной точностью воспроизвести экспериментальную зависимость глубины кратера от скорости соударения.

Ответственные исполнители: акад. Фомин В.М., к.ф.-м.н. Краус Е.И., к.ф.-м.н. Шабалин И.И.

2. Разработан экспериментально-теоретический метод определения зависимости упругих характеристик наночастиц в зависимости от их размера. На примере таркосила, аэросила и кубической формы карбида кремния показано существенное увеличение механических характеристик при уменьшении диаметра наночастиц.

Аннотация

Метод основан на разрешении уравнений осреднения упругих характеристик гетерогенного материала. В качестве объектов исследования выбраны  порошки диоксида кремния в полимерных композитах на основе эпоксидной смолы. Добавление нанопорошков кремния приводит к росту модуля упругости. Для порошков одного происхождения наблюдается рост модуля упругости с уменьшением характерного диаметра частиц наполнителя при постоянной концентрации. На основе теоретико-экспериментального подхода удается получить свойства наноструктур в зависимости от размеров и структуры их образования. Гетерогенный материал, состоящий из нанофазы и связующей фазы, массовые и объемные концентрации которых заданы, с помощью методов осреднения сводится к гомогенному. Такой подход связывает механические характеристики фаз через осредненные свойства. Полученный гомогенный материал позволяет получать образцы для классических экспериментов на растяжение, сжатие, кручение и др. При этом в осредненные механические характеристики материала будут входить механические характеристики составляющих фаз. Считая механические характеристики связующего материала и осредненные характеристики гомогенного материала известными из данных экспериментов, получим систему уравнений для определения механических характеристик нанофаз, входящих в данный гомогенный образец. Изменяя размеры нанофаз и, проводя соответствующие расчеты и эксперименты, получим закономерность изменения упругих параметров (рис. а, б) для нанофазы.

Ответственные исполнители: акад. Фомин В.М., м.н.с. Филиппов А.А., к.ф.-м.н. Уткин А.В.

а

б

По комплексной программе «Машиностроение»

1. Впервые предложена модель роста покрытия при холодном газодинамическом напылении в зависимости от скорости перемещения сопла и расхода порошка с учетом наличия начальной стадии задержки напыления и изменения угла удара частиц, объясняющая экспериментальные данные.

Аннотация

Для развития аддитивных 3Dтехнологий востребованной задачей является увеличение качества покрытия, определяемого коэффициентом напыления порошка (рис. 1).  Экспериментально показано, что коэффициент напыления немонотонно зависит от скорости перемещения сопла (рис. 2) и существует его максимальное значение, которое определяет оптимальную скорость перемещения сопла. При максимальной скорости значение коэффициента напыления может снижаться до нуля. В предложенной работе выделены наиболее значимые факторы, влияющие на процесс напыления: (1) наличие начальной стадии задержки напыления и (2) изменение угла удара частиц. С учетом этих факторов впервые предложена модель роста покрытия в зависимости от скорости перемещения сопла и расхода порошка, объясняющая экспериментальные данные.

Ответственный исполнитель: г.н.с., д.ф.-м.н. Косарев В.Ф.

Рис. 1. Иллюстрация формирования одиночной дорожки покрытия при ХГН. 1 – сопло, 2 – подложка, 3 – зона активации, 4 – зона роста покрытия, 5 – зона сформированного покрытия

Рис. 2. Зависимость коэффициента напыления меди от скорости перемещения сопла. 1 – экспериментальные данные, 2 – расчеты по модели.

 

2. Впервые применен комплексный подход, заключающийся в оптимизации режимов лазерной сварки с последующей ультразвуковой ковкой в условиях электропластической деформации, что позволило сформировать в поверхностном слое структуру с высокой плотностью дислокаций, а также модифицирование сварных соединений наночастицами. Данный подход позволил для титановых сплавов ВТ-6 и ВТ-23 получить прочностные свойства сварных соединений выше прочности основного материала при растяжении, а также существенно увеличить их усталостную прочность.

Аннотация

Впервые разработаны и экспериментально обоснованы два метода повышения усталостной прочности: наноструктурирование поверхностных слоев сварных соединений методом УЗМК и модифицирование лазерных сварных соединений наночастицами TiCN сплава ВТ6 (см. табл.), обеспечивающее кратное повышение (3 раза) усталостной долговечности. Данный подход позволил для высокопрочных титановых сплавов ВТ-6 и  ВТ-23 получить прочностные свойства сварных соединений при растяжении выше прочности основного материала (рис 1) , а также существенно увеличить усталостную прочность. При этом разрушение образцов со швом происходило по основному сплаву вне шва. Полученные результаты открывает перспективу создания технологии автоматической лазерной сварки изделий из титановых сплавов в конструкциях самолета.

Ответственные исполнители: д.ф.-м.н. Оришич А.М., к.т.н. Маликов А.Г.

 

ВТ-23

ВТ-6

Рис. 1. Диаграммы растяжения сварных соединений сплава: кривая 1 - лазерная сварка без обработки; кривая 2 – сварное соединение подвергнуто УЗК

 

Режим обработки

Напряжение, МПа

Число циклов до разрушения

Лазерная сварки ВТ-23

600

6000-7000

Лазерная сварка ВТ-23с наноструктурированным УЗМК поверхностным слоем

600

18200-20900

Лазерная сварки ВТ-6

600

31200

Лазерная сварки  с наночастицами ВТ-6

600

48200

 

3. Предложен способ создания многофункциональных материалов с уникальными физико-механическими свойствами, основанный на комплексном подходе комбинированного использования лазерной технологии аддитивного выращивания и самоподдерживающегося высокотемпературного синтеза с образованием новых упрочняющих керамических фаз (B4C, TiB, TiB2, TiC и Ti-6Al-4V).

Аннотация

Создание новых материалов с уникальными свойствами является актуальной задачей современного машиностроения. Сущность метода заключается в запуске в результате лазерного воздействия самоподдерживающегося высокотемпературного синтеза новых керамических фаз (B4C, TiB, TiB2, TiC и Ti-6Al-4V) в ходе химической реакции между карбидом бора и титаном и формировании металлокерамической гетерогенной структуры, обладающей повышенной твердостью и износостойкостью стойкостью к абразивному износу (в 4,2 раза).

Ответственные исполнители: д.ф.-м.н. Оришич А.М., к.т.н. Маликов А.Г., к.ф.-м.н. Голышев А.А.