Лаборатории

Заведующий лабораторией, д.ф.-м.н. Бойко Виктор Михайлович
тел.: (383) 354-30-40
факс: (383) 330-72-68
e-mail: bvm [at] itam.nsc.ru

Направления научных исследований

Разработка новых оптических методов регистрации параметров потоков на экспериментальных установках института.
Адаптация известных оптических методов диагностики потоков к работе на больших экспериментальных установках института.
Получение новых научных результатов, актуальных для развития авиационной и космической техники.
Создание и исследование новых пленочных функциональных материалов для панорамной диагностики температуры, поверхностного трения, давления в пристенных течениях.
Исследование топологии пристенных течений с использованием тонкопленочных покрытий при до- и сверхзвуковых течениях.
Создание новых гибридных наноструктурированных жидкокристаллических систем с управляемыми характеристиками для устройств оптики и микроэлектроники.

Результаты научных исследований

Разработана новая модификация метода лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА) с прямым спектральным анализом на базе статического многолучевого эталона Физо (ЛДА-Физо). Проведено тестовое испытание и апробация ЛДА-Физо в экспериментах по исследованию до- и сверхзвуковых газовых и двухфазных потоков с высокой концентрацией дисперсной фазы в диапазоне скоростей 20–600 м/с.

Выполнены калибровочные измерения линейной скорости вращающегося диска методом ЛДА-Физо и тахометрическим методом, а также сравнительные одновременные измерения скорости газового потока методом ЛДА-Физо и методом PIV-диагностики

Разработана технология формирования полимерно-дисперсных жидких кристаллов, содержащих полимер, жидкие кристаллы, углеродные и неорганические нанодобавки.
Разработаны термоиндикаторные пленки.

Характеристики пленок:
– оптимальная толщина пленки, мкм 20–30;
– рабочий температурный диапазон, °С от –5 до +150;
– пороговая чувствительность, Вт/см² 5´10^–4;
– пространственное разрешение, линий/мм 5–7;
– постоянная времени, с 0,02–0,3;
– количество циклов использования более 5000;
– временной ресурс, год более 5;
– пленки нетоксичны

a б

Визуализация течения (a) и карта температур (б) на поверхности летающего крыла c трехмерной шероховатостью. V_∞= 15 м/с.
Высота элемента шероховатости 0,98 мм, диаметр 1,6 мм.

Разработаны полимерно-жидкокристаллические пленки, допированные люминофором, чувствительные к давлению.
Разработаны ЖК-составы для диагностики касательных напряжений поверхностного трения.

ЖК-визуализация (вверху) и карта касательного напряжения при обтекании трапециевидного выступа с шероховатостью на передней кромке, установленного в узком канале.V_∞= 87 м/с.

ЖК-визуализация и карта касательного напряжения при обтекании прямоугольного выступа, установленного в узком канале. V_∞= 80 м/с.

Разработаны полимерно-жидкокристаллические пленки с управляемым электрическим полем светопропусканием.
Разработано программное обеспечение для цифровой обработки изображений панорамного распределения температуры, трения, давления.

Оборудование, установки

Газожидкостный стенд. Комплекс оптического оборудования для диагностики высокоскоростных газовых и двухфазных потоков.

Газожидкостный стенд с высокой воспроизводимостью режимов и параметров потоков используется для отработки и тестирования методов оптической диагностики.

Основное предназначение:

· испытания и отладка методов оптической диагностики нестационарных высокоскоростных высокоградиентных однофазных и двухфазных потоков;

· экспериментальное исследование физических закономерностей аэродинамического диспергирования жидкости в высокоскоростных высокоградиентных потоках;

тестирование форсунок, получение качественных и количественных данных о параметрах работы разнообразных форсунок, в том числе с большими (промышленными) расходами жидкости

Система оптической диагностики включает:

· теневую и шлирен-визуализацию структуры сверхзвуковых газовых и двухфазных струй;

· высокочувствительный теневой метод с адаптивным визуализирующим транспарантом (ТМ АВТ) для визуализации структуры дозвуковой газовой и двухфазной струи (разработка ИТПМ СО РАН);

· визуализацию структуры газовой и двухфазной струи методом лазерного ножа;

· метод PIV-диагностики поля скоростей газовой струи;

· измерение дисперсного состава факела распыла методом малоуглового рассеяния;

· измерение локальной скорости газовой и дисперсной фаз лазерным доплеровскиим анемометром с прямым спектральным анализом на базе статического многолучевого эталона Физо (разработка ИТПМ СО РАН).

Ударная труба УТ-4М

Назначение: исследования основных физических закономерностей взаимодействия ударных волн с жидкими и твердыми частицами, связанных с ускорением, деформацией, дроблением, испарением, воспламенением и горением капель и твердых частиц в релаксационной зоне за фронтом ударной волны.

Параметры ударной трубы:

длина КВД и КНД 0,8 и 5 м; электрически управляемый пневматический клапан;
сечение канала рабочей секции – 52´5nbsp;мм²; рабочий2& газ – воздух, кислород;
начальное давление Р = 0.01 – 0,1 МПа; толкающий газ – воздух, гелий при Р = 0,8 – 10 МПа;
диапазон чисел Маха УВ М = 1,1 – 4,5.

Оптическая диагностика быстропротекающих процессов

Для обеспечения предельного пространственного (~10 мкм) и временного (~10^–8 с) разрешения оптической схемы визуализации используется метод импульсной киносъемки, когда длительность экспозиции, число и частота кадров задаются источником света, а для пространственного разделения кадров – оптико-механический фоторегистратор.

Базовым элементом комплекса является стробоскопический источник света на рубиновом лазере с модуляцией добротности (разработка ИТПМ СО РАН).

Параметры стробоскопа:

длина волны 0,694 мкм; число импульсов от 1 до 50; длительность импульса ~ 30–50 нс; межимпульсный интервал от 10 до 100 мкс через 1 мкс с нестабильностью ±0,1 мкс; точность синхронизации ±0,1 мкс; энергия импульса ~0,05 Дж

Регистрация изображений осуществляется высокоскоростной ждущей фоторегистратором ЖФР-1 с вращающимся зеркальным многогранником на высокоразрешающую фотопленку шириной 35 мм, размеры экспонируемой области 24´260 мм². Из соображений оптимизации пространственно-временного разрешения выбираются размер кадра, число кадров и интервалы между ними с учетом длительности постоянных параметров за фронтом УВ.

экспериментальное исследование физических закономерностей аэродинамического диспергирования жидкости в высокоскоростных высокоградиентных потоках;
тестирование форсунок, получение качественных и количественных данных о параметрах работы разнообразных форсунок, в том числе с большими (промышленными) расходами жидкости.

Публикации

Монографии

1. Бойко В.М., Оришич А.М., Павлов А.А., Пикалов В.В.

Методы оптической диагностики в аэрофизическом эксперименте : монография / Отв. ред. В.М. Фомин. Новосибирск: Изд-во НГУ, 2009. 450 с.

2. Жаркова Г.М., Сонин А.С. Жидкокристаллические композиты. Новосибирск: Наука,1994. 214 с.

Статьи

1. Boiko V.M., Nesterov A.Yu., Poplavski S.V. Liquid atomization in a high-speed coaxial gas jet // Thermophysics and Aeromechanics. 2019. Vol. 26, No. 3. P. 385-398

2. Жаркова Г. М., Фомичев В. П., Подъячева O. Ю. Формирование в магнитном поле полимерно-дисперсных нематических жидких кристаллов, допированных азотсодержащими углеродными нанотрубками // Жидк. крист. и их практич. использ. / Liq. Cryst. and their Appl. 2019. Т.19, № 3. С. 51–58.

3. Жаркова Г.М., Коврижина В.Н., Петров А.П. Панорамные сенсоры касательного напряжения, температуры и давления на основе жидкокристаллических композитов // Высокомолекулярные соединения. Серия С. 2018. Т. 60, № 1. С. 17-26. DOI: 10.7868/S230811471801003X

4. Zharkova G.M., Petrov A.P., Kovrizhina V.N., Syzrantsev V.V. Enhancing the luminophore emission of chiral polymer-dispersed liquid crystals // J. of Luminescence. 2018. Vol. 194. P. 480-484.

5. Запрягаев В.И., Киселев Н.П., Пивоваров А.А., Кавун И.Н., Бойко В.М. Влияние шевронов на структуру течения сверхзвуковой неизобарической струи // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2017. № 49. C. 5-17.

6. Boiko V.M., Poplavski S.V., Nesterov A.U., Kondratev S.V., Morozov A.A., Potekhin A.K. Laser Doppler anemometer based on the Fizeau interferometer // Proc. of the XXV Conf.on High-Energy Processes in Condensed Matter (HEPCM 2017), Dedicated to the 60th anniversary of the Khristianovich Inst. of Theor. and Appl. Mech. SB RAS (5–9 June 2017, Novosibirsk, Russia) / Ed. V. Fomin: AIP Conference Proceedings. 2017. Vol. 1893. Art. 020015. DOI: 10.1063/1.5007453

7. Zharkova G.V., Kovrizhina V.N., Podyachev S.P. Analysis and interpretation of video registration data from experiments with liquid crystals coatings // Scientific Visualization. 2017. Vol. 9, No. 3. P. 96-102.

8. Подъячева О.Ю., Матус Е. В., Субоч А. Н., Жаркова Г.М.. Оптические свойства полимерно-дисперсных жидкокристаллических композитов, допированных углеродными нанотрубками // Жидк. крист. и их практич. использ. / Liq. Cryst. and their Appl. 2018. Т. 18, № 3. С. 53–58. DOI: 10.18083/LCAppl.2018.3.53

9. Zharkova G.M., Petrov A.P., Kovrizhina V.N., Pen E.F. Optical polymer liquid crystal pressure sensors // Proc. of the XXV Conf. on High-Energy Processes in Condensed Matter (HEPCM 2017), Dedicated to the 60th anniversary of the Khristianovich Institute of Theor. and Appl. Mech. SB RAS (Russia, Novosibirsk, 5–9 Jun., 2017) : AIP Conference Proceedings. S.l.: AIP Publishing. 2017. Vol. 1893, No. 1. P. Art. 030001. DOI: 10.1063/1.5007459

10. Жаркова Г.М., Коврижина В.Н., Петров А.П., МошаровВ.Е., Радченко В.Н., Шаповал Е.С. О применении жидких кристаллов для визуализации структуры пристенного течения в экспериментальной аэродинамике // Результаты фундаментальных исследований в прикладных задачах авиастроения : Сборник статей / РАН, ЦАГИ. М.: Наука, 2016. С. 113-124

11. Бойко В.М., Запрягаев В.И., Пивоваров А.А., Поплавский С.В. Коррекция данных PIV для восстановления скорости газа в сверхзвуковой недорасширенной струе // Физика горения и взрыва. 2015. Т. 51, № 5. С. 87-97.

12. Бойко В.М., Пивоваров А.А., Поплавский С.В. Измерение скорости газа в высокоградиентном потоке по скорости трассирующих частиц // Физика горения и взрыва. 2013. Т. 49, № 5. С. 47-54.

Награды

Бойко В.М., д.ф.-м.н., зав. лабораторией, г.н.с. – премия им. В.А. Коптюга (2009),

Жаркова Г.М.,г.н.с., д.т.н., профессор – премия им. В.А. Коптюга (2009), медаль В.К. Фредерикса за выдающиеся работы по химии жидких кристаллов (2017), знаки «Изобретатель СССР», «Лучший изобретатель Новосибирской области», Медаль за трудовые успехи, Медаль за трудовое отличие, 4 золотые медалей ВДНХ.

14 Европейская конференция по жидким кристаллам (ECLC-2017), 25–30 июня 2017, Москва: Лауреаты медали имени В. К. Фредерикса Жидкокристаллического общества «Содружество» (Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2018. Т. 18, № 1. С. 84–94).

Лаб. 2. Физико-математического моделирования процессов горения

Фурсенко Роман Викторович

заведующий лабораторией, д.ф.-м.н.

Заведующий лабораторией: д.ф.-м.н. Фурсенко Роман Викторович
Тел. +7-(383)-330-39-05
fursenko [at] itam.nsc.ru

Направления научных исследований

• Процессы горения в системах с рециркуляцией тепла, пористых средах, а также в условиях близких к пределам горения
• Волны дефлаграции в двухфазных потоках
• Физические основы экологического и энергоэффективного использования топлив

Важнейшие результаты

Численно выполнен линейный анализ устойчивости стационарных режимов горения в противоточной системе между двумя термически-сопряженными пластинами. Показано, что в отличие от обычной противоточной системы диаграмма пределов распространения пламени имеет ε-образную форму, а не С-образную, что согласуется с экспериментальными данными. Выявлены основные механизмы тушения пламени на разных ветвях ε-образной кривой. Начиная с верхнего предела и заканчивая нижним – это растяжение, радиационные и конвективные потери тепла, ослабление рециркуляции тепла, теплоотвод к горелке. Первые два являются прямыми аналогами верхнего и нижнего пределов на обычной С-образной кривой, а два последних связаны с влиянием стенок канала.
Численно и экспериментально исследован процесс проникновения пламени в многоканальную систему, моделирующую пористую среду. Изучено влияние скорости подачи горючей смеси и ее состава, а также геометрических размеров каналов на динамику пламени, и дана классификация различных режимов распространения волн горения в данной системе. Определены области параметров, при которых пламя проникает внутрь каналов. Обнаружен режим, когда пламя стабилизируется внутри каналов, а также режим периодического воспламенения и погасания пламени (FREI).

Фотографии экспериментальной установки и различных режимов распространения пламени.

Результаты численных расчетов проникновения пламени в многоканальную систему при различных скоростях подачи горючей смеси.

Публикации

1. Fursenko R., Mokrin S., Minaev S. Stationary combustion regimes and extinction limits of one-dimensional stretched premixed flames in a gap between two heat conducting plates // Proceedings of the Combustion Institute. 2019. Vol. 37. P. 1655–1661.

2. Fursenko R., Sereshchenko E., Uriupin G., Odintsov E., Tezuka T., Minaev S., Maruta K. Experimental and numerical study of premixed flame penetration and propagation in multichannel system // Combustion Science and Technology. 2018. Vol. 190, Iss. 6. P. 1023–1040.

3. Okuno T., Akiba T., Nakamura H., Fursenko R., Minaev S., Tezuka T., Hasegawa S., Kikuchi M., Maruta K. Broken C-shaped extinction curve and near-limit flame behaviors of low Lewis number counterflow flames under microgravity // Combustion and Flame. 2018. Vol. 194. P. 343–351.

4. Баев В.К., Бажайкин А.Н., Чусов Д.В., Шумский В.В. Двухстадийное термохимическое преобразование твердого топлива в установке с паровым эжектором // Теплофизика и аэромеханика. 2018. Т. 25, № 2. C. 311–316.

5. Baev V.K., Bazhaikin A.N., Gas jet interaction with a stationary and rotating barrier of high-permeability porous material // Technical Physics. 2018. Vol. 63, Iss. 11. P. 1590–1595.

6. Kuznetsov E.A., Sereshchenko E.V. Folding in two-dimensional hydrodynamic turbulence // JETP Letters. 2019. Vol. 109, No. 4. P. 239–242.

Лаб. 3. Лазерных технологий

Маликов Александр Геннадьевич

заведующий лабораторией, д.т.н.

Заведующий лабораторией: д.т.н. Маликов Александр Геннадьевич
тел.: (383) 330-73-42
e-mail: laser [at] itam.nsc.ru, smalik [at] ngs.ru

Направления научных исследований

1. Исследования по созданию неразъёмных соединений современных авиационных сплавов, выполненных лазерной сваркой.

Разработка технологии и оптимизация процесса лазерной сварки сплавов авиационного назначения: алюминиевых (АМг6, Д16, АД37), алюминиево-литиевых (1420, 1424, 1441, В-1461, В-1469), титановых (ВТ 1-0, ВТ-5,ВТ-6,Вт-20, ВТ-23) с целью получения сварных соединений без внешних дефектов (открытая пористость, разбрызгивание, подрезы, горящие трещины) и механических характеристик (предел прочности на растяжение, предел текучести, относительное удлинение, усталостная прочность), не уступающих основному сплаву.
Разработка технологии лазерной сварки разнородных материалов на основе титановых сплавов (ВТ 1-0, ВТ-5, ВТ-6, Вт-20, ВТ-23), алюминиево-литиевых сплавов, нержавеющей стали.
Разработка методов повышения механических характеристик и восстановление структурно-фазового состава сварных швов за счет посттермообработки, ультразвуковой обработки, модифицирования нанопорошковыми инокуляторами.

Фотография сварных соединений современного алюминиево-литиевого сплава В-1469

Микроструктра сварного шва сплава 1424

EDXи TEMизлбражение наноструктуры сварного шва

2. Исследования создания многофункциональных гетерогенных изделий методом аддитивных технологий

Исследования формирования гетерогенных металлокерамических изделий, методом аддитивных технологий, с уникальными физико-механических свойствами.
Исследования по управлению микроструктурой создаваемых функциональных изделий.
Испытания на прочностные и механические характеристики выращенных металлокерамических изделий методом аддитивных технологий.
Отработка технологических процессов для разных металлокерамических комбинаций (металлическая матрица – титановые, никелевые, стальные сплавы, керамика – B4C, WC, TiC, TiB, SiC и др.).

3. Исследования взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом в процессе лазерной резки, с целью получения реза с минимальной шероховатостью поверхности

Экспериментальная оптимизация лазерной резки толстых металлических листов.
Исследование морфологии поверхности лазерного реза.
Абляционная лазерная резка авиационных алюминиевых сплавов.

4. Развитие оптических методов исследования для аэрогазодинамики и биомедицинской диагностики

Исследование лазерно-индуцированной флуоресценции различных биологических тканей для решения различных медицинских диагностических задач, развитие существующих флуоресцентных методов
Применение флуоресцентной визуализации течений и тепловых потоков в аэродинамических экспериментах.

Визуализация лазерно-индуцированной флуоресценции паров ацетона при истечении газа из плоского микросопла шириной 175 мкм

Насадка на операционный микроскоп для одновременного наблюдения операционной картины и флуоресцентной визуализации пораженной опухолью ткани (показывается зелёным цветом с помощью компьютерной обработки)

Флуоресцентная визуализация распределения температуры поверхности для импактной сверхзвуковой микроструи

Лазерно-индуцированная флуоресценция клапана сердца. Минерализованные области демонстрируют яркую флуоресценцию

5. Исследования взаимодействия мощного лазерного излучения со сверхзвуковыми потоками воздуха

Экспериментальные исследования механизмов воздействия импульсно-периодического излучения на сверхзвуковые потоки воздуха и связь параметров лазерного излучения со структурой теплового следа.
Исследования взаимодействия ударной волны с тепловым следом.

Важнейшие результаты

Впервые применен комплексный подход, включающий лазерную сварку в оптимальном режиме, последующую термическую обработку современных высокопрочных, термически упрочняемых алюминиевых и титановых сплавов, а также разнородных соединений Al–Ti, не свариваемых традиционными методами, что позволило получать неразъемные соединения с прочностью, близкой к прочности сплавов. Физика процесса связана с заданным изменением морфологии и фазового состава сварного шва в процессе лазерной сварки и последующей постобработки.

Результат открывает перспективу создания технологии автоматической лазерной сварки современных авиационных сплавов на основе титана и алюминия при создании различных конструкций в авиастроении.

Впервые разработан научный подход для формирования многослойной высокопрочной функционально-градиентной гетерогенной структуры на основе аддитивных технологий с большим содержанием керамики WС (до 70%). Установлено, что в процессе лазерного воздействия частицы карбида вольфрама WС уменьшаются в размерах (растворяются).

Сформировано многофункциональное гетерогенное покрытие (TiB, TiB₂, TiC, B₄C + Ti-6Al-4V) методом аддитивных технологий. Достигнуто увеличение устойчивости к абразивному износу более чем в 4 раза при добавлении 10% масс. В₄С в титановый сплав Ti–6Al–4V. Установлено существенное увеличение значений микротвердости в слоях, включающих новые синтезированные керамическими фазы (TiB, TiB₂, TiC).

EDX-изображение покрытия 10%В₄С + 90%ВТ6 с увеличением Х250 и Х500

Найдены законы подобия для качественной лазерно-кислородной резки толстой стали по критерию минимума шероховатости.

Экспериментально обнаружен новый тип неоднородности на поверхности лазерного реза при резке толстых стальных листов – кратероподобные структуры.

Кратеры на поверхности лазерного реза. Углеродистая сталь, толщина листа 16 мм.

Публикации

1. Malikov A., Orishich A., Bulina N., Karpov E., Sharafutdinov M. Effect of post heat treatment on the phase composition and strength of laser welded joints of an Al–Mg–Li alloy // Materials Science and Engineering: A. 2019. Vol. 765. Art. 138302 (8 p.). DOI: 10.1016/J.MSEA.2019.138302

2. Malikov A., Orishich A., Bulina N., Karpov E., Sharafutdinov M. Study of the structure and phase composition of laser welded joints of Al–Cu–Li alloy under different heat treatment conditions // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2019. Vol. 104, Iss. 9–12. Р. 4313–4324.

3. Derevyagina L.S., Gordienko A.I., Orishich А.М., Malikov A.G., Surikova N.S., Volochaev M.N. Microstructure of intercritical heat affected zone and toughness of microalloyed steel laser welds // Materials Science and Engineering: A. 7 Jan. 2020. Vol. 770, Art. 138522 (10 p.). DOI: 10.1016/J.MSEA.2019.138522

4. Malikov A., Orishich A., Golyshev A., Karpov E. Manufacturing of high-strength laser welded joints of an industrial aluminum alloy of system Al–Cu–Li by means of post heat treatment // J. Manuf. Process. 2019. Vol. 41. P. 101–110. doi:10.1016/J.JMAPRO.2019.03.037.

5. Malikov A.G., Orishich A.M. Laser welding of the high-strength Al–Cu–Li alloy // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2018. Vol. 94, No. 5-8. P. 2217-2227.

DOI: 10.1007/s00170-017-0860-6

6. Orishich A.M., Golyshev A.A., Shulyatyev V.B., Galev R.V., Kudryavtsev A.N. Beam polarization effect on the surface quality during steel cutting by a CO2 laser // Journal of Laser Applications. 2018. Vol. 30, No. 1. P. 012006.DOI: 10.2351/1.5020365

7. Shulyatyev V.B., Orishich A.M. Microcraters and surface quality in laser oxygen cutting of thick steel sheets // Journal of Laser Applications. 2018. Vol. 30, No. 2. P. 022003 (7 p.). DOI: 10.2351/1.5008798

8. Maslov N.A. Ultraviolet pulsed laser-induced fluorescence nonlinearity in optically thick organic samples // Journal of Fluorescence. 2018. Vol. 28, No. 2. P. 689-693. DOI: 10.1007/s10895-018-2232-5

9. Razhev A.M., Iskakov I.A., Churkin D.S., Orishich A.M., Maslov N.A., Tsibul’skaya E.O., Lomzov A.A., Ermakova O.V., Trunov A.N., Chernykh V.V. Effect of laser UV radiation on the eye scleral tissue in patients with open-angle glaucoma // Quantum Electronics. 2018. Vol. 48, No. 5. P. 481-486. DOI: 10.1070/QEL16562

10. Karpov E.V., Malikov A.G., Orishich A.M., Annin B.D. Temperature effect on the fracture of laser welded joints of aviation aluminum alloys // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2018. Vol. 59, No. 5. P. 934-940. DOI: 10.1134/S002189441805022X

11. Kiseleva T.A., Golyshev A.A., Yakovlev V.I., Orishich A.M. The influence of the thermal wake due to pulsating optical discharge on the aerodynamic-drag force // Thermophysics and Aeromechanics. 2018. Vol. 25, No. 2. P. 257-264.DOI: 10.1134/S0869864318020117

12. Ganimedov V.L., Tsibulskaya E.O., Maslov N.A., Larionov P.M. Modeling of fluid flow in a biological reactor of rotational type // Thermophysics and Aeromechanics. 2018. Vol. 25, No. 2. P. 211-218. DOI: 10.1134/S0869864318020063

13. Фомин В.М., Маликов А.Г., Оришич А.М., Антипов В.В., Клочков Г.Г., Скупов А.А. Влияние термической обработки на структуру сварных соединений листов из сплава В-1469 системы Al–Cu–Li, полученных лазерной сваркой // Авиационные материалы и технологии. 2018. № 1(50). С. 9-18. DOI: 10.18577/2071-9140-2018-0-1-9-18

Технологические разработки и экспериментальная база

1. Автоматизированные СО₂-лазерные комплексы (АЛТК) с мощностью излучения до 5 кВт непрерывного и импульсно-периодического действия для проведения научных исследований взаимодействия излучения с веществом по всем развиваемым лабораторией направлениям исследований.

АЛТК включают:

источник лазерного излучения;
технологический стол;
систему управления.

2. Инновационный лазерный центр лаборатории 3 для исследования возможности практического применения разрабатываемых лазерных технологий при производстве промышленных деталей.

3. Диагностический участок, включающий:

конфокальный сканирующий лазерный микроскоп Olympus LEXT 2000;
спектрометр на основе электронно-оптического преобразователя ЭПМ44Г-БУ и ПЗС камеры Lutron Vision LV-8500;
микротвердомер Wilson Hardness Group Tukon1102;
высокоскоростную камеру Photron FASTCAM SA-Z 480K-C-16GB (совм. с. Лаб. № 4);
смеситель FILTRA VIBRACION;
порошковый питатель Twin-150 (лаб. № 4);
камерную печь CWF 12/13, температура до 1200 °С, объем 13 литров (лаб. № 4);
горизонтальную трубчатую вакуумную печь GHA12/300;
измеритель мощности лазерного излучения Comet 10K с диапазоном измерения до 10 кВт.

4. Набор высококачественных оптических элементов фирмы "II-VI", включающий:

зеркала MMR и TRZ с коэффициентом поглощения 0,2% для лазерного резонатора и внешнего тракта;
фазосдвигающие зеркала для создания круговой поляризации лазерного излучения;
фокусирующие ZnSe линзы с фокусными расстояниями от 63,5 мм до 432 мм; внеосевые;
параболические зеркала с фокусным расстоянием 254 мм; просветленные и полупрозрачные окна из ZnSe.

5. Участок оптических методов исследования аэрогазодинамики и биомедицинской диагностики, включающий набор маломощных лазеров.

6. Разработка и внедрение автоматизированных СО2-лазерных технологических комплексов (АЛТК) с мощностью излучения до 5 кВт.

В ИТПМ СО РАН впервые в мире выполнен цикл теоретических и экспериментальных исследований, в которых сформулированы новые представления о способах создания мощных (1-14 кВт) газовых лазеров с высоким качеством излучения. В результате данной работы создана и внедрена в производство серия автоматизированных технологических комплексов для резки листовых материалов (например, Элсиб, НЗХК, Опытный завод (2 комплекса), ИТПМ СО РАН (6 комплексов), ИЯФ СО РАН, Улан-Уде (2 комплекса), Кемерово, Москва (спецприменение, «Оптогард Нанотех»).

Достижения и награды

2005

Почетная грамота за лучшее представление России – страны передовых технологий, Ганноверская промышленная ярмарка, Германия. Президент России Путин В.В. и канцлер Германии Шредер Г. высоко оценили работу ученых ИТПМ СО РАН по созданию уникальных технологических лазеров.

2008

«Заслуженный деятель науки Российской Федерации»: Оришич А.М.

2015

Государственная Премия Новосибирской области за «Разработку, создание и внедрение лазерной техники и технологий на промышленных предприятиях НСО».

2016

Грант президента РФ: Маликов А.Г.

2019

Премия Правительства НСО «Лучший молодой ученый»: Голышев А.А.

Гранты

РНФ № 17-79-20139. Разработка научно-технических основ по созданию высокопрочных сварных соединений алюминиево-литиевых сплавов метод лазерной сваркой. Руководитель к.т.н. А.Г. Маликов

РНФ № 18-79-00052. Исследование послойного лазерного формирования функционально-градиентных металлокерамических структур, включающих в себя B₄C, TiC и TiB₂, используя импульсно-периодическое лазерное излучение. Руководитель к.ф.-м.н. А.Г. Голышев

РФФИ 19-48-543004 р_мол_а. Разработка научных основ создания многоуровневых металлокерамических структур, используя импульсно-периодическое лазерное излучение в аддитивных технологиях. Руководитель к.ф.-м.н. А.Г. Голышев

РФФИ 19-48-540008 р_а. Разработка научно-технических основ получения высокопрочных лазерных сварных соединений конструкционных материалов авиационного назначения. Руководитель к.т.н. А.Г. Маликов

РФФИ 19-48-540002 р_а. Лазерная резка алюминиевых сплавов импульсно-периодическим излучением с высокой пиковой мощностью в условиях развитого испарения материала. Руководитель д.т.н. В.Б. Шулятьев

Грант Правительства НСО «Исследование влияния нанопорошков при взаимодействии лазерного излучения с металлами для повышения износостойкости и прочностных характеристик деталей машиностроения». Руководитель к.т.н. А.Г. Маликов

Патенты

Патент № 2143772. Мощный CO₂-лазер / А.И. Иванченко, А.М. Оришич. Заяв. 21.04.1998. Опубл. 27.12.1999.Бюл. № 36.
Патент 2152674. Газовый лазер (ВАРИАНТЫ) / А.И. Иванченко, А.А. Денисенко, А.М. Оришич. Заяв. 10.03.1998. Опубл. 10.07.2000. Бюл. № 19.
Патент № 2350445. Способ резки толстых металлических листов / А.М. Оришич, В.М. Фомин, В.Б. Шулятьев, Г.В. Ермолаев, А.В. Зайцев, О.Б. Ковалев, А.Г. Маликов, П.В. Юдин. Заяв. 14.06.2007. Опубл. 27.03.2009. Бюл. № 9.
Патент № 2404887. Способ сварки материалов / А.Н. Черепанов, А.М. Оришич, Ю.В. Афонин, В.М. Фомин, А.А. Батаев. Заяв. 09.06.2009. Опубл. 27.11.2010. Бюл. № 33.

Хоздоговорная деятельность

Изготовление мощных СО2-лазеров для спецприменения ООО «Оптогард Нанотех», ИЯФ СО РАН, изготовление автоматизированных лазерных технологических комплексов «Сибирь» по раскрою листового материала, предоставление услуг по лазерному раскрою листового материала, лазерной сварки металлических сплавов, лазерной наплавки металл металлокерамических покрытий.

Сотрудничество

ВИАМ, ИЯФ СО РАН, ИГиЛ СО РАН, ИХТТМ СО РАН, ИЛФ СО РАН, ИФП СО РАН, ИФПМ СО РАН, ИМаш УрО РАН, ФГБУ НИИТО, ФГБУН «Вектор», ФГБУ «НМИЦ им. акад. Е.Н. Мешалкина».

Лаб. 4. Физики быстропротекающих процессов

Фомин Василий Михайлович

заведующий лабораторией, академик РАН, д.ф.-м.н., профессор

заведующий лабораторией: академик РАН, д.ф.-м.н., профессор Фомин Василий Михайлович
тел.: (383) 330-85-34
e-mail: fomin [at] itam.nsc.ru

Направления научных исследований

1. Численные и экспериментальные исследования высокоскоростного взаимодействия тел.

В Сибирском отделении РАН эти работы начинались еще под руководством и при непосредственном участии академика Н.Н. Яненко. Важность тематики в то время определялась в первую очередь запросами народного хозяйства. Математическое моделирование данного класса задач включает в себя ряд научных вопросов, на которые еще не получены полностью удовлетворительные ответы. К рассматриваемым проблемам относятся следующие:

- Разработка физико-математических моделей сложных сред, описывающих поведение гетерогенных материалов при экстремальных скоростях нагружения и больших давлениях;

- Создание эффективных численных методов, позволяющих успешно решать поставленные задачи в областях с большим количеством свободных и контактных границ с сильной деформацией их в процессе счета;

- Воплощение этих моделей и численных методов в конструктивные алгоритмы и комплексы программ, чтобы успешно проводить вычисления для выявления фундаментальных закономерностей изучаемых явлений и решения практических задач.

Примеры некоторых решенных задач:

Задача высокоскоростного воздействия стальной частицы техногенного космического мусора диаметром d = 0,05 см на стальную трубку теплообменника диаметром 0,6 см с толщиной стенки 0,05 см, экранированную стальной пластинкой толщиной h = 0,04 см. Скорость соударения u = 1170 м/с. В первом случае трубка полая, а во-втором – заполнена жидкостью. Экран и трубка изготовлены из нержавеющей стали 12X15Г9Н, налетающая частица - Ст20.

a)

b)

Динамика процесса пробития стальной частицей техногенного мусора трубки теплообменного аппарата за защитным экраном: a – трубка полая, б – трубка заполнена жидкостью.

Некоторые публикации:

1. Фомин В.М., Гулидов А.И., Сапожников Г.А., и др. Высокоскоростное взаимодействие тел / Отв. ред. Фомин В.М. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999. 600 с.

2. Fomin V.M., Kraus E.I., Shabalin I.I. An equation of state for condensed matter behind Intense shockwaves // Materials Physics and Mechanics. 2004. Vol.7, No.1. P. 23-28.

3. Краус Е.И., Фомин В.М., Шабалин И.И. Модельные уравнения термодинамических функций состояния вещества. I. Твердое тело : Докл. [Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов], (Томск, Россия, 23-28 авг., 2004 г. ) // Физ. мезомеханика. 2004. Т. 7, № Спец. 1. С. 285-288.

4. Краус Е.И., Фомин В.М., Шабалин И.И. Модельные уравнения термодинамических функций состояния вещества. II. Жидкость и описание плавления // Докл. [Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов] (Томск, Россия, 23-28 августа 2004 г.) // Физ. мезомеханика. 2004. Т. 7, № Спец. 1. С. 289-292.

5. Kraus A.E. and Shabalin I.I. Comparative analysis of wave distribution in layered and heterogeneous continuous media // AIP Conference Proceedings. 2018. Vol. 2027. Art. 030166. https://doi.org/10.1063/1.5065260.

6. Краус Е.И., Мельников А.Ю., Фомин В.М., Шабалин И.И. Пробитие ледяных преград конечной толщины стальными ударниками // ПМТФ. 2019. №3, С. 146-153.

2. Неклассические теории изгиба, устойчивости и колебаний многослойных полиармированных оболочек, пластин

- Структурная теория пластичности, ползучести и разрушения конструкций из армированных пластиков, металлов и керамики;

- Методы решения задач оптимального и рационального проектирования элементов конструкций из композитных материалов по требованиям минимума расхода материала, стоимости, максимума жёсткости, критической скорости флаттера, критической нагрузки потери устойчивости, максимального времени разрушения при ползучести;

- Процессы теплопроводности в конструкциях из гибридных слоисто-волокнистых материалов и решение задач управления тепловыми потоками, максимальной аккумуляции тепла и максимальной теплопередачи за счёт управления внутренней структурой комбинированных конструкций;

- Численные методы решения задач упругости, пластичности, ползучести и тонкостенных конструкций из однородных и композитных материалов.

Некоторые публикации:

1. Мищенко А.В., Немировский Ю.В. Структурно-неоднородные профилированные стержневые системы: Методы рационального и оптимального проектирования : монография. -[Saarbrücken]: Palmarium Academic Publishing, 2016. 332 с.

2. Янковский А.П. Исследование неустановившейся ползучести армированных пластин из нелинейно-наследственных материалов с учетом ослабленного сопротивления поперечным сдвига // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. 2019. No.2. С. 3-28. DOI: 10.1134/S0572329919020120

3. Механика наноматериалов

Появление различных наноматериалов и их применение в создании наноструктурных материалов приводит к существенному изменению их механических характеристик. Общая особенность столь различных свойств и форм материала – это наноскопичность их размеров. Это означает, что хотя бы один из размеров должен быть меньше 100 нм. Для объяснения поведения наноматериалов важно учитывать их размеры, поверхности и границы раздела с основным связующим гетерогенным материалом. В качестве конструкционных наноматериалов могут использоваться нанометаллы, нанооксиды и нанокомпозиты и др. Все они обладают своими специфическими свойствами и огромными возможностями разнообразного применения во всех областях науки и техники. Поэтому, чтобы грамотно использовать их при создании гетерогенных материалов, необходимо хорошо знать физико-механические свойства наноматериала, входящие в гетерогенный или композитный материал.

- Разработана методика изготовления композитов на основе эпоксидной смолы и наночастиц с улучшенными физико-механическими характеристиками, а так же предложена математическая модель, позволяющая прогнозировать эффективные механические характеристики композита с учетом параметров межфазного слоя;

- Предложен теоретико-экспериментальный метод определения упругих характеристик наноматериалов.

Для проведения данных исследований в лаборатории имеется следующее оборудование, которое постоянно совершенствуется и расширяется:

Сканирующий электронный микроскоп EVO MA 15 (Сarl Zeiss, Германия) с энергодисперсионным безазотным спектрометром x-MAX 80 mm2 (Oxford Instruments, Великобритания)

Для исследования непроводящих образцов имеется установка плазменного напыления Quorum QT150 Т (Quorum Technologies Ltd, Великобритания), позволяющая наносить покрытия проводящих металлов (Al, Cu, Cr, Au) и углерода толщиной от 2 до 200 нм

Для специализированной пробоподготовки, позволяющей получать поверхности для исследования дифракции отраженных электронов, используется установка плазменного травления Gatan Ilion Model 693 (Gatan, Inc, США)

Лабораторный автоматизированный горячий пресс (ИАиЭ СО РАН, Россия)

Горячий пресс предназначен для синтеза сверхплотных монофазных и композиционных материалов с заданными свойствами, спекания металлических и керамических порошков, диффузионной сварки неоднородных материалов методом горячего прессования. Данный пресс подходит для лабораторных исследований и отработки технологических процессов, так как его технологические параметры повторяют параметры промышленных образцов. Установка позволяет получать образцы материалов высотой до 40 и диаметром до 30 мм, при температурах до 2000° С с инертной атмосфере или в вакууме. Максимальное усилие, развиваемое прессом до 2000 кг. Установка используется для горячего прессования керамических порошков, в том числе наноразмерных и сверхтвердых, получения интерметаллидов, холодного прессования порошков для получения заготовок для дальнейшей постобработки.

Проводятся численные молекулярно-динамические исследования процессов в наноструктурированных средах при различных внешних воздействиях.

Некоторые результаты:

- предсказано образование объемно-центрированной кубической (ОЦК) фазы в ударно-нагруженной меди при давлении за фронтом волны от 100 до 200 ГПа;

- при ударном воздействии на металлические наноструктуры обнаружено формирование ротационных полей;

- впервые обнаружено явление термической неустойчивости в наноструктурах.

Некоторые публикации:

1. Vaganova T.A., Brusentseva T.A., Filippov, A.A. Malykhin E.V.

Synthesis and characterization of epoxy-anhydride polymers modified by polyfluoroaromatic oligoimides // Journal of Polymer Research. October 2014. Vol. 21, No. 11. Art. 588. 11 р.

doi:10.1007/s10965-014-0588-z

2. Brusentseva Т.А., Filippov A.А., Fomin V.М., Smirnov S.V., Veretennikova I.А. Modification of epoxy resin with silica nanoparticles and process engineering of composites based on them //

Mechanics of Composite Materials. 2015. Vol. 51, No. 4. P. 531-538.

doi: 10.1007/s11029-015-9523-6

3. Брусенцева Т.А., Фомин В.М. Моделирование свойств гетерогенного материала с учетом межфазного слоя // Физическая мезомеханика. 2017. Т. 20, No. 4. С. 100-104.

4. Фомин В.М., Брусенцева Т.А. и др. Изучение методом индентирования вязкоупругих характеристик эпоксидного полимера, упрочненного наночастицами диоксида кремния // Механика композитных материалов. 2019. Т. 55, № 3. С. 483-500.

5. Bolesta A.V., Fomin V.M. Molecular dynamics simulation of uniaxial deformation of thin Cu film and Al-Cu heterostructure // Physical Mesomechanics. 2011. Vol.14, No. 3-4. P. 107-111.

6. 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.

7. Golovnev I. F., Golovneva E. I., Merzhievsky L. A., Fomin V. M., Panin V.E. Molecular dynamics study of cluster structure and rotational wave properties in solid-state nanostructures // Phys. Mesomech. 2015. Vol. 18, No. 3. P.179-186.

8. Shevtsov Yu.V., Kuchumov B.M., Kruchinin V.N., Spesivtsev E.V., Golovnev I.F., Igumenov I.K., Features of oxide layer formation in high-aspect structures by means of MOCVD // J. Cryst. Growth. 2015. Vol. 414. P. 135 – 142. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2014.09.046.

9. Головнев И.Ф., Головнева Е.И., Фомин В.М. Молекулярно-динамическое исследование термической неустойчивости в наносистемах // Физическая мезомеханика. 2017. Т. 20, №2. С. 44-49.

10. Golovnev I.F., Golovneva E.I. Generation of Rotational Fields due to Thermal Motion of Atoms in Metals // Physical Mesomechanics. 2017. Vol. 20, Iss. 3. P.353-356.

11. Golovnev I.F., Golovneva E.I., Utkin A.V. A study into the temperature and size effects in nanostructures on their fracture under external mechanical loads // Physical Mesomechanics. 2018. Vol. 21. No.6. P. 523-528.

4. Аэрогазодинамика, термодинамика, управление движением газа, численные методы в задачах механики сплошной среды

Результаты в области аэрогазодинамики и термодинамики:

- Получено условие существования стационарного течения в канале переменного сечения при подводе тепла и диссипации кинетической энергии, заключающееся в том, что в каждом сечении энтропия не должна превышать максимального значения, вычисляемого по полученной формуле. Получена формула для вычисления эксергии потока газа при подводе тепла и диссипации кинетической энергии. На основе этих результатов разработаны эксергетический метод анализа термодинамических систем, в частности, эксергетический метод оценки удельного импульса двигателя и функциональная математическая модель камеры сгорания.

- Предложен способ управления ударной волной при натекании сверхзвуковой струи метана на сплошную и пористую преграды и установлены оптимальные критерии, при которых происходит его разложение на составляющие.

- Обобщены и опубликованы в виде монографии результаты расчетно-экспериментальных исследований ударных волн в газоразрядной плазме, ионизирующих ударных волн в газе, а также ударно-волновой струкуры сверхзвукового потока с оптическим пульсирующим разрядом. Предложен нетрадиционный подход с учетом межчастичного энергообмена в неравновесной плазме и выявлены возможные механизмы данного явления.

- Систематизированы литературные данные по химическим процессам, протекающим в конденсированной фазе при термическом разложении и горении динитрамида аммония (ADN). Рассмотрены возможные механизмы термического разложения, отмечены нерешенные вопросы. Сделано заключение, что наблюдаемые экспериментально различия в энтальпии образования ADN (≈3 ккал/моль) наряду с погрешностями измерений могут быть обусловлены различием в строении молекул ADN. Недостатки существующих кинетических механизмов, разработанных для моделирования процессов воспламенения смесей O2/H2/C2H4/N2/Ar и O2/H2/SiH4/N2/Ar, отмечены в ряде работ и ограничивают их практическое применение. На основе анализа литературных данных и результатов численного моделирования построены детальные кинетические механизмы для описания процессов воспламенения указанных смесей. Тестирование механизмов проведено для условий воспламенения смесей за отраженными ударными волнами. Расчеты проводились для различных соотношений ”топливо - окислитель” и различных начальных условий за отраженной ударной волной: 1 – 10атм., 1050 – 1800K в случае смеси O2/H2/C2H4/N2/Ar и 1 – 2атм., 800 – 1565K в случае смеси O2/H2/SiH4/N2/Ar. Полученные в расчетах времена задержки воспламенения удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.

- Разработан новый метод построения разностных схем второго и третьего порядков точности для гиперболических законов сохранения с применением разложений сеточных функций в ряды Лагранжа–Бюрмана. Разработаны и программно реализованы с помощью средств компьютерной алгебры алгоритмы численного решения двумерных и трехмерных краевых задач для стационарных уравнений Навье–Стокса вязкой несжимаемой жидкости на структурированных сетках, реализующие метод коллокаций и наименьших квадратов.

Для проведения исследований процессов взаимодействия струйных течений с энергоподходом создан стенд:

Некоторые публикации:

1. Фомин В.М., Латыпов А.Ф. Из атмосферы – в космос // Наука из первых рук. 2011. №1. С. 10-19.

2. Латыпов А. Ф. Условие существования стационарного течения в канале переменного сечения при подводе тепла и диссипации кинетической энергии // Письма в ЖТФ. 2012. Т. 38, вып. 22. С. 21-27.

3. Латыпов А.Ф. Теплофизика и аэромеханика. 2013. Т. 20, № 5. С. 547-560.

4. Латыпов А.Ф. ПМТФ. 2015. Т. 56, № 5. С. 76-90.

5. Латыпов А.Ф. Эксергия потока газа при подводе тепла и диссипации кинетической энергии // Теплофизика и аэромеханика. 2016. т. 23, №1. С. 149-151.

6. Фомин В.М., Ломанович К.А., Постников Б.В. Воздействие плазмы электрического разряда на газодинамические режимы течения при торможении сверхзвуковой струи на преграде // ДАН. 2015. Т. 461, № 6. С. 653–656.

7. Фомин В.М., Постников Б.В., Колотилов В.А., Шалаев В.С., Шалаев Ю.В., Флоря Н.Ф. Моделирование ударно-волновых процессов в выработке с проницаемыми преградами // Физико-технические проблемы добычи полезных ископаемых. 2019. №1. С. 22-28.

8. Киселева Т.А., Голышев А.А., Яковлев В.И., Оришич А.М. Влияние теплового следа от оптического пульсирующего разряда на силу аэродинамического сопротивления //Теплофизика и аэромеханика. 2018. Т.25, №2. C. 269-276.

9. Киселева Т.А., Коротаева Т.А., Яковлев В.И. Моделирование лазерного энергоподвода в газовый поток // Письма в ЖТФ. 2019. Т. 45, вып. 7. P. 29–32.

10. Fomin V.M., Yakovlev V.I. Primary cause and mechanisms of structural instability of strong shock waves in gases // Shock Waves. 2019. Vol. 29. P. 365-379.

11. Фомин В.М., Яковлев В.И. Энергообмен в сверхзвуковых газоплазменных течениях с ударными волнами. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2017. 368 с.

12. Ermolin N.E., Fomin V.M. Modeling of chemical processes in flames of condensed systems.// IV Int. Workshop HEMs – 2008. High Energy Materials: Demilitarization, Antiterrorism and Civil Applications: Book of Abstracts. Russia, Biysk, Belokurikha, 3 – 5 september, 2008, p 70.

13. Ermolin N.E., Fomin V.M. On the mechanism of thermal decomposition of ammonium dinitramide (review) //Combustion, Explosion, and Shock Waves. –2016. –Vol. 52 No. 5. –P. 566-586.

14. Ворожцов Е.В. Конструирование схем третьего порядка точности с помощью разложений Лагранжа–Бюрмана для численного интегрирования уравнений невязкого газа // Вычислительные методы и программирование. – 2016. – т. 17. – С. 21–43.

15. Kolotilov V.A. Application of the Cabaret scheme in task of shock-wave loading // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 511, Iss. 1. Art. No. 12002.

5. Исследования проводящих газодинамических потоков

Исследования проводятся в следующих направлениях:

- изучение процессов в дисковом плазменном ускорителе и взаимодействия ускоренных им плазменных потоков с поверхностями;

- изучение воздействия широкоапертурного сильноточного электронного пучка на сверхзвуковые потоки газов, в том числе для МГД-управления потоком и для инициирования химических реакций;

- изучение инициирования горения в сверхзвуковом потоке поперечной детонационной волной;

- синтез наноразмерных порошков в реакторе адиабатического сжатия;

- изучение процессов в жидкометаллическом МГД-насосе, предназначенном для внесения в расплав наноразмерных модификаторов.

Некоторые научные результаты:

- Изучена работа дискового МГД-генератора с Т-слоем в режиме кондуктивного съема энергии. В качестве рабочего тела использоавлись аргон и газообразный натрий. Разработан источник газообразного натрия с расходом около 1 кг/с. Продемонстрирована возможность применения Т-слоя в качестве мощного источника излучения.

- Впервые экспериментально продемонстрирована возможность ионизации сверхзвукового потока электронным пучком для МГД-управления потоком.

- Впервые экспериментально показана возможность ускорения плазмы различного состава в дисковом МГД-ускорителе до скорости порядка 10 км/с и расходом до нескольких моль/с. Продемонстрированы перспективные технологические возможности построенного ускорителя – для травления поверхности, нанесения покрытий оптического качества различного состава, существенного уменьшения шероховатости поверхности.

- Построен и испытан жидкометаллический МГД-насос и предложена численная модель его работы, продемонстрировано его технологическое применение для модификации конструкционного материала внесением наноразмерного порошка на примере алюминиевого сплава.

- Продемонстрированы способы получения наноразмерных порошков различного состава и морфологии в реакторе адиабатического сжатия. В том числе – кремниевые, углеродные, из карбида кремния, нитридов алюминия и кремния. Возможно получение порошков из множества других соединений, в том числе гетерогенных. Например, порошков из карбида кремния, покрытых графеном. Реактор может быть использован в газодинамических экспериментах для однородного внесения наночастиц в поток, например, в диагностических целях.

Для выполнения этих работ лаборатория имеет экспериментальные установки:

Дисковый МГД-ускоритель плазмы

А: 1,2 – стенки канала, 3 – сопло-катод, 4 – клапан, 5 – эластичный резервуар для ускоряемого газа, 6 – жесткий резервуар для напорного газа, 7 – аноды, 8 – катушки электромагнита, 9 – обрабатываемый образец;

B: 10 – зонды Ленгмюра для измерения скорости потока.

Реактор адиабатического сжатия

Схема реактора. 1 – корпус, 2 – поршень с пробойником 3, 4 – шток со спусковым механизмом 5, 6 – реохорд, 7 – дно с вентилем 8, 9 – нагреватель, 10 – терморегулятор, 11 – дно реакционного объема, 12 – сопло, 13 – разрушаемая мембрана, 14 – сборник продуктов реакции, 15 – металлическая сетка, 16 – вентиль, 17 – световод, 18 – тензодатчик давления.

Импульсная аэродинамическая установка

Схема установки. 1 – форкамера с объемом 8 литров, 2 – электродинамический клапан,

3 – катушка клапана, 4 – дозвуковая часть сопла с переходом круг-квадрат,

5 – состема подачи топлива, 6 – сверхзвуковая часть с M = 4, 7 – канал постоянного сечения,

8 – окно, 9 – генератор детонационной волны, 10 – подача рабочего газа, 11 – манометр 12 – вакуумный ресивер.

Импульсный газоразрядный источник потоков заряженных частиц.

Предназначен для инжекции сильноточных электронных и ионных широкоапертурных потоков в газовые потоки для их ионизации и инициирования химических реакций, в том числе, горения.

Вид облучаемого потоком заряженных частиц воздуха. 2 – анод, 6 – коллектор, 7 – сетка.

Использование локального магнитогидродинамического взаимодействия в потоке воздуха (М∈6÷10) показана возможность существенного изменения ударно-волновой структуры течения при обтекании тел различной геометрии в магнитном поле:

- Исследование возникновения скачка уплотнения в зоне МГД-взаимодействия и на модели пластины с отклонённым аэродинамическим щитком.

- Исследование нестационарного МГД-взаимодействия на модели спускаемого космического аппарата.

Магнитогидродинамический стенд УТ-4М

Магнитогидродинамический (МГД) стенд УТ-4М предназначен для исследования фундаментальных и прикладных задач магнитоплазменной аэродинамики, связанных с созданием перспективных летательных аппаратов. В частности, в ней проводятся исследования способов управления структурой электропроводящих газовых потоков при обтекании моделей различной геометрии. МГД стенд является импульсной аэродинамической установкой на базе ударной трубы с истечением газа через сопло Лаваля в камеру Эйфеля. Толкающий газ в камере высокого давления подогревается электродуговым способом от линии конденсаторных батарей с максимальной запасаемой энергией 0,6 МДж. Использование ударной трубы позволяет поддерживать за отраженной ударной волной практически постоянные параметры рабочего газа на входе в сопло в течение от 1.5 до 2.5 мс. В результате время квазистационарного потока в рабочей камере составляет 1–2 мс, что достаточно для установления квазистационарного течения на модели, осуществления МГД-взаимодействия в течение 100-500 мкс и (успокоения) возвращения течения после взаимодействия до параметров невозмущённого потока. Рабочая камера расположена внутри компактного электромагнита постоянного тока, который может генерировать магнитное поле до 2,5 Тл. Для ионизации газа используются различные генераторы тока («длинная линия», высокочастотные генераторы переменного и импульсно-периодического тока).

Кроме того, стенд имеет возможность замены части канала ударной трубы секцией прямоугольного сечения, присоединённой к каналу через переходное сопло. Эта модификация позволяет исследовать до- или сверхзвуковой поток рабочего газа, образованный в канале за проходящей ударной волной. Время существования квазистационарного потока в пробке ударно-сжатого газа составляет 1–5 мс в зависимости от параметров эксперимента. В прямоугольном канале есть возможность установки постоянных редкоземельных магнитов и осуществлять устройств для ионизации газа, что позволяет проводить исследования МГД-взаимодействия. В стенках канала и в рабочей камере помещённой в электромагнит имеются наблюдательные окна, которые позволяют осуществлять визуализацию течения в различных плоскостях наблюдения.

Общий вид установки (стенда УТ-4М)

МГД стенд УТ-4М позволяет работать практически с любыми газами. На стенде возможно моделирование натурные условия полёта в атмосфере различных планет в широком диапазоне параметров, а также решение задач с использованием однокомпонентных газов или смесей. При использовании воздуха экспериментальный стенд позволяет моделировать натурные параметры полёта в атмосфере Земли, характерные для высот 20– 50 км над уровнем моря. Для исследования задач магнитоплазменной аэродинамики стенд обладает возможностью создания однонаправленных однородных магнитных и электрических полей в зоне взаимодействия, а также возможность ввода различных ионизирующих устройств. Система визуализации позволяет регистрировать одновременно и ударно-волновую структуру потока, и свечение плазмы разряда из зоны МГД-взаимодействия в трёх плоскостях.

Основные параметры

Размеры рабочей части в камере Эйфеля	200×140×240 мм
Размеры рабочей части в канале ударной трубы	200×40×60 мм
Профилированные сопла на числа Маха	6; 8; 10; 12
Диаметр сопла	105 мм
Максимальное давление в форкамере сопла (с электродуговым подогревом толкающего газа в КВД)	до 5,5 МПа
Диапазон чисел Рейнольдса Re_1∞за соплом	1×10⁵ – 9×10⁶м^–1
Диапазон чисел Рейнольдса Re_1∞за проходящей УВ	4×10⁵ – 9×10⁷м^–1
Температура торможения	1000 – 5000 К
Скоростной напор	5×10² – 2×10⁴ кг/м²
Время квазистационарного потока	до 2 мс
Диаметр боковых окон с оптическими стеклами в камере Эйфеля	100 мм

Виды типовых испытаний:

Вид испытания	Измеряемый параметр, метод измерения, число точек и т.д.
Визуализация обтекания модели (теневой метод)	Прямотеневая или шлирен-визуализация, высокоскоростная камера Photron Fastcam SA-Z
Визуализация свечения плазмы	При прямотеневой или шлирен-визуализации, высокоскоростной камерой Photron Fastcam SA-Z
Визуализация пограничного слоя в канале ударной трубы	Прямотеневая или шлирен-визуализация, высокоскоростная камера Photron Fastcam SA-Z
Измерение давления в канале ударной трубы	Высокочастотные пьезоэлектрические датчики PCB
Измерение давления на моделях	Высокочастотные пьезоэлектрические датчики PCB
Измерение параметров плазмы	Трансформаторы тока (10²–10⁷ Гц), цифровые осциллографы TiePie

Электродинамический ускоритель масс – Рельсотрон

Электродинамический ускоритель масс (рельсотрон) предназначен для ускорения мелкомасштабных объектов до высоких скоростей. Установка может решать широкий спектр задач в космической, военной технике, а также задач фундаментальных научных исследований. Принцип работы ускорителя основан на превращении электрической энергии в кинетическую энергию снаряда. Используемый в ИТПМ СО РАН рельсотрон является импульсным электромагнитным ускорителем масс с каналом прямоугольного сечения, в котором расположены параллельные электропроводящие шины, вдоль которых под действием электромагнитных сил движется электропроводящая масса (плазменный поршень).

а б в

Общий вид рельсотрона: а - канал, б - баллистическая трасса, в - энергоустановка

В качестве ускоряемого тела может быть применен любой диэлектрический материал, обладающий достаточной прочностью, чтобы выдержать ускорение до 10⁷ g. Для ускорения металлических объектов используется контейнер из непроводящего материала, который разделяется после вылета из канала под действием аэродинамических сил.

Рельсотрон позволяет ускорить тела различной геометрии и из различных материалов до скоростей, не достижимых для баллистических установок с пороховым ускорением тел. Предельные числа Маха, которые можно получить на данной установке при атмосферном давлении окружающей среды М = 14. Применение технологии плазменного поршня позволяет исключить деформацию тела, заключённого в ускоряемый контейнер, до момента соударения. Разработана технология плавного разгона тела в канале рельсотрона с помощью серии распределенных импульсов тока, что снижает степень разрушения стенок канала и позволяет использовать его повторно.

Основные параметры

Площадь сечения канала	от 10×10 до 17×17 мм
Ускоряемая масса	1 – 20 г
Диапазон реализации скоростей тел	500 – 5000 м/с

Зависимость максимально достижимой скорости ускоряемого тела от его массы.

Типовые виды испытаний

Виды испытаний	Измеряемый параметр, метод измерения, число точек и т.д.
Исследование высокоскоростного взаимодействия твёрдых деформируемых тел	Скорость и ускорение ударника (высокоскоростная камера Photron SA-Z, частота кадров 480 кГц, точность определения скорости ≤ 10 м/с); топология результата взаимодействия (сканирующий микроскоп, разрешение 1 мкм)
Исследование свойств материалов для моделирования процессов пробития	Скорость ударника, топология результата взаимодействия, определение динамической твёрдости материалов на высоких скоростях
Исследование аэродинамических характеристик тел на трассе свободного полёта при атмосферном давлении	Скорость и ускорение тела, вращение тела под действием аэродинамических сил, ударно-волновая структура обтекания (высокоскоростная камера, метод полос)

Некоторые публикации:

1. Pozdnyakov G.A., Nastaushev Yu.V., Gavrilova T.A., Fedosenko E.V., Dultsev F.N. Diamond-Like Carbon Films Formed by Means of Pulsed Supersonic Plasma Flow Deposition // Solid State Phenomena. 2014. Vol. 213. P 137-142.

2. Fedoseeva Yu.V., Pozdnyakov G.A., Okotrub A.V., Kanygin M.A., Nastaushev Yu.V., Vilkov O.Y., Bulusheva L.G. Effect of substrate temperature on the structure of amorphousoxygenated hydrocarbon films grown with a pulsed supersonic methane plasma flow // Applied Surface Science. 2016. Vol. 385. P. 464–471.

3. Goldfeld M.A., Pozdnyakov G.A. Ignition of Hydrocarbon-Air Supersonic Flow by Volumetric Ionization // Journal of Thermal Science. 2015.Vol. 24, No.6. P. 583-590.

4. Katsnelson S.S., Pozdnyakov G.A. Experimental study of a centrifugal conductive MHD pump // IEEE transactions on plasma science. 2012. Vol. 40, No. 12. P. 3528-3532.

5. Фомичев В.П., Ядренкин М.А. Журнал технической физики. 2013. Т. 83, вып. 1. С. 152–155.

6. Фомичев В.П., Ядренкин М.А.. Письма в журнал технической физики. 2013. Т. 39, вып. 1. С. 28–32.

7. Фомичев В.П., Ядренкин М.А. Письма в журнал технической физики. 2013. Т. 39, вып. 1. С. 33–38.

8. Фомичев В.П., Ядренкин М.А. Письма в ЖТФ. 2017. Т.43, № 23. С. 31-30. DOI: 10.21883/PJTF.2017.23.45273.16648.

6. Мембранно-сорбционный метод извлечения гелия из природного газа

Предложен и научно обоснован мембранно-сорбционный метод извлечения гелия из природного газа с одновременной его осушкой. Извлечение гелия из природного газа основано на свойстве селективной проницаемости микросфер по отношению к легким газам. Создан композитный сорбент, который содержит микросферы и влагопоглотитель, что обеспечивает одновременное извлечение гелия и осушки природного газа. Данный метод имеет большое преимущество перед существующими методами, когда необходимо извлекать гелий из природного газа на месторождениях с низким содержанием гелия.

На основе данного метода предложена и научно обоснована технология извлечения гелия из природного газа с одновременной его осушкой.

Основные публикации:

1. Зиновьев В.Н., Казанин И.В., Пак А.Ю., Верещагин А.С., Лебига В.А., Фомин В.М. Проницаемость полых микросферических мембран по отношению к гелию // Инженерно-физический журнал. 2016. Т. 89, № 1. С. 24-36.

2. Зиновьев В.Н., Казанин И.В., Лебига В.А., Пак А.Ю., Верещагин А.С., Фомин В.М. О совместном выделении паров воды и гелия из природного газа // Теплофизика и аэромеханика. 2016. Т. 23, №. 5. С. 771-777.

3. Зиновьев В.Н., Казанин И.В., Лебига В.А., Пак А.Ю., Цибульский Н.Г., Верещагин А.С, Фомин В.М. Экспериментальное определение коэффициента гелиевой проницаемости на примере полых микросферических мембран // Теплофизика и аэромеханика. 2018. Т. 25, №. 6. С. 855-865.

Для выполнения данных работ в лаборатории имеется необходимое оборудование и для отработки необходимых параметров технологии к конкретным месторождениям создана крупномасштабная установка

Пилотная крупномасштабная установка извлечения гелия из природного газа

Композитный сорбент

В результате этих исследований было сформулировано новое научное направление – газодинамические способы разделения газов на составляющие.

7. Механика для медицины

В настоящее время наиболее эффективным методом лечения больных в терминальной стадии сердечной недостаточности является трансплантация сердца. И тот, кто первым сделает искусственное сердце, будет заслуживать Нобелевской премии. Но пока осуществляется трансплантация сердца, и необходима механическая поддержка работы больного сердца. Для механической поддержки кровообращения было проведено научное обоснование и создана модель насоса на основе дисковых машин трения, предложенных Николой Тесла. Созданная модель совместно со специалистами НМИЦ им. акад. Е.Н. Мешалкина была в экспериментах проверена на животном (свинье) с положительным результатом и передана АО НПК «Импульс-Проект» для создания коммерческого образца.

Некоторые публикации:

1. Чернявский А.М., Медведев А.Е., Приходько Ю.М., Фомин В. М., Фомичев В. П., Фомичев А.В., Чехов В.П., Рузматов Т.М., Караськов А.М. Дисковые насосы для поддержки кровообращения в организме человека. Новосибирск: Параллель, 2016. 67 с.

2. Медведев А.Е., Приходько Ю.М., Фомин В.М., Фомичев В.П., Чехов В.П., Чернявский А.М., Фомичев А.В., Рузматов Т.М., Караськов А.М. Математическая модель течения жидкости между вращающимися неплоскими дисками // Инженерно-физический журнал. 2017. Т. 90, No. 6. С. 1553-1562.

3. Чернявский А.М., Медведев А.Е., Приходько Ю.М., Фомин В.М., Фомичев В.П., Фомичев А.В., Ломанович К.А., Рузматов Т.М., Караськов А.М. Расходно-напорные характеристики дискового насоса крови // Инженерно-физический журнал. 2017. Т. 90, № 6. С. 1549-1552.

Создание математической модели дыхания человека.

На основе моделирования движения газа в носовых каналах человека обнаружены зоны, в которых могут скапливаться частицы пыли, переносимые при дыхании. Наличие таких зон позволяет медикам рекомендовать, кто может работать в пылевых условиях без последствий на здоровье организма.

Создана математическая модель движения воздуха в норме и при патологии в бронхиальном дереве человека до 23 бифуркации.

Томографические исследования.

Томографические исследования в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН были инициированы Н.Г. Преображенским в 80-е годы прошлого века для диагностики газа и плазмы. В начале 2000-х эти исследования были расширены и применены в области медицинской томографии, включая методы однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОЭКТ) и позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ). Метод ОЭКТ широко используется в диагностике заболеваний сердечно-сосудистой системы, метод ПЭТ является в настоящее время «золотым стандартом» в диагностике онкологических заболеваний.

Направления научных исследований:

1)Теоретическое обоснование метода статистической регуляризации для решения обратных некорректных задач реконструкции изображений. Развитие нового класса алгоритмов реконструкции изображений.

2) Развитие метода математического моделирования в области диагностической ядерной медицины. Моделирование процедуры обследования пациентов методом ОЭКТ, приближенное к клиническим условиям. Разработка математических фантомов (виртуальных пациентов), описывающих распределение радиофармпрепаратов (Tc-MIBI, FDG и др.) в различных органах пациентов. Разработка метода расчета проекционных данных (виртуальная система сбора данных) для моделирования клинических томографических установок типа Infinia (General Electric) и BrightView XCT (Philips). Численные исследования с использованием развитых фантомов и виртуальной системы сбора данных, направленных на исследования новых алгоритмов реконструкции изображений, возможности улучшения протокола проведения обследований (снижение дозы радиофармпрепарата, сокращение времени обследования, изменение позиции пациента при обследовании и т.п.). Исследования ограничений действующих алгоритмов реконструкции, приводящих к неоднозначной или ошибочной интерпретации результатов обследования пациентов методом ОЭКТ.

Исследования проводятся при сотрудничестве с врачами радиологами Национального медицинского исследовательского центра им. академика Е.Н. Мешалкина (Новосибирск), Национального медицинского исследовательского центра Кардиологии (Москва), медицинских физиков и врачей Венского медицинского университета и отделения ядерной медицины Венской Центральной Клинической Больницы (Австрия) при поддержке Российского Фонда Фундаментальных исследований и Австрийского Научного Фонда.

Некоторые результаты:

- Развит новый подход к решению обратной некорректной задачи реконструкции изображений на основе теории открытых систем.

- С помощью математического моделирования дано объяснение причины появления ложного дефекта в апикальной зоне левого желудочка миокарда при обследовании пациентов методом ОЭКТ/КТ.

3D антропоморфная Математическая Модель Всего тела (ММВ) для исследований в области диагностической ядерной медицины. Модель развита в ИТПМ СО РАН.

Некоторые публикации:

1. Denisova N.V., Terekhov I.N. A study of myocardial perfusion SPECT imaging with reduced radiation dose using maximum likelihood and entropy-based maximum a posteriori approaches // Biomed. Phys. Eng. Express. 2016. Vol. 2, No. 5. Art. 055015. 11 p. doi:10.1088/2057-1976/2/5/055015.

2. Денисова Н.В. Получение изображений в диагностической ядерной медицине // ЖТФ. 2018. Т. 88, вып. 9. С. 1418-1426.

3. Denisova N.V., Ansheles A.A. A study of false apical defects in myocardial perfusion imaging with SPECT/CT // Biomedical Physics & Engineering Express. 2018. Vol. 4, No. 6. Art. 065018. 12 p. DOI: 10.1088/2057-1976/aae414

Достижения и награды

Фомин В.М.

• Государственная премия СССР (1981 г.) и премия Совета Министров СССР (1990 г.); орден Почета (2001), орден Дружбы Китайской Народной Республики (2004 г.);

• медаль ордена «За заслуги перед Отечеством» II степени (2008 г.);

• грамота Государственной Думы РФ (2007 г.), в составе авторского коллектива лауреат Российско-Белорусской премии им. академика В.А. Коптюга (2009 г.);

• в составе авторского коллектива лауреат премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники за 2010 г.;

• в составе авторского коллектива премия первой степени с вручением золотой настольной медали имени проф. Н.Е. Жуковского (2011 г.) за работу «Аэродинамика и теплообмен в газодисперсных потоках», как лучшую работу по теории авиации;

• лауреат премии имени М.А. Лаврентьева (2013 г.), фонда им. М.А. Лаврентьева в номинации «За выдающийся вклад в развитие исследований в области математики, механики и прикладной физики»;

• Государственная премия Новосибирской области (2015 г.) за разработку физических основ передовых лазерных систем и успешное внедрение современной лазерной техники в высокотехнологичные отрасли Новосибирской области в составе авторского коллектива;

• почетная грамота ФАНО за безупречный труд и высокие достижения в профессиональной деятельности (2015 г.);

• почетный доктор НГТУ (2016 г.);

• орден Александра Невского (2018 г.).

Общественные награды:

• Знак отличия в честь юбилея «370 лет Якутия с Россией» (2002) за вклад в укрепление государственности, межнационального мира и согласия;

• межотраслевой знак «Горняцкая слава» первой степени (2007);

• медаль «За служение Кузбассу» (2007);

• Орден Петра Великого I степени Национального комитета Общественных наград Российской Федерации за заслуги и большой личный вклад в развитие отечественной науки (2007);

• медаль имени генерального конструктора Л.Н. Лаврова Федерации космонавтики Российской Федерации за заслуги перед отечественной космонавтикой (2007);

• медаль «За особый вклад в развитие Кузбасса» III степени (2009);

• медаль имени академика А.Н. Туполева за заслуги в области создания и модернизации авиационной техники марки «Ту» (2010);

• памятная медаль «За вклад в развитие Новосибирской области» (2012);

• памятный знак «За труд на благо города» в честь 120-летия со дня основания г. Новосибирска;

• памятная медаль «100 лет со дня рождения А.И. Покрышкина».

Брусенцева Т.А., Филиппов А.А. – Медаль Российской академии наук для студентов высших учебных заведений России за лучшие научные работы 2012 г. Работа на тему «Определение механических характеристик гетерогенного материала на основе полимерной матрицы и наноразмерного порошка диоксида кремния».

Болеста А.В. - Премия имени академика М.А. Лаврентьева для молодых ученых (2009 г.).

Верещагин А.С. - Премия им. М.А. Лаврентьева для молодых ученых «За выдающийся вклад в развитие исследований в области математики, механики и прикладной физики» (2013 г.).

Казанин И.В. - Стипендия президента РФ для молодых ученых и аспирантов (2018 – 2020 гг.).

Филиппов А.А. - Стипендия президента РФ (2019 – 2020 гг.).

Ядренкин М.А. - Именная стипендия администрации Новосибирской области для аспирантов и докторантов (2007 г.).

Головнева Е.И. – Лауреат Лаврентьевского конкурса 2006 – 2007 гг.

Болеста А.В., Верещагин А.С., Головнева Е.И., Уткин А.В. Гранты Президента РФ для молодых ученых – кандидатов наук (2007 – 2008 гг.).

Фомин В.М., Сапожников Г.А., Шабалин И.И., Гулидов А.И. - премия Совета Министров СССР за создание математического обеспечения для моделирования на ЭВМ процессов высокоскоростного взаимодействия тел (1990 г.).

НИС 21. Горения в газовых потоках (входит в лаб. 4)

Направления научных исследований

Развитие импульсно-периодических технологий управления до-, транс- и сверхзвуковыми течениями в энергетических установках, включая процессы горения в каналах, и аэродинамическими характеристиками при внешнем обтекании тел:

• Исследование активных способов управления газодинамикой при организации рабочего процесса в камерах сгорания, моделирующих условия сверхзвукового полёта.

• Управление процессом горения и стабилизацией пламени с помощью периодического электрического поля.

• Численное и экспериментальное моделирование процесса горения в сверхзвуковом потоке при инициировании плазмой импульсно-периодического оптического разряда.

• Исследование силового и энергетического воздействия на поток в окрестности крыловых профилей для управления обтеканием на до- и трансзвуковых скоростях.

• Исследование эффективных схем пиролиза углеводородов в ректоре быстрого смешения.

Важнейшие результаты

• Исследование активных способов управления газодинамикой при организации рабочего процесса в камерах сгорания

Предложено новое направление организации рабочего процесса в камере сгорания. На участке камеры сгорания (КС) постоянного сечения после торможения в воздухозаборнике осуществляется «преддетонационный» режим горения. Режим реализуется при осуществлении импульсно-периодического газодинамического воздействия. Горение становится интенсивным, локализуется на малой длине и сохраняется при снятии воздействия после осуществления горения в КС на участке переменной геометрии. Высокая полнота сгорания обеспечивается организацией преддетонационного режима горения (воздействием на процесс теплогазодинамическими импульсами, создаваемыми специальным генератором). Потери полного давления уменьшаются вследствие сохранения сверхзвуковой скорости на входе в КС и торможения потока до скорости звука на участке КС постоянного сечения. Экспериментальные исследования на модельных малоразмерных КС подтвердили предложенный способ организации горения.

• Управление процессом горения и стабилизацией пламени с помощью периодического электрического поля

На основе анализа полученных экспериментальных данных установлено, что воздействие электрического поля происходит локально на фронте пламени, изменяя процессы тепломассопререноса. При этом в ламинарных гомогенных пламенах происходит изменение степени растяжения пламени, а в случае турбулентного горения коэффициента турбулентного обмена. Для эффективного управления стабилизацией пламени необходимы знания о взаимосвязи напряженности поля и степени деформации, либо пульсаций скорости. На примере обращенного пламени, находящегося в электрическом поле аксиальной симметрии, показано, что существует практически линейная зависимость изменения коэффициента турбулентного обмена от напряжения, подаваемого на кольцевой электрод (D₀– коэффициент турбулентного обмена в отсутствии поля). Результаты получены с применением модели турбулентного пламени, в которой скорость распространения фронта есть функция коэффициента турбулентного обмена.

Схема эксперимента (а) и зависимость изменения коэффициента турбулентного обмена от напряжения (б). Точки – пропан, квадраты – метан.

При воздействии на диффузионный факел нестационарного электрического поля, вектор напряженности которого вращается вокруг оси топливной струи, улучшается смешение и интенсифицируется горение, длина факела сокращается на 18-20% при сохранении полноты сгорания. Поднятое турбулентное пламя с помощью такого электрического поля можно стабилизировать в плоскости электродов в широком диапазоне скоростей истечения топлива превышающем скорость срыве пламени в отсутствии поля.

Диффузионный факел (а – без электрического поля, б – с электрическим полем) и зависимость высоты подъема от критерия гомохронности (в)

Численное и экспериментальное моделирование процесса горения в сверхзвуковом потоке при инициировании плазмой импульсно-периодического оптического разряда

Изучено воздействие сфокусированного импульсно-периодического излучения СО₂-лазера на инициирование и процесс распространения горения в до- и сверхзвуковом потоке гомогенных топливо-воздушных смесей (метановоздушной и водородовоздушной). Излучение СО₂-лазера распространялось поперек потока и фокусировалось линзой на оси струи. С применением теневой и спектрозональной съемки на длинах волн радикалов ОН* и СН* изучалась структура зоны горения в потоке. Было показано, что при поперечном вводе лазерного излучения в поток образуется периодическая структура теплового следа с формированием головного скачка уплотнения от зоны энерговыделения. При малых частотах следования импульсов лазерного излучения взаимодействие теплового пятна с потоком происходит в импульсном режиме. Экспериментально осуществлено воспламенение оптическим разрядом метановоздушной и водородовоздушной смесей при сверхзвуковом истечении струи в затопленное пространство, о чем свидетельствуют результаты спектрозональной съемки. Показано, что применение малого по размеру механического стабилизатора (конус, диаметр 6 мм) и оптического стабилизатора позволяет зажечь высокоскоростную водородовоздушную струю по всей площади поперечного сечения. В проведённых экспериментах методами эмиссионной спектроскопии было исследовано распределение интенсивности излучения компонент в области оптического разряда и определены основные типы радикалов присутствующих в водородовоздушной плазме. Выявлена сильная интенсивность излучения радикала H.

Спектрозональная регистрация радикалов ОH* для зоны горения водорода за оптическим разрядом: с механическим стабилизатором (а) и без (б).

Исследование силового и энергетического воздействия на поток в окрестности крыловых профилей для управления обтеканием на до- и трансзвуковых скоростях

Управление ударно-волновой структурой транс- и сверхзвукового обтекания выпуклой поверхности с помощью импульсно-периодического энергетического и силового воздействия имеет отношение к широкому кругу практических и научных задач, связанных с усовершенствованием аэрокосмической техники. Данные исследования были начаты в ИТПМ в 2003 г. для крылового профиля при безотрывном трансзвуковом обтекании на малых углах атаки и импульсно-периодическом подводе энергии. Численно установлено, что применение приповерхностного источника энергии приводит к нелинейному взаимодействию с обтекающим потоком. Впервые показано, что таким образом можно снизить волновое сопротивление профиля более, чем в два раза, и создать дополнительную подъемную силу. Эти эффекты связаны со значительными изменениями ударно-волновой структуры: сдвигом замыкающих скачков уплотнения и даже полном их разрушении. Для импульсно-периодического подвода энергии получено обобщение закона стабилизации распределения числа Маха по поверхности, установленного С. А. Христиановичем. Аналогичные результаты получены при импульсно-периодическом силовом воздействии. Вибрация участка поверхности приводит к ослаблению и сдвигу скачка вверх по потоку на нижней стороне профиля и смещению скачка сверху на заднюю кромку. Появляется добавочная подъемная сила.

Исследование эффективных схем пиролиза углеводородов в ректоре быстрого смешения

Предложен и исследован процесс пиролиза (термического разложения) углеводородов в высокотемпературном потоке теплоносителя. Отличительной особенностью данного метода является высокая температура процесса, не достижимая в традиционном промышленном способе пиролиза. Ключевая проблема данного метода – необходимость реализации ультракороткого времени смешения сырья с теплоносителем – была решена по результатам исследования характеристик смесителей с поперечным вводом струй, работающих в режиме формирования встречного потока в результате столкновения струй в приосевой области канала. С увеличением температуры процесса значительно (на 20 – 30%) увеличился выход этилена – базового продукта нефтехимической промышленности. В развитие разрабатываемого метода рассмотрена двухстадийная схема, в которой тепловым резервуаром для пиролиза углеводородов во 2-й секции проточного реактора служат высокотемпературные продукты термического разложения метана, поступающие из 1-й секции. Ацетилен, являющийся основным компонентом смеси на входе во вторую секцию реактора, по известной технологической схеме в дальнейшем преобразуется в этилен, дополнительно увеличивая выход этого продукта по сравнению с традиционным методом пиролиза. В целом результаты расчетно-экспериментального анализа пиролиза углеводородов в реакторе быстрого смешения показали улучшение основных характеристик процесса: увеличение выхода целевых продуктов, снижение удельных энергозатрат и количества вредных выбросов в атмосферу.

Сопоставление составов продуктов одно- и двухстадийного пиролиза СПГ в реакторе быстрого смешения

Публикации

С 2011 г. сотрудниками НИС опубликовано около 60 статей в реферируемых журналах, 17 в тематических сборниках (из них 16 индексируемых в Scopus), сделано более 150 докладов на научных мероприятиях различного уровня и получено 2 патента РФ на изобретения.

Кталхерман М.Г., Емелькин В.А., Поздняков Б.А., Намятов И.Г. Способ пиролиза углеводородов. Патент на изобретение РФ 2497930, Заявка № 2012111 938/04. Приоритет от 27.03.2012. Опубл. 10.11.2013. Бюл. № 31.
Третьяков П.К., Прохоров А.Н. Сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель с пульсирующим режимом запуска (СПВРД С ПРЗ) и способ его работы // Патент на изобретение РФ 2651016. Заявка № 2016113653. Приоритет 08.04.2016. Опубл. 18.04.2018. Бюл. № 11.
Зудов В.Н. Взаимодействие продольного вихря с прямым скачком уплотнения // ПМТФ. 2011. Т. 52, № 5. С. 68-79.
Аульченко С.М., Замураев В.П., Калинина А.П. Управление трансзвуковым потоком с помощью энергетического локального воздействия // ЖТФ. 2011. Т. 81, № 11. C. 13-22.
Третьяков П.К. Организация пульсирующего режима горения в высокоскоростных ПВРД// ФГВ. 2012. Т. 48, №6, С.1-6.
Denisova N., Tretyakov P., Tupikin A. Emission tomography in flame diagnostics // Combustion and Flame. 2013. Vol. 160, № 3. P. 577-588.
Зудов В.Н.; Грачев Г.Н., Смирнов А.Л., Третьяков П.К., Тупикин А.В., Крайнев В.Л. Инициирование горения оптическим разрядом в сверхзвуковой метано-воздушной струе // ФГВ. 2013. Т. 49, № 2. С. 144-147.
Аульченко С.М., Замураев В.П., Калинина А.П. Критериальный анализ нелинейных режимов трансзвукового обтекания крыловых профилей при энергетическом локальном воздействии // ЖТФ. 2013. Т.83, вып.4. C. 21-29.
Kartaev E.V., Emelkin V.A., Ktalkherman M.G., Kuzmin V.I., Vashhenko S.P. Analysis of mixing of impinging radial jets with crossflow in the regime of counter flow jet formation. // Chemical Engineering Science. 2014. Vol. 119. P. 1–9.
Козулин В.С., Крайнев В.Л, Третьяков П.К., Тупикин А.В. Особенности диффузионного факела при переходе от ламинарного к турбулентному режиму горения // ФГВ. 2014. Т. 50, №6. С.134-136.
Забайкин В.А., Прохоров А.Н., Третьяков П.К. Устойчивость к разрушению образцов материалов в сверхзвуковом высокотемпературном потоке // Теплофизика и аэромеханика. 2015. Т. 22, No. 2. С. 267-270.
Тупикин А.В., Третьяков П.К., Денисова Н.В., Замащиков В.В., Козулин В.С.Диффузионный факел в электрическом поле с изменяемой пространственной конфигурацией // ФГВ. 2016. Т. 52, №2. С. 49-53.
Зудов В.Н., Третьяков П.К. Инициирование оптическим разрядом гомогенного горения в высокоскоростной струе топливовоздушной смеси // ФГВ. 2017. Т. 53, No. 3. С. 18-26.
Kartaev E.V., Emelkin V.A., Ktalkherman M.G., Aulchenko S.M., Vashenko S.P. Upstream penetration behavior of the developed counter flow jet resulting from multiple jet impingement in the crossflow of cylindrical duct // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018. Vol.116. P. 1163-1178.
Замураев В.П., Калинина А.П. Формирование околозвуковой области при теплогазодинамическом воздействии на сверхзвуковой поток в канале // Теплофизика и аэромеханика. 2018. Т. 25, № 1. С. 155-158.
Третьяков П.К., Забайкин В.А., Прохоров А.Н. Высокоскоростной ПВРД с пульсирующим режимом запуска // XI Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Казань, 20–24 авг. 2015 г.): [сборник трудов]. Казань, 2015. С. 3778-3780. CD-ROM.
Третьяков П.К., Крайнев В.Л., Постнов А.В., Тупикин А.В.Способ перехода работы ПВРД на режим ГПВРД // Новые технологии, материалы и оборудование российской авиакосмической отрасли (АКТО-2018) : материалы Всероссийской научно-практической конференции с междунар. участием (Казань, 8-10 августа 2018 г.). Т.1. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2018. С. 291-295.

Технологические разработки и экспериментальная база

Подразделение имеет экспериментальную базу, в которую входят две аэродинамические установки:

1. Стенд сверхзвукового горения, который является уникальной установкой (аналогов в России нет). На нем проводятся исследования рабочего процесса в камерах сгорания ГПВРД, определяются свойства перспективных высокотемпературных композиционных материалов.

2. Аэродинамическая труба ТС – установка периодического действия, предназначенная для изучения процессов смешения и горения в сверхзвуковых потоках. На ней также ведутся работы по моделированию полета малоразмерных ЛА с ПВРД при числах Маха менее четырех.

Достижения и награды

Замураев В.П.

- Медаль в связи с 55-летим НГУ за заслуги, 2014 г.

Калинина А.П.

- Почетная грамота СО РАН «За добросовестный труд» в связи с 50-летием, 2019 г.

Кталхерман М.Г.

- Памятный знак «За труд на благо города»» в честь 125-летия Новосибирска;

- Почетная грамота СО РАН, 2018.

Третьяков П.К.

Дополнительно

Кроме работ по ФНИ СО РАН в подразделении выполняются гранты РФФИ и хозяйственные договора с ЦИАМ, ЦАГИ, ИХФ РАН, МАИ и др.

Прикладные задачи занимали важное место в научной деятельности коллектива. Направление работ было связано с исследованиями по повышению эффективности рабочего процесса в двигательном тракте (прямоточных схем) для увеличения дальности полёта и c поиском способов управления внешним обтеканием малоразмерных объектов. Изучалось также применение внешнего горения для снижения сопротивления тел с отрывными зонами и создания управляющих моментов. Выполнен цикл экспериментальных исследований по изучению процессов горения перспективных, высококалорийных, быстрогорящих, твёрдых и пастообразных топлив, а также изучение термостойкости материалов и средств тепловой защиты. Выявлены особенности, связанные с организацией устойчивого горения. Отработан ряд схем размещения топлива в тракте, не приводящих к нарушению работы воздухозаборных устройств, и способов создания управляющих моментов воздействием на внешнее обтекание.

Лаб. 5. Аэрогазодинамики больших скоростей

Наливайченко Денис Геннадьевич

заведующий лабораторией, к.т.н.

заведующий лабораторией: к.т.н. Наливайченко Денис Геннадьевич

тел.: (383) 330-18-95

e-mail: denis [at] itam.nsc.ru

Направления научных исследований

1. Экспериментальные исследования аэротермодинамики сверхзвуковых летательных аппаратов (ЛА)

Определение аэродинамических характеристики перспективных ЛА.
Исследование влияния числа Re на аэродинамику ЛА.
Совместные исследования внешней аэродинамики и внутренних течений

Испытания перспективного ЛА

Теневые картины обтекания моделей Hyperbolid Flare (HF) при М_∞ = 15.

а – HF с короткой «юбкой», б – HF с длинной «юбкой»; 1 – головная УВ, 2 – УВ от излома поверхности модели, 3 – отрывной скачок уплотнения, 4 – контактный разрыв, 5 – волна разрежения.

2. Моделирование рабочих процессов воздушно-реактивных двигателей

Разработка перспективных схем двигателей.
Исследование взаимодействия воздухозаборника и камеры сгорания двигателя.
Исследование перспектив применения детонационного горения.
Исследование процессов горения твердых топлив.

3. Разработка пневмоимпульсных технологий для промышленных приложений

Разработка принципов конструирования генераторов импульсных газовых струй.
Исследование динамики образования и распространения ударных волн и нестационарных газовых струй.
Исследование характеристик поведения различных материалов в усло¬виях импульсного нагружения.
Отработка технологических процессов с использованием импульсных газовых струй.

Система для пневмоимпульсной очистки бункера.

1 – компрессор, 2 – запорный вентиль, 3 – влагомаслоотделитель, 4 – вентиль слива конденсата, 5 – ресивер, 6 – манометр, 7 – вентиль аварийной остановки системы, 8 – коллектор, 9 – вентили включения пневмоимпульсных генераторов, 10 – бункер, 11 – пневмоимпульсные генераторы, 12 – контроль давления в сети, 13 – разводка воздуха.


Пневмогенератор «Ёрш»	Схема очистки трубопровода при помощи пневмогенератора

4. Создание новых аэродинамических установок кратковременного действия и их элементов.

Эскизный проект источника рабочего газа новой аэродинамической установки АТ-304

5. Прикладные исследования аэротермодинамики воздушно-космических систем, спутников, возвращаемых аппаратов

Исследование аэродинамики модели возвращаемого аэрокосмического демонстратора ARES, М = 10–18

Исследование суммарных аэродинамических характеристик возвращаемого баллистического аппарата EXPERT, М = 10–18

Важнейшие результаты

В экспериментах по моделированию полета малогабаритного летательного аппарата в аэродинамической трубе достигнуто снижение его аэродинамического сопротивления на 80% за счет работы встроенной прямоточной силовой установки на твердом топливе газогенераторного типа. Коэффициент сопротивления модели летательного аппарата уменьшился с 0,119 до 0,022.

Модель малогабаритного летательного аппарата

Сравнение сопротивления модели с работающей и неработающей силовой установкой

Предложена методика построения секторного сверхзвукового воздухозаборника изоэнтропического сжатия, которая базируется на обратимости течения сверхзвукового изоэнтропического потока в кольцевом сопле с заданными параметрами на входе и на выходе. На основе рассмотренного подхода спроектированы сверхзвуковые секторные и кольцевые воздухозаборники изоэнтропического сжатия. Численно показана возможность реализации обращенного течения в таких воздухозаборниках.

Фотографии обтекания одного из секторов воздухозаборника в закрытом (левая фотография) и в открытом (правая фотография) положении

Совместно с Институтом химической физики им. Н.Н. Семенова РАН выполнены испытания прямоточного двигателя с непрерывным детонационным горением водорода. Экспериментально продемонстрирована возможность организации устойчивого детонационного горения водорода в сверхзвуковом воздушном потоке. Впервые получена абсолютная положительная тяга для такого рода двигателей.

Испытания модели детонационного двигателя в АТ-303, М = 5,7:

схема двигателя, установка в трубе, пример записей аэродинамических сил без горения (штриховая кривая) и с детонационным горением (сплошная кривая).

Публикации

Kharitonov A.M., Adamov N.P., Chirkashenko V.F., Mazhul I.I., Shpak S.I., Shiplyuk A.N., Vasenyov L.G., Zvegintsev V.I., Muylaert J.M. Aerothermodynamics of expert ballistic vehicle at hypersonic speeds // Progress in Flight Physics. 2012. Vol. 3. P. 277–294. Section Chapter Three. High Enthalpy Flows. DOI http://dx.doi.org/10.1051/eucass/201203277. Publ. online 29 January 2013.
Lukashevich S.V., Maslov A.A., Shiplyuk A.N., Fedorov A.V., Soudakov V.G. Stabilization of high-speed boundary layer using porous coatings of various thicknesses // AIAA J. 2012. Vol. 50, No. 9. P. 1897–1904.
Shiplyuk A.N. Growth and breakdown of wave packets in a high-speed boundary layer // Journal of Fluid Mechanics. 2016. Vol. 806. P. 1–4.
Lee W.J., Chiang K.N., Lebiga V.A., Fomin V.M. Interfacial topography and properties of graphene sheets on different reconstructed silicon surfaces // Carbon. 2016. Vol. 96. P. 29–39.
Frolov S.M., Zvegintsev V.I., Ivanov V.S., Aksenov V.S., Shamshin I.O., Vnuchkov D.A., Nalivaichenko D.G., Berlin A.A., Fomin V.M. Wind tunnel tests of a hydrogen-fueled detonation ramjet model at approach air stream Mach numbers from 4 to 8 // International Journal of Hydrogen Energy. 2017. Vol. 42, No. 40. P. 25401–25413. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2017.08.062.
Frolov S.M., Zvegintsev V.I., Ivanov V.S., Aksenov V.S., Shamshin I.O., Vnuchkov D.A., Nalivaichenko D.G., Berlin A.A., Fomin V.M., Shiplyuk A.N., Yakovlev N.N. Hydrogen-fueled detonation ramjet model: Wind tunnel tests at approach air stream Mach number 5.7 and stagnation temperature 1500 K // International Journal of Hydrogen Energy. –2018. Vol. 42, No. 40. P. 1–10. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.02.187
Lukashevich S.V., Morozov S.O., Shiplyuk A.N. Passive porous coating effect on a hypersonic boundary layer on a sharp cone at small angle of attack // Experiments in Fluids. 2018. Vol. 59, Iss. 8. Art. No.130. 11 p. [https://doi.org/10.1007/s00348-018-2585-1]
Zarko V., Perov V., Kiskin A., Nalivaichenko D. Microwave resonator method for measuring transient mass gasification rate of condensed systems // Acta Astronautica. 2019. Vol. 158. P. 272-276.
https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2019.03.028.
Miau J.J., Leu T.S., Yu J.M., Tu J.K., Wang C.T., Lebiga V.A., Mironov D.C., Pak A.Yu., Zinovyev V.A., Chung K.M. Mems thermal film sensors for unsteady flow measurement // Sensors and Actuators A: Physical. 2015. Vol. 235. P. 1–13. DOI: 10.1016/j.sna.2015.09.030

Технологические разработки и экспериментальная база

Аэродинамические трубы кратковременного действия

Аэродинамическая труба адиабатического сжатия АТ-303

Аэродинамическая труба адиабатического сжатия АТ-303 предназначена для исследования фундаментальных и прикладных проблем, связанных с обеспечением продолжительного полета перспективных летательных аппаратов с прямоточными воздушно-реактивными двигателями в плотных слоях атмосферы.

Основные параметры:

размеры рабочей части (камеры Эйфеля): 2,5 x 1,75 x 1,4 м
профилированные осесимметричные сопла с диаметром выхода 410 мм
числа Маха набегающего потока: 6 – 8, 8 – 14, 14 – 20
давление в форкамере: до 3000 атм
температура в форкамере: до 2500 К
числа Рейнольдса: 106–108 по диаметру среза сопла
время рабочего режима: 0,04–0,2 с

Импульсная аэродинамическая труба “Транзит-М”

«Транзит-М» – простая и удобная в эксплуатации импульсная аэродинамическая труба. Благодаря простоте конструкции и высокому качеству реализуемых потоков является надежным инструментом в решении широкого круга фундаментальных и прикладных задач высокоскоростной аэрогазодинамики.

В силу сравнительной безопасности, простоты и дешевизны, установка активно используется в научном и учебном процессах. На установке выполнено большое количество фундаментальных и прикладных работ, которые послужили основой диссертаций, дипломов и курсовых работ.

Установка обеспечивает широкий диапазон рабочих параметров:

давление в форкамере – до 200 атм.
температура в форкамере – до 800 К
воспроизведение натурных или близких к ним значений числа Рейнольдса (Red = 2 106–2∙108 при М = 4, Red = 7∙106–107 при М = 8)
большая продолжительность времени рабочего режима (t = 100–600 мс), достаточная для получения установившегося течения
большой диапазон чисел Маха М = 4–8, который реализуется за счет применения набора профилированных сопел диаметром 300 мм
может быть использована как источник высокоэнтальпийного газа в конфигурации с присоединенным воздухопроводом для испытаний камер сгорания ВРД

МАУ (Малая аэродинамическая установка)

Изготовлено 8 таких установок, которые поставлены в научные центры: США – 2 шт., Китай -1 шт., Ю. Корея – 1 шт., Россия – 4 шт.)

Установка обеспечивает широкий диапазон рабочих параметров:

давление в форкамере – до 150 атм;
температура в форкамере – до 1000 К;
большая продолжительность времени рабочего режима (t = 500–3000 мс);
большой диапазон чисел Маха М = 2–7, который реализуется за счет применения набора профилированных сопел диаметром 100 мм;
может быть использована как источник высокоэнтальпийного газа в конфигурации с присоединенным воздухопроводом для испытаний камер сгорания ВРД.

Достижения и награды

1999

Шиплюк А.Н. Премия имени академика В.В. Струминского за работы в области аэродинамики среди молодых ученых СО РАН.

2010

Наливайченко Д.Г. Занесение на доску почёта г. Новосибирска «За плодотворную профессиональную и творческую деятельность на благо города».

2011

Наливайченко Д.Г. Стипендия организаций оборонно-промышленного комплекса Российской Федерации (2011-2013).

2014

Мельников А.Ю. Стипендия Правительства РФ для студентов образовательных организаций высшего образования и аспирантов очной формы обучения на 2014 / 2015 учебный год.

2015

Звегинцев В.И. Премия имени профессора Н.Е. Жуковского второй степени.

Контакты

ШИПЛЮК Александр Николаевич

директор Института, заведующий лабораторией № 5

член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук

тел. (383) 330-24-64, факс (383) 330-72-68

Эл. почта: shiplyuk@itam.nsc.ru

Лаб. 6. Физики многофазных сред

Косарев Владимир Федорович

заведующий лабораторией, д.ф-м.н.

Заведующий лабораторией физики многофазных сред

д.ф.-м.н. Косарев Владимир Федорович

тел: (383) 354-30-43

е-mail: vkos [at] itam.nsc.ru

Направления научных исследований

Научные основы газодинамического напыления:

Процессы ускорения мелкодисперсных частиц в сверхзвуковых соплах.
Физические процессы при натекании сверхзвуковых двухфазных струй на преграду.
Высокоскоростное деформирование и адгезионное взаимодействие с преградой мелко- и ультрадисперсных частиц.
Численное моделирование процессов ускорения и торможения микро- и наночастиц в методе холодного газодинамического напыления (ХГН) на основе модели вязкого, турбулентного теплопроводного газа и континуально-дискретной модели для частиц.
Численное моделирование взаимодействия микро- и наночастиц с преградой (прилипания частицы к преграде, пластическая деформация и разрушение частицы при взаимодействии с преградой) на основе упругопластических моделей сплошных сред (для микрочастиц) и методом молекулярной динамики (для наночастиц).
Математическое моделирование физико-механических процессов при ХГН.

Новые материалы и технологии на основе газодинамического напыления:

Компактирование новых материалов с заданными свойствами. Поисковые исследования возможности создания материалов из механических смесей мелко- и ультрадисперсных частиц, в том числе с использованием химических реакций (СВС).
Разработка установок и технологических процессов формирования покрытий различного назначения.
Экспериментальное исследование холодного газодинамического напыления функциональных покрытий из металлических и металлокерамических порошков и изучение свойств покрытий.

Важнейшие научные результаты

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.

2. Для нанесения многокомпонентных покрытий в оптимальном режиме для всех компонентов смеси впервые разработана и реализована схема соплового узла, позволяющая формировать металлокерамические смеси непосредственно в тракте сопла.

Как правило, композитные покрытия наносятся путем напыления заранее приготовленных смесей. В этом случае частицы всех компонентов смеси достигают скоростей и температур, которые могут являться эффективными для напыления одного компонента смеси, но неэффективными для напыления другого. Наиболее эффективным будет являться способ нанесения многокомпонентных покрытий, в котором удастся реализовать нагрев и ускорение каждого компонента смеси в диапазоне необходимых ему температур и скоростей. Один из вариантов реализации такого способа – раздельное инжектирование каждого компонента смеси в разные области потока газа. Схема соплового узла, позволяющего реализовать раздельное инжектирование компонентов смеси представлена на рисунке.

Схема соплового узла с двумя точками ввода порошка

В случае инжекции порошка меди в первую (дозвуковая область), а алюминия во вторую точку ввода (сверхзвуковая область), их параметры при вылете из сопла отличаются друг от друга и являются оптимальными для каждого компонента.

Данный сопловой узел позволяет также наносить металлокерамические покрытия. В этом случае в первую точку ввода инжектируются частицы металла, а во вторую точку ввода – порошок керамики. Такой ввод керамики в сверхзвуковую область за критическим сечением позволяет избежать эрозии стенок сопла в критическом сечении.

3. В результате проведенного численного и экспериментального моделирования сварки взрывом предложено одно из возможных объяснений проблемы волнообразования при сварке взрывом металлических пластин, поставленной М.А. Лаврентьевым еще в 60-х годах прошлого века. Показано, что образование волн происходит в окрестности точки контакта пластин в области повышенного давления и обусловлено автоколебаниями точек приложения сил от верхней и нижней пластины при их соударении. Результат получен совместно с ИМ СО РАН и ИГиЛ СО РАН.

На приведенных рисунках представлены картины косого соударения металлических пластин. Зарождение волн происходит в области повышенного давления в окрестности точки контакта и связано со смещением точек приложения сил, совпадающих с точками растекания струй (в выделенной области металл ведет себя как вязкая жидкость). В дальнейшем эти точки периодически меняются местами, создавая волны, которые «замораживаются» после выхода из выделенной области, где материал ведет себя уже упругим образом.

Косое соударение металлических пластин. Результаты полученные: а - в численном расчете методом Годунова по релаксационной модели Максвелла, б - методом молекулярной динамики на основе многочастичного ЕАМ потенциала, в - в эксперименте – методом импульсной рентгенографии.

На рисунке г штриховой линией выделена точка контакта.

4. Впервые для высокопроизводительного нанесения защитного покрытия методом холодного газодинамического напыления на внутреннюю поверхность цилиндрических труб предложено радиальное сверхзвуковое сопло, позволяющее исключить вращение трубы.

Расчет скорости соударения частиц алюминия различного диаметра при использовании такого сопла показал, что оптимальный размер частиц, при котором удается получить максимальную скорость удара и, соответственно, эффективность напыления, находится в диапазоне 5 – 10 мкм.

На рисунке показан экспериментальный образец, полученный при использовании радиального

сопла с диаметром критического сечения 18 мм, диаметром выходного 72 мм,

длиной сверхзвукового участка 27 мм. Порошок алюминия (10 – 40 мкм) напылялся на внутреннюю поверхность трубы при использовании закрученного течения.

5. Методом ХГН получены и изучены свойства пористых каталитических покрытий на основе оксида алюминия.

6. Изучены закономерности формирования ХГН покрытий за маской в виде отдельной стальной нити диаметром от 1 до 0.3 мм. Показано, что на процесс влияет распределение частиц по углу в струе, а также эффект задержки напыления.

7. На примере получения методом ХГН композитных покрытий из смеси порошков алюминия и меди показано, что в присутствии частиц алюминия коэффициент напыления частиц меди увеличивается даже в условиях напыления (температуре и давлении торможения воздуха), когда при отсутствии частиц алюминия он близок к нулю.

8. Экспериментально показана возможность восстановления элементов конструкции планера воздушных судов при коррозионных повреждениях путем наращивания алюминиевого покрытия на местах повреждения методом ХГН.

9. Отработаны режимы нанесения алюминиевых покрытий методом ХГН на поверхности материалов с низкой эрозионной стойкостью (кирпич, бетон и др.) Показано, что для этого необходимо уменьшать скорость удара частиц (путем уменьшения давления торможения воздуха и применения специализированных сопловых узлов) в противоположность сложившемуся мнению, что для успешного получения покрытий методом ХГН необходимо увеличивать скорость частиц.

10. Показана возможность создания гетерогенных материалов на основе порошков карбида бора и никеля методом ХГН с последующей обработкой методом лазерной наплавки.

11. Разработана технология получения толстых слоев меди на керамические материалы из оксида и нитрида алюминия для создания плат силовой электроники (получен патент).

12. Изучено влияние скорости перемещения сопла и расхода порошка на массу покрытия и коэффициент напыления при ХГН. Показано, что имеется оптимальная скорость перемещения, при которой коэффициент напыления максимален, а при ее увеличении или уменьшении он падает.

13. Построена модель формирования покрытия методом ХГН с учетом изменения угла удара частиц. С ее помощью подтверждены экспериментальные факты, что профиль одиночной дорожки покрытия с увеличением его толщины принимает треугольную форму, что препятствует дальнейшему его наращиванию. Также подтверждено, что изменяя угол установки сопла можно наращивать покрытие в высоту практически не меняя его ширину.

Публикации

Монографии, главы в монографиях

Бузник В.М., Фомин В.М., Алхимов А.П., Игнатьева Л.И., Цветников А.К., Кудрявый В.Г., Косарев В.Ф., Губин С.П., Ломовский О.И., Охлопкова А.А., Уваров Н.Ф., Клинков С.В., Шабалин И.И. Металлополимерные нанокомпозиты (получение, свойства, применение). Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005. 60 с. (Интеграционные проекты СО РАН; Вып. 2).
Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Плохов А.В. Научные основы технологии холодного газодинамического напыления (ХГН) и свойства напыленных материалов. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. 280 с. (Монографии НГТУ).
Балохонов Р.Р., Болеста А.В., Бондарь М.П., Головнев И.Ф., Головнева Е.И., Дмитриев А.И., Зольников К.П., Игуменов И.К., Исмагилов З.Р., Карпушин А.А., Картаев Е.В., Коротаев А.Д., Корчагин М.А., Косарев В.Ф., Кузьмин Г.Е., Лаврушин В. и др. Поверхностные слои и внутренние границы раздела в гетерогенных материалах / Отв. ред. Панин В.Е.; Рос. акад. наук, Сиб. отд-ние, Ин-т физики прочности и материаловедения [ и др.]. -Новосибирск: Изд во СО РАН, 2006. 520 с. (Интеграционные проекты СО РАН ; Вып.8.).
Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф., Фомин В.М. Холодное газодинамическое напыление : теория и практика : монография / под ред. В.М. Фомина. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. 536 с.
Papyrin A., Kosarev V., Klinkov S., Alkhimov A., Fomin V. Cold Spray Technology. Elsevier, 2007. 336 p. [ISBN 008046548X, 9780080465487.]
Kosarev V.F., Klinkov S.V., Papyrin A.N. et al. The Cold Spray materials deposition process. Fundamentals and applications. Cambridge [England]: Woodhead Publishing Ltd, 2007. 362 p.
Фомин В.М., Гулидов А.И., Сапожников Г.А., Шабалин И.И., Бабаков В.А., Куропатенко В.Ф., Киселев А.Б., Тришин Ю.А., Садырин А.И., Киселев С.П., Головнев И.Ф. Высокоскоростное взаимодействие тел / Отв. ред. В.М. Фомин Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999. 600 с.
Киселев С.П., Руев Г.А., Трунев А.П., Фомин В.М., Шавалиев М.Ш. Ударно-волновые процессы в двухкомпонентных и двухфазных средах / Отв. ред. Ю.И. Шокин. Новосибирск: ВО "Наука". Сиб. издат. фирма, 1992. 261 с.
Киселев С.П. Механика сплошных сред : Курс лекций для магистров ФЛА НГТУ. Новосибирск: : Изд-во НГТУ, 1997. 102 с.
Киселев С.П. Сборник задач по теоретической аэрогидромеханике : Учеб. пособие для студентов НГТУ. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1994. 121 с.
Киселев С.П. Физика многофазных сред : Учеб. пособие для студентов НГУ. Ч.1. Новосибирск: Изд-во НГУ, 1999. 83 с.
Киселев С.П. Физика многофазных сред : Учеб. пособие для студентов НГУ. Ч.2. Новосибирск: Изд-во НГУ, 1999. 95 с.
Годунов С.К., Киселев С.П., Куликов И.М., Мали В.И. Моделирование ударно-волновых процессов в упругопластических материалах на различных (атомный, мезо и термодинамический) структурных уровнях. М.-Ижевск: Ижевский институт компьютерных исследований, 2014. 296 с.
Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф., Фомин В.М. Высокоскоростные гетерогенные потоки — основа технологий холодного газодинамического напыления Проблемы и достижения прикладной математики и механики : к 70-летию академика В.М. Фомина : cб. науч. трудов / ред. кол. : Федоров А.В. (отв. ред.) и др. Новосибирск: Параллель, 2010. С. 443-455.
Фомин В.М., Косарев В.Ф., Клинков С.В. Перспективы применения электропроводящих ХГН-покрытий на железнодорожном транспорте // Фундаментальные исследования для долгосрочного развития железнодорожного транспорта : сборник трудов членов и научных партнеров Объединенного ученого совета ОАО "РЖД" / под ред. Б. М. Лапидуса. М., 2013. С. 64-77.

Публикации в журналах

Klinkov S.V., Kosarev V.F., Sova A.A., Smurov I. Calculation of particle parameters for cold spraying of metal-ceramic mixtures // Journal of Thermal Spray Technology. 2009. Vol. 18, No. 5-6. P. 944-956. DOI: 10.1007/s11666-009-9346-x
Sova A., Kosarev V.F., Papyrin A., Smurov I. Effect of ceramic particle velocity on cold spray deposition of metal-ceramic coatings // Journal of Thermal Spray Technology. 2011. Vol. 20, No. 1-2. P. 285-291. DOI: 10.1007/s11666-010-9571-3
Klinkov S.V., Kosarev V.F., Zaikovskii V.N. Influence of flow swirling and exit shape of barrel nozzle on cold spraying // Journal of Thermal Spray Technology. 2011. Vol. 20, No. 4. P. 837-844. DOI: 10.1007/s11666-011-9621-5
Klinkov S.V., Kosarev V.F. Cold spraying activation using an abrasive admixture // Journal of Thermal Science and Technology. 2012. Vol. 21, No. 5. P. 1046-1053.
Sova A.A., Klinkov S.V., Kosarev V.F., Ryashin N.S., Smurov I. Preliminary study on deposition of aluminium and copper powders by cold spray micronozzle using helium // Surface and Coatings Technology. 2013. Vol.220. P. 98-101.
Kiselev S.P. Molecular dynamics simulation of dynamic fracture of copper - molybdenum composite nanoparticles // Physical Mesomechanics. 2009. Vol.12, No. 1.-2. P. 1-10. DOI: 10.1016/j.physme.2009.03.001
Kiselev S.P., Kiselev V.P Numerical simulation of nanoparticle acceleration in a Laval micronozzle with subsequent deceleration in a wall compression layer // International Journal of Aerospace Innovations. 2009. Vol. 1, No. 3. P. 117-127. DOI: 10.1260/175722509789685856
Belay O.V., Kiselev S.P. Molecular dynamics simulation of deformation and fracture of a "copper-molybdenum" nanocomposite plate under uniaxial tension // Physical Mesomechanics. 2011. Vol. 14, No. 3-4. P. 145-153. DOI: 10.1016/j.physme.2011.08.005
Kiselev S.P., Zhirov E.V. Molecular dynamics simulation of deformation and fracture of graphene under uniaxial tension // Physical Mesomechanics. 2013. Vol. 16, No. 2. P. 125-132.
Kiselev S.P. Molecular dynamics simulation of deformation in plates on their oblique impact // Physical Mesomechanics. 2013. Vol. 16, No. 4. P. 303-311.
Shikina N., Podyacheva O., Kosarev V., Ismagilov Z. Formation and Study of Porous Alumina and Catalytic Coatings by the Use of Cold Gas Dynamic Spraying Method // Materials and Manufacturing Processes. 2016. Vol. 31, No. 11. P. 1521-1526. Impact Factor 2.274. http://dx.doi.org/10.1080/10426914.2015.1037902
S.P. Kiselev, V.P. Kiselev, S.V. Klinkov, V.F. Kosarev, V.N. Zaikovskii Study of the gas-particle radial supersonic jet in the cold spraying // Surface & Coatings Technology. 2017. Vol. 313. P. 24–30. Impact factor 2.589, https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.01.046
Косарев В.Ф., Полухин А.А., Ряшин Н.С., Фомин В.М., Шикалов В.С. Влияние состава порошковой смеси на коэффициент напыления и свойства Ni + B4C покрытий ХГН // Механика твердого тела. 2017. № 4. С. 127-134. http://mtt.ipmnet.ru/ru/Issues.php?y=2017&n=4&p=127
Непочатов Ю.К., Косарев В.Ф., Ряшин Н.С., Меламед Б.М., Шикалов В.С., Клинков С.В., Красный И., Кумачева С.А. Разработка технологии нанесения толстых слоёв меди на керамические материалы из оксида и нитрида алюминия // Современная электроника. 2018. No. 1. С. 30-35.
Klinkov S.V., Kosarev V.F., Shikalov V.S. Influence of nozzle velocity and powder feed rate on the coating mass and deposition efficiency in cold spraying // Surface and Coatings Technology. 2019. Vol. 367. P. 231-243. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.04.004

Технологические разработки (патенты)

Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Нестерович Н.И., Папырин А.Н. Способ снижения сопротивления затупленного тела. А. с. № 1228579, кл. F15D 1/10, В64С 23/00, опубл. 1986.
Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Нестерович Н.И., Папырин А.Н. Шушпанов М.М. Устройство для нанесения покрытий. А. с. № 1327569, 1988.
Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Нестерович Н.И., Папырин А.Н. Способ получения покрытий. А. с. № 1485664, 1988.
Патент РФ №1674585. Устройство для нанесения покрытий напылением / Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Папырин А.Н. // БИ. 1993. № 18. С. 195.
Патент РФ №1618777. Устройство для нанесения покрытия / Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Нестерович Н.И., Папырин А.Н., Шушпанов М.М. // БИ. 1991. № 1. С. 77.
Патент РФ №1618778. Способ получения покрытия / Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Нестерович Н.И., Папырин А.Н. // БИ. 1991. № 1. С. 77.
Патент РФ №1603581. Устройство для нанесения покрытия / Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Нестерович Н.И., Папырин А.Н. // БИ. 1994. № 23. С. 196.
Патент РФ №1773072. Способ нанесения металопорошковых покрытий / Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Нестерович Н.И., Папырин А.Н. // БИ. 1995. № 7. С. 262.
United States Patent № 5,302,414. Gas-dynamic spraying method for applying coating / Alkhimov A.P., Kosarev V.F., Nesterovich N.I., Papyrin A.N., Shushpanov M.M. // Official Gazette. 1994. Vol. 1161, № 2.
European Patent № 0 484 533 A1. Method and device for coating / Alkhimov A.P., Kosarev V.F., Nesterovich N.I., Papyrin A.N., Shushpanov M.M. // Europian Patent Bullitin. 1992. № 20.
Патент РФ № 2010619. Устройство для нанесения покрытий / Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Папырин А.Н. // БИ. 1994. № 7. С. 32.
Патент РФ № 2075535. Установка для нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубы / Алхимов А.П., Гуляев В. П., Демчук А.Ф., Косарев В.Ф., Ларионов В.П., Спесивцев В.П. // БИ. 1997. № 8. С. 184-185.
Патент РФ № 2096877. Электротехническое соединительное изделие / Алхимов А.П., Демчук А.Ф., Косарев В.Ф., Кожевников В.Е. // БИ. 1997. № 32 (II ч). С. 376.
Reexamination Certificate, United States Patent № 5,302,414 Gas-Dynamic Spraying Method for Applying Coating / Alkhimov A.P., Kosarev V.F., Nesterovich N.I., Papyrin A.N., Shushpanov M.M. // Official Gazette. Feb. 25, 1997.
Патент РФ № 2190695. Устройство газодинамического напыления порошковых материалов / Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Лаврушин В.В., Алхимов О.А. // БИПМ. 2002. № 28 (II ч). С. 317.
Патент РФ № 2247174. Устройство газодинамического напыления порошковых материалов / Косарев В.Ф., Лаврушин В.В., Спесивцев В.П., Сюн Тяньин, У Цзе, Цзинь Хуацзы // БИПМ. 2005. № 6.
Косарев В.Ф., Лаврушин В.В., Спесивцев В.П., Сюн Тяньин, У Цзе, Цзинь Хуацзы Устройство газодинамического напыления порошковых материалов. Патент КНР 1603008, 28.04.2004 г.
Alkhimov A.P., Kosarev V.F., Alkhimov O.A., Lavrushin V.V. Device for Gas Dynamic Deposition of Powder Materials. India patent N 198651, 2006.
Патент РФ № 2334827. Устройство газодинамического напыления порошковых материалов / Косарев В.Ф., Клинков С.В., Лаврушин В.В., Сова А.А. // БИПМ. 2008. № 27.
European Patent № 1 925 693 A2. Method and device for coating / Alkhimov A.P., Kosarev V.F., Klinkov S.V., Lavrushin V.V., Sova A.A., Laget B., Bertrand P., Smurov I. // Europian Patent Bullitin. 2008. № 22.
Патент РФ № 2353705. Способ газодинамического напыления порошковых материалов и устройство для его реализации / Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Клинков С.В., Лаврушин В.В., Сова А.А., Лаже Б., Бертран Ф., Смуров И // БИПМ. 2009. № 12.
Патент РФ № 2353706. Способ изготовления функциональной поверхности / Алхимов А.П., Фомин В.М., Косарев В.Ф., Артеменко Ю.Н., Парщиков А.А., Гиммельман В.Г., Кучинский Г.С., Мозгов А.П., Кабанов Е.Б., Бондаренко С.М. // БИПМ. 2009. № 12.
Патент РФ № 2396371. Способ газодинамического напыления порошковых материалов и устройство для его реализации (Варианты) / Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Клинков С.В., Меламед Б.М., Зайковский В.Н. // БИПМ. 2010. № 22.
Патент РФ № 2399694. Способ газодинамической обработки поверхности порошковым материалом и устройство для его реализации / Косарев В.Ф., Клинков С.В., Лаже Б., Бертран Ф., Смуров И // БИПМ. 2010. № 26.
Патент РФ № 2399695. Способ напыления высокодисперсных порошковых материалов и устройство для его осуществления / Алхимов А.П., Фомин В.М., Косарев В.Ф., Клинков С.В. // БИПМ. 2010. № 26.
European Patent № 2 202 332 B1. The method of gas-dynamic acceleration of powder particles and device for its realization / Kosarev V.F., Klinkov S.V., Laget B., Bertrand P., Smurov I. // Europian Patent Bullitin. 2012. № 13.
Патент РФ № 2468123. Устройство для газодинамического напыления порошкового материала (Варианты) и способ напыления порошкового материала / Зайковский В.Н., Клинков С.В., Косарев В.Ф., Меламед Б.М., Трубачеев Г.В. // БИПМ. 2012. № 23.
Патент РФ № 24689519. Способ напыления покрытий на изделие из натурального камня или из металлического материала и устройство для его осуществления / Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Лаврушин В.В., Бондаренко С.М., Дегтярев М.А. // БИПМ. 2013. № 22.
Патент РФ № 2490237. Металлизированная керамическая подложка для электронных силовых модулей и способ металлизации керамики / Непочатов Ю.К., Кумачева С.А., Косарев В.Ф., Медведко О.В. // БИПМ. 2013. № 23.
Патент РФ № 2503745 Устройство газодинамического напыления на внутренние цилиндрические поверхности изделий / Косарев В.Ф., Зайковский В.Н, Клинков С.В. // БИПМ. 10.01.2014. № 1.
Патент РФ № 2505622 Устройство газодинамического нанесения покрытий на внешние цилиндрические поверхности изделий / Косарев В.Ф., Клинков С.В. // БИПМ. 27.01.2014. № 3.
Патент РФ № 2506345 Способ получения медного покрытия на керамической поверхности газодинамическим напылением / Мищенко А.В., Федоров В.Е., Наумов Н.Г., Тарасенко М.С., Фомин В.М., Косарев В.Ф., Клинков С.В., Лаврушин В.В., Трубачеев Г.В. // БИПМ. 10.02.2014. № 5.
Патент РФ № 2687598 Способ металлизации керамики под пайку / Непочатов Ю.К., Косарев В.Ф., Ряшин Н.С., Меламед Б.М., Шикалов В.С., Клинков С.В., Красный И.Б., Кумачева С.А. // БИПМ. 15.05.2019. № 14.

Список высокотехнологичного оборудования лаборатории № 6

- Бесконтактный оптический интерференционный профилометр ContourGT-K1 Stitching System (Bruker, США).

- Лазерный дифракционный анализатор размеров частиц LS 13 320 Laser (Beckman Coulter, США).

- Линия металлографической пробоподготовки Presi (Франция), включающая автоматические отрезные и шлифовально-полировальные машины, заливочный пресс, а также установку электроэрозионного травления.

- Оптический микроскоп Axio Scope.A1 (Carl Zeiss, Германия).

- Универсальная испытательная машина ProLine Z005 (Zwick/Roell, Германия).

- Универсальная машина механических испытаний UMT-2M (Bruker, США).

- Установка ионного травления Ilion+ Masked Planar Ion Beam Milling System (Gatan, США).

- Установка холодного газодинамического напыления с системой позиционирования на базе 6-осевого промышленного робота KR-16 (Kuka, Германия).

Достижения и награды

Премия правительства РФ в области науки и техники за 2010 г.
Почетная грамота РАН и профсоюза работников РАН - 2 (Меламед Б.М., 2004, Косарев В.Ф., 2007).
Медаль имени генерального конструктора Л.Н. Лаврова Федерации космонавтики Российской Федерации – Меламед Б.М. (2004)
Медаль имени К.Э. Циолковского Федерации космонавтики Российской Федерации – Меламед Б.М. (2014)
Почетная грамота Губернатора Новосибирской области - 2 (Меламед Б.М., 2004, Косарев В.Ф., 2018)
«Заслуженный ветеран СО РАН» - 6 (Косарев В.Ф., Меламед Б.М., Клинков С.В., Киселев С.П., Киселев В.П., Зайковский В.Н.)
Стипендия Президента РФ для аспирантов – Шикалов В.С. (2018-2019 гг.)

Гранты и контракты

Проект РНФ

Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» 35

№ 19-00335 «Разработка научных основ создания порошковых материалов для нанесения покрытий методом холодного газодинамического напыления».

Руководитель проекта: д.ф.-м.н. Косарев В. Ф.

Гранты РФФИ

1. Грант РФФИ № 12-08-00621-а (2012-2014) «Исследование процессов активации холодного газодинамического напыления».

Руководитель проекта: д.ф.-м.н. Косарев В. Ф.

2. Грант РФФИ № 14-01-00352-а (2014-2016) «Исследование процессов синтеза интерметаллидов при динамическом нагружении микро и нано - порошков».

Руководитель проекта: д.ф.-м.н. Киселев С.П.

3. Грант РФФИ № 15-08-04129-а (2015-2017) «Исследование влияния прочностных и структурных свойств подложки на процесс холодного газодинамического напыления (ХГН)».

Руководитель проекта: д.ф.-м.н. Косарев В. Ф.

4. Грант РФФИ № 16-38-00832- мол_а (2016-2017) «Создание комбинированными методами лазерной наплавки и порошкового напыления новых композитных материалов и покрытий, упрочненных внутренними трехмерными структурами».

Руководитель проекта: м.н.с. Ряшин Н.С.

Междисциплинарный интеграционный проект СО РАН № 15 (2012 – 2014 гг.)

«Новые радиопоглощающие покрытия: синтез материалов, холодное газодинамическое нанесение и изучение свойств».

Научный координатор: д.ф.-м.н. Косарев В. Ф. (ИТПМ СО РАН).

Сотрудничество с другими организациями, в том числе международными

• РОССИЯ: МАИ им. С. Орджоникидзе (Москва);

Хабаровский научный центр;

ИФПМ СО РАН (Томск);

Западно-Сибирский металлургический комбинат (Новокузнецк);

ИХТТиМС СО РАН (Новосибирск);

ИГиЛ СО РАН (Новосибирск);

Новосибирская государственная академия водного транспорта;

Сибирская государственная академия путей сообщения (Новосибирск);

НМЗ им. Кузьмина (Новосибирск);

ОАО «ИСКРА» (Пермь);

ООО «Нанокерамикс» (Новосибирск).

• ГЕРМАНИЯ: Институт механики жидкостей DLR (Геттинген).

• КИТАЙ: Институт исследования металлов КАН (Шэньян). (China: Institute of Metal Research Chinese Academy of Sciences, Shenyang);

Пекинский институт авиационных материалов ПИАМ (Пекин);

Хэйлудзянский университет (Харбин).

• ИНДИЯ: Международный исследовательский центр передовых технологий порошковой металлургии и новых материалов (Хайдарабад). (India: International Advanced Center of Powder Metallurgy and New Materials, Hyderabad).

• ФРАНЦИЯ: Национальная инженерная школа (Сент-Этьен).

Лаб. 7. Вычислительной аэродинамики

Бондарь Евгений Александрович

заведующий лабораторией, к.ф.-м.н.

заведующий Лабораторией вычислительной аэродинамики
к.ф.-м.н. Бондарь Евгений Александрович
тел.: (383) 330-81-63
e-mail:bond [at] itam.nsc.ru

Направления научных исследований

1. Развитие численных методов и алгоритмов решения задач вычислительной аэродинамики на базе
• континуального подхода (уравнения Эйлера, уравнения Навье-Стокса и т.д.),
• кинетического подхода (уравнение Больцмана, метод прямого статистического моделирования, модельные кинетические уравнения, метод пробных частиц),
в том числе в применении к расчетам на гибридных (ЦПУ/ГПУ) суперкомпьютерах.

2. Разработка пакетов программ для решения прикладных аэродинамических задач в интересах отечественной аэрокосмической промышленности.

Системы для моделирования высотной аэродинамики, разработанные в лаборатории вычислительной аэродинамики ИТПМ СО РАН.

3. Аэротермодинамика космических аппаратов в режимах от течения от свободномолекулярного до континуального, в том числе для условий спуска со второй космической скоростью

Поле течения около космического аппарата "Клипер". Изолинии температуры.

4. Орбитальная аэродинамика: Применения экранов для создания высокого вакуума («Экран», «Ока-Т»), истечение струй двигателей управления, и т.д.

Проект "Экран". Поля плотности.

Усовершенствование и валидация молекулярных моделей (в том числе полученных из первых принципов) физико-химических процессов в задачах высотной аэротермодинамики

Схема летного эксперимента RAM-C II и сравнение плотности электронов с результатом расчетов.

Физика ударных и детонационных волн: структура фронта очень сильных УВ с учетом эффектов реального газа, УВ на микромасштабах, взаимодействие УВ с акустическими возмущениями

Изоповерхности градиента плотности. Моделирование детонационной волны в канале квадратного сечения.

Прямое численное моделирование ламинарно-турбулентного перехода в высокоскоростных пограничных и сдвиговых слоях, в том числе с учетом эффектов реального газа

Неустойчивость пограничного слоя на плоской пластине M = 6, изоповерхности завихренности (Q-критерий).

Публикации

Kudryavtsev A., Shershnev A., Rybdylova O.
Numerical simulation of aerodynamic focusing of particles in supersonic micronozzles
International Journal of Multiphase Flow. 2019. Vol. 114. P. 207-218.
doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2019.03.009

Molchanova A.N., Kashkovsky A.V., Bondar Y.A.
Surface recombination in the direct simulation Monte Carlo method
Phys. Fluids. 2018. Vol. 30, No. 10. Art. 107105. 18 p.
doi.org/10.1063/1.5048353

Shoev G.V., Oblapenko G., Kunova O., Mekhonoshina M., Kustova E.
Validation of vibration-dissociation coupling models in hypersonic non-equilibrium separated flows
Acta Astronautica. 2018. Vol. 144. P. 147–159
doi.org/10.1016/j.actaastro.2017.12.023

Stanly R., Shoev G.V.
Detailed analysis of recent drag models using multiple cases of monodisperse fluidized beds with Geldart-B and Geldart-D particles
Chemical Engineering Science. 2018. Vol. 188. P. 132-149
doi.org/10.1016/j.ces.2018.05.030

Schweigert I.V., Burton T.S., Thompson G.B., Langendorf S., Walker M.L.R., Keidar M.
Plasma interaction with emmissive surface with Debye-scale grooves
Plasma Sources Sci. Technol.2018. Vol. 27, No. 4. Art. No. 045004
doi.org/10.1088/1361-6595/aab6d8

Bokhan P.A., Gugin P.P., Lavrukhin M.A., Schweigert I.V., Alexandrov A.L., Zakrevsky D.E.
Limit characteristics of switches based on planar open discharge
Journal of Physics D: Applied Physics. 2018. Vol. 51, No. 40, Art. No. 404002. 11 p.
doi.org/10.1088/1361-6463/aad73f

Timokhin M.Yu., Struchtrup H.H., Kokhanchik A.A., Bondar Ye.A.
Different variants of R13 moment equations applied to the shock-wave structure
Phys. Fluids. 2017. Vol. 29, No. 3. Art. No. 037105.
doi.org/10.1063/1.4977978

Schweigert I.V., Keidar M.
Periodical plasma structures controlled by external magnetic field
Plasma Sources Sci. Technol. 2017. Vol. 26, No. 6. Art. No. 064001.
doi.org/10.1088/1361-6595/aa6cfc

Schweigert I.V., Alexandrov A.L., Bokhan P.A., Zakrevsky D.E.
Breakdown in helium in high-voltage open discharge with subnanosecond current front rise.
Plasma Physics Reports. 2016. Vol. 42, No. 7. P. 666-677.
doi.org/10.1134/S1063780X16070096

Shershnev A.A., Kudryavtsev A.N.
Kinetic simulation of near field of plume exhausting from a plane micronozzle
Microfluidics and Nanofluidics. 2015. Vol. 19, No. 1. P. 105-115.
doi.org/10.1007/s10404-015-1553-9

Malkov E.A., Bondar Ye.A., Kokhanchik A.A., Poleshkin S.O., Ivanov M.S.
High-accuracy deterministic solution of the Boltzmann equation for the shock wave structure.
Shock Waves. 2015. Vol. 25, No. 4. P.387-397.
doi.org/10.1007/s00193-015-0563-6

Schweigert I.V.
Mode transition in miniature dc discharge driven by an auxiliary electrode
Plasma Sources Sci. Technol. 2015. Vol. 24. Art. No. 24034003.
doi.org/10.1088/0963-0252/24/3/034008

Schweigert I.V., Alexandrov A.L., Zakrevsky Dm.E., Bokhan P.A.
Breakdown development in helium in high-voltage open discharge with subnanosecond current front
Plasma Sources Sci. Technol. 2015. Vol. 24. Art. No. 044005.
doi.org/10.1088/0963-0252/24/4/044005

Timokhin M.Yu., Bondar Ye.A., Kokhanchik A.A.
Study of the Shock Wave Structure by Regularized Grad's Set of Equations
Phys. Fluids. 2015. Vol. 27. Art. No. 037101.
doi.org/10.1063/1.4913673

Wysong I., Gimelshein S., Bondar Ye., Ivanov M.
Comparison of direct simulation Monte Carlo chemistry and vibrational models applied to oxygen shock measurements
Phys. Fluids. 2014. Vol. 26. Art. No. 043101.
doi.org/10.1063/1.4871023

Численный инструментарий

Высотная аэротермодинамика

Системы для моделирования высотной аэродинамики, разработанные в ИТПМ СО РАН.

RAMSES
SCARAB
SMILE
RuSat

Континуальные солверы

- CFS3D
- HyCFS

Важнейшие результаты

Разработан, верифицирован и валидирован пакет программ SMILE+GPU, предназначенный для расчетов высокоэнтальпийных разреженных неравновесных течений методом прямого статистического моделирования Монте-Карло с использованием технологии CUDA программирования графических процессорных устройств.
Разработан подход к описанию поверхностной рекомбинации, процесса оказывающего определяющее влияние на аэротермодинамику спускаемых космических аппаратов, в рамках метода прямого статистического моделирования Монте-Карло (ПСМ). Подход основан на использовании для построения моделей метода ПСМ детальных макроскопических моделей, в которых поверхностные химические процессы описываются на уровне коэффициентов скоростей различных поверхностных химических процессов (адсорбции, десорбции, различных механизмов рекомбинации). На основе решения обратной задачи находится информация о перечисленных процессах на уровне параметров отдельных молекул (в частности, их скорости).
На основе прямого численного моделирования проведено исследование линейных и нелинейных стадий развития неустойчивых двумерных и трехмерных возмущений различных мод и начала ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое на плоской пластине при числе Маха потока M = 6.
Разработан расчетный код HyCFS для численного решения полных нестационарных уравнений Навье–Стокса сжимаемого газа с использованием технологии CUDA программирования графических процессорных устройств. Kод основан на современных схемах сквозного счета высокого порядка точности (WENO, TVD) и адаптирован для проведения расчетов на гетерогенных вычислительных кластерах, в которых на каждом вычислительном узле установлено несколько ГПУ. Код лежит в основе разрабатываемого в настоящий момент пакета программ для расчета

Достижения и награды

Иванов М.С., Кудрявцев А.Н., Хотяновский Д.В. - Премия имени А.Н. Крылова за серию работ "Гистерезис перехода между регулярным и маховским отражением стационарных ударных волн", 2007 г.
Бондарь Е.А. - Премия СО РАН им. академика М.Ф. Решетнева для молодых ученых в области механики и космического машиностроения, 2008 г.
Шоев Г. В. - Лауреат конкурса "Лучшие аспиранты РАН" 2010 г.
Шевырин А.А. - Премия СО РАН им. академика М.Ф. Решетнева для молодых ученых в области механики и космического машиностроения, 2011 г.
Бондарь Е.А., Шевырин А.А., Кашковский А.В., Иванов М.С. - Награда Американского института аэронавтики и астронавтики за лучшую работу в области теплофизики (AIAA Thermophysics Best Paper), 2011.
Молчанова А.Н. - Стипендия президента РФ 2013-2014 и Стипендия Правительства РФ 2012-2013 по приоритетным направлениям модернизации российской экономики, Стипендии компании Schlumberger 2012, 2013, Финалистка стипендиальной программы Google Anita Borg Memorial Scholarship Program 2012.
Кашковский А.В., Шершнев А.А., Ващенков П.В. - Конкурс CUDA Center of Excellence МГУ и компания NVIDIA «GPU: серьезные ускорители для больших задач 2013». Победа в номинации «Промышленная задача», 2-е место в номинации "Выбор журнала Суперкомпьютеры".
Молчанова А.Н. - Стипендия Президента РФ для молодых учёных 2016–2018.
Бондарь Е.А. - Медаль федерации космонавтики России имени академика В.П. Макеева, 2017.

Лаб. 8. Аэрофизических исследований дозвуковых течений

Козлов Виктор Владимирович

заведующий лабораторией: д.ф.-м.н. проф.

Заведующий лабораторией: д.ф.-м.н. проф. Козлов Виктор Владимирович
тел.: (383) 330-42-78
e-mail:kozlov [at] itam.nsc.ru

Направления научных исследований

1. Экспериментальное исследование возникновения и развития возмущений в двух- и трёхмерных пограничных слоях.

2. Исследование локализованных вихревых структур в переходных сдвиговых потоках.

3. Исследование топологии течений и развития возмущений в отрывных потоках.

4. Управление сдвиговыми потоками.

5. Физико-химическая механика наносистем и наноматериалов.

Важнейшие результаты

1. Диффузионное горение микроструи водорода
Исполнители: Г.Р. Грек, В.В. Козлов, Ю.А. Литвиненко, А.Г. Шмаков

Экспериментально обнаружено новое физическое явление микроструйного диффузионного горения водорода с нагревом сопла, обеспечивающие стабилизацию горения вплоть до трансзвуковых скоростей истечения водорода.

Обнаруженный режим, может быть использован, для различных технологических целей, таких как организация эффективного перемешивания различных потоков и их подогрев. В таком режиме сгорает только небольшая часть водорода, а остальная смешивается с продуктами горения и воздухом, в результате чего температура такой смеси может варьироваться (путем подбора скорости потока и диаметра сопла) от близкой к начальной до температуры самовоспламенения водорода. Кроме того, такая система может служить своеобразным реактором для осуществления, например, в мягких и контролируемых условиях различных термолитических реакций, таких как синтез наночастиц металлов и оксидов металлов из летучих металлсодержащих прекурсоров, обработка углеводородного сырья и др. Также такие системы могут быть использованы для организации эффективного смешения топлива с воздухом и подогрева такой смеси длялетательных аппаратов и других горелочных устройств.

Публикации

1. Kozlov V.V., Grek G.R., Korobeinichev O.P., Litvinenko Yu.A., Shmakov A.G. Features of diffusion combustion of hydrogen in the round and plane high-speed microjets (part II) // International Journal of Hydrogen Energy. 2016. Vol. 41,No. 44. P. 20240-20249.

2. Козлов В.В., Грек Г.Р., Коробейничев О.П., Литвиненко Ю.А., Шмаков А.Г. Горение истекающей в воздух высокоскоростной микроструи водорода // Доклады Академии наук. 2016. Т. 470, № 2. С. 166-171.

3. Shmakov A.G., Grek G.R., Kozlov V.V., Litvinenko Y.A. Influence of initial and boundary conditions at the nozzle exit upon diffusion combustion of a hydrogen microjet // International Journal of Hydrogen Energy. 2017. Vol. 42, No. 24. P. 15913-15924.

2. Диффузионное горение микроструи водорода при ее воспламенении вдали от среза микросопла

Исполнители: Г.Р. Грек, В.В. Козлов, Ю.А. Литвиненко, А.Г. Шмаков, В.В. Вихорев

Представлен сценарий сверхзвукового (зажигание микроструи вдали от среза микросопла) диффузионного горения круглой микроструи водорода.
Установлено, что наличие сверхзвуковых ячеек является стабилизирующим фактором сверхзвукового горения микроструи водорода в ситуации отрыва пламени от среза сопла.

Публикации

1. Козлов В.В., Шмаков А.Г., Грек Г.Р., Козлов Г.В., Литвиненко Ю.А G.R. Явление запирания микросопла при диффузионном горении водорода // Доклады Академии наук, 2018. Т. 480, вып. №1.

2. Kozlov V.V., Grek G.R., Kozlov G.V., Litvinenko Yu.A., Shmakov A.G. Experimental study on diffusion combustion of high-speed hydrogen round microjets// International Journal of Hydrogen Energy. 2019. Vol. 44, No. 1.

3. Kozlov V.V , Vikhorev V. V., Grek G. R., Litvinenko Yu, A., Shmakov A. G. Diffusion combustion of a hydrogen microjet at variations of its velocity profile and orientation of the nozzle in the field of gravitation// Combustion Science and Technology. 2018. Vol.191, Iss. 7. P. 1219-1235.

4. Патент 2 677 322 RU. Способ стабилизации диффузионного горения водорода в газовой микрогорелке (варианты) / Козлов В.В., Грек Г.Р., Шмаков А.Г., Вихорев В.В., Козлов Г.В., Литвиненко Ю. А. Дата подачи заявки 28.11.2017. Дата публ. 16.01.2019. Бюл. № 2.

3. Обтекание модели малоразмерного БПЛА в турбулентном следе

Исполнители: Б.Ю. Занин, А.М. Павленко, М.М. Катасонов

Модель БПЛА

Саже-масляная визуализация режимов обтекания.

- Получены картины визуализации методом саже-масленых покрытий при различных режимах обтекания.

- С помощью метода термоанемометрии получены количественные данные о структуре турбулентного следа за нитью в зависимости от расстояния.

- Установлено, что на некоторых режимах наблюдаются существенные изменения картин течения вблизи поверхности крыла под воздействием турбулентного следа.

4. Отработана и предложена методика обнаружения области максимальной восприимчивости продольных структур к шероховатости на передней кромке скользящего крыла

Модель скользящего крыла

Визуализация течения саже-масляным методом и методом термографии.

Адаптирована методика жидкокристаллической термографии для исследования ламинарно-турбулентного перехода на скользящем крыле, для исследования ламинарно - турбулентного перехода на модели " летающее крыло" дрона, в области благоприятного градиента давления при наличии двумерных и трёхмерных шероховатостей, при реальных числах Рейнольдса. Полётные числа Рейнольдса беспилотных аппаратов, летающих на малых дозвуковых скоростях, совпадают с числами Рейнольдса в экспериментах, реализуемых в аэродинамических трубах.

5. Разработана и реализована методика количественного экспериментального исследования перехода на скользящих крыльях путём визуализации линии перехода тепловизором

Исполнители: В.И. Бородулин, А.В. Иванов, Ю.С. Качанов

6. Обнаружен важный распределённой механизм порождения нестационарных вихрей Гёртлера турбулентностью потока в погранслоях над искривлёнными поверхностями

Исполнители: В.И. Бородулин, А.В. Иванов, Ю.С. Качанов, Д.А. Мищенко

Учёт обнаруженного механизма важен при расчёте турбулизации пограничных слоёв на лопатках турбин при конструировании различных турбомашин.

7. Разработка теоретического подхода к описанию линейной устойчивости отрывных течений за двумерными элементами неровности, обтекаемой потоком поверхности, подверженных «медленной» периодической модуляции.

Исполнители: А.В. Бойко, А.В. Довгаль, А.М. Сорокин

- проведены комплексные исследования поведения возмущений в зоне отрыва;

-выяснено влияние на устойчивость;

-исследована линейная гидродинамическая неустойчивость в присутствии флэппинга;

-выполнена параметризация профилей скорости.

Волна неустойчивости Флэппинг

Расчет в Comsol Multiphysics

Публикации

1. Boiko A.V., Dovgal A.V., Sorokin A.M. Modification of flow perturbations in a laminar separation bubble by heat transfer // Phys. Fluids. 2017. Vol. 29. P. 024103.1-024103.8.

2. Бойко А.В., Довгаль А.В., Козлов В.В. Неустойчивость отрывного течения за двумерными элементами неровности поверхности в низкоскоростном воздушном потоке (обзор). Теплофизикаиаэромеханика. 2017. T. 24, № 2. C. 171–178.

3. Kirilovskiy S.V., Boiko A.V., Poplavskaya T.V. On the laminar-turbulent transition in the boundary layer of streamwise corner // AIP Conf. Proc. 2017. Vol. 1893. P. 030149.1-030149.6.

4. Boiko A.V., Dovgal A.V., Sorokin A.M. Stability of spanwise-modulated flows behind backward-facing steps // AIP Conf. Proc. 2017. Vol. 1893. P. 020011.1-020011.5.

5. Кулик В.М., Бойко А.В. Формфакторы плоских колец // Измерительная техника 2017. No. 1. C. 28–30.

6. Ivanov O.O., Vedeneev V.V., Kulik V.M., Boiko A.V. The influence of compliant coatings on skin friction in the turbulent boundary layer // J. Phys. Conf. Ser. 2017. Vol. 894. P. 012036.1-012036.7.

7. Boiko A.V., Demyanko K.V., Nechepurenko Y.M. On computing the location of laminar–turbulent transition in compressible boundary layers // Russ. J. Numer. Anal. Math. Model. 2017. Vol. 32. P. 1–12.

8. Kornilov V.I., Boiko A.V. The problem of modeling the process of air blowing through finely perforated wall for skin friction reduction // AIP Conf. Proc. 2017. Vol. 1893. P. 020002.1-020002.5.

9. Boiko A.V., Kirilovskiy S.V., Nechepurenko Y.M., Poplavskaya T.V. On non-symmetric axial corner-layer flow // J. Phys. Conf. Ser. 2017. Vol. 894. P. 012011.1-012011.6

10. Kulik V., Boiko A., Lee I. Influence of the thickness of monolithic compliant coatings on the skin friction drag // MATEC Web Conf. 2017. Vol. 115. P. 02024.1-02024.5

11. Boiko A.V., Ivanov A.V., Kachanov Y.S., Mischenko D.A., Nechepurenko Y.M. Excitation of unsteady Görtler vortices by localized surface nonuniformities // Theor. Comput. Fluid Dyn. 2017. Vol. 31. P. 67–88

8. Экспериментальное исследование развития локализованных возмущений в пограничном слое

Исполнители: М.М. Катасонов, А.М. Павленко, В.С. Каприлевская, И.А. Садовский

Тетрмоанемометрическая визуализация искусственных локализованных возмущений в пограничном слое.

- Впервые экспериментально обнаружен и исследован механизм неустойчивости фронтов локализованных возмущений, связанный с образованием и развитием в пограничном слое неустойчивых волновых пакетов.

- Обоснована и развита методика экспериментальных исследований в пограничном слое с использованием искусственных возмущений, т.е. в "контролируемых" условиях с использованием современных компьютерных технологий. Исследованы характеристики развития пакетов волн неустойчивости, как в градиентных, так и безградиентных течениях в условиях низкой и повышенной степени турбулентности набегающего потока.

- Исследована устойчивость пограничного слоя, модулированного продольными локализованными возмущениями, показана их роль при генерации и развитии неустойчивых волновых пакетов вблизи фронтов локализованных возмущений.

Публикации

1. Dovgal A.V., Katasonov M.M., Kozlov V.V., Pavlenko A.M.Evolution of laminar flow disturbances behind a step on a surface generated by its localized vibrations // Fluid Dynamics. 2017. Vol. 52, No. 3. P. 394-400.

2. Довгаль А.В., Катасонов М.М., Козлов В.В., Павленко А.М.Эволюция возмущений ламинарного течения за уступом поверхности, генерируемых ее локализованными вибрациями // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2017. No. 3. С. 63-70.

3. Katasonov M.M., Kozlov V.V., Pavlenko A.M.Experimental study of the disturbances generated by localized surface vibrations in the flat plate boundary layer // Proceedings of the XXV Conference on High-Energy Processes in Condensed Matter (HEPCM 2017): Dedicated to the 60th anniversary of the KhristianovichInstitute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS (Russia, Novosibirsk, 5–9 Jun., 2017): AIP Conference Proceedings. –S.l.: AIP Publishing, 2017. Vol. 1893, No. 1. Art. No. 030093.

4. Kozlov V.V., Katasonov M.M., Pavlenko A.M.Experimental investigation of localized disturbances in the straight wing boundary layer, generated by finite surface vibrations // Proceedings of the XXV Conference on High-Energy Processes in Condensed Matter (HEPCM 2017): Dedicated to the 60th anniversary of the KhristianovichInstitute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS (Russia, Novosibirsk, 5–9 Jun., 2017): AIP Conference Proceedings. –S.l.: AIP Publishing, 2017. Vol. 1893, No. 1. Art. No. 030094.

5. Pavlenko A.M., Zanin B.Yu., Katasonov M.M.Features of flow around the flying wing model at various attack and slip angle // Proceedings of the XXV Conference on High-Energy Processes in Condensed Matter (HEPCM 2017): Dedicated to the 60th anniversary of the KhristianovichInstitute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS (Russia, Novosibirsk, 5–9 Jun., 2017): AIP Conference Proceedings. S.l.: AIP Publishing, 2017. Vol. 1893, No. 1. Art. No. 030098.

6. Pavlenko A.M., Zanin B.Yu., Katasonov M.M.Laminar-turbulent transition on the flying wing model // 18th International Conference on the Methods of AerophysicalResearch (ICMAR2016) (Russia, Perm, 27 Jun.-3 Jul., 2016): AIP Conference Proceedings. S.l. 2016. Vol. 1770. P. 030060.

9. Перспективы применения волнистого и вариоформного крыла.

Исполнители: И.Д. Зверков, А.В. Крюков, Г.Ю. Евтушок

Структура вариоформного секционного крыла, патент №2412864 (RU).

1 – жёсткая задняя кромка; 2 – жёсткая передняя кромка; 3 – жёсткие нервюры;

4 – эластичная обшивка; 5 – отверстия для подачи давления или вакуума; 6 – горб; 7 – впадина.

- Исследовано влияние изменения формы профиля крыла на его основные характеристики и устранение отрыва.

- Исследовано воздействие отсоса воздуха из пограничного слоя. Найдена конфигурация и оптимальное положение области отсоса в области появления локальной отрывной зоны (ЛОЗ) на волнистом крыле с жёсткой обшивкой.

- Показано, что с помощью отсоса ЛОЗ с расходами порядка 0.6 см³/с можно в 2 раза снизить толщину вытеснения пограничного слоя в области впадины, что может привести к уменьшению профильного сопротивления всего крыла на 20%.

- Опробован акустический метод получения количественных значений параметров пограничного слоя с помощью микронасадка полного давления. Аккустический метод позволяет определять ламинарно-турбулентный перехода и косвенно определять ЛОЗ.

Сравнение показаний распределения пульсаций над впадиной волнистого крыла с жесткой поверхностью.

Публикации

1. Зверков И.Д., Крюков А.В., Евтушок Г.Ю. Методы определения ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое вариоформного секционного крыла // Сибирский физический журнал. 2018. Т. 13,No. 3. С. 34-46.

2. Kryukov A.V., Zverkov I.D., Evtushok G.U. An experimental setup for investigating the nonstationary regimes of flow around a wing model at low Reynolds numbers // XIX InternationalConferenceontheMethodsofAerophysicalResearch(ICMAR 2018) (Novosibirsk, Russia, 13–19 Aug., 2018) : AIP Conference Proceedings. S.l.: 2018. Vol. 2027 No. 1.Art. No. 030137(4). DOI: 10.1063/1.5065231

3. Zverkov I.D., Kryukov A.V., Evtushok G.Yu. Methods of determining the boundary layer characteristics of the varioform section wing // XIX InternationalConferenceontheMethodsofAerophysicalResearch(ICMAR 2018) (Novosibirsk, Russia, 13–19 Aug., 2018) : AIP Conference Proceedings. S.l.: 2018. Vol. 2027, No. 1. Art. No. 030097(12). DOI: 10.1063/1.5065191

10. Изучение особенностей развития неустойчивости и турбулентности при различных условиях в потоке с устойчивой стратификацией и неровностями топографии при помощи методов осредненных уравнений Навье–Стокса

Исполнитель: С.Н. Яковенко

- Развиты алгоритмы компьютерного моделирования стратифицированных течений с неровностями топографии различной формы.

11. Экспериментальные исследования по получению наноразмерных имикропорошков и их применению в перспективных отраслях промышленности

Исполнители: С.П. Бардаханов, В.В. Сызранцев, Д.Ю. Труфанов, А.П. Завьялов, К.В. Зобов, В.А. Прокудин, И.Н. Филиппов

Основные направления работ:

- Физико-химическая механика наносистем и наноматериалов.

- Получение наноразмерных и микропорошков и применение в перспективных отраслях промышленности.

- Газофазные методы получения наноразмерных и микропорошков с учетом высокотемпературных реакций.

- Электрооптические свойства наночастиц в различных средах и функциональные материалы с наночастицами.

- Физико-химические свойства наночастиц в зависимости от метода синтеза, проявляющиеся во взаимодействии со сплошными средами.

- Наноразмерные порошки и создание конструкционных и функциональных керамических композиционных материалов.

- Практическое использование порошков в современных и новейших отраслях промышленности.

- Созданы прототипы новых материалов.

- Совместно с БГУ продемонстрировано усиление адгезии широко распространенных клеевых композиций при добавках нанопорошков.

- Обнаружено, что наполнение стандартных шумозащитных материалов нанопористыми объектами может значительно улучшать акустические свойства.

Атомно-силовая микроскопия (АСМ) распределения напряжений в клеевой композиции (сэвилен) наполненной наночастицами.

Достижения и награды

В.В. Козлов:

• Chairman and Organizer of the 2nd IUTAM Symposium on Laminar-Turbulent Transition, Novosibirsk, 1984.

• Member of Scientific Committee of the 3rd IUTAM Symposium on Laminar-Turbulent Transition, Toulouse, France, Sep 11-15, 1989.

• Chairman and Organizer of the IUTAM Symposium on Separating Flow and Jets, Novosibirsk, 1990.

• Member of Scientific Committee of the 1st International Conference on Experimental Fluid Mechanics, July 17-21, 1991, Chengdu, China.

• Member of International Steering Committee of the Thirst Asian Symposium on Visualization, May 15-20, 1994, Chiba, Japan.

• Member of Scientific Committee of the 2nd International Conference on Experimental Fluid Mechanics, July 4-8, 1994, Torino, Italy.

• Member of International Steering Committee of the Fourth Asian Symposium on Visualization, May 15-18, 1996, Beijing, China.

• Member of Scientific Committee of the 3rd International Conference on Experimental Fluid Mechanics, July 3-6, 1997, Moscow, Russia.

• Member of International Steering Committee of the Fifth Asian Symposium on Visualization, May, 1998, Serpong, Indonesia.

• Member of Scientific Committee of the IUTAM Symposium on Mechanics of Passive and Flow Control, Sep 7-11, 1998, Goettingen, Germany.

• Member of Scientific Committee of the 5th IUTAM Symposium on Laminar-Turbulent Transition, Sep 13-17, 1999, Sedona Arizona.

• Member of International Steering Committee of the 6th Asian Symposium on Visualization, May, 2001, Pusan, Korea.

• Chairman and Organizer of the International workshop on the stability of homogeneous and heterogeneous fluids flows, Novosibirsk, 1995, 1997, 1999, 2001.

• Recipient of the Silver Zsukovskij Medal for great contribution to the Aviation Theory from Russian Academy of Sciences, 1993.

Ю.С. Качанов:

• “The Prof. G.I. Petrov’s Prize” for outstanding results in the theory of hydrodynamic instability and turbulence, 2010.

• “The Ludwig Prandtl-Ring” for outstanding personal achievements in all areas of aerodynamics, 2008.

• Recipient of the Honorary Diploma of the Russian Academy of Sciences for a great contribution in development of basic research, in connection with 50th Anniversary of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 2007.

• Recipient of the First Prize of the Institute of Theoretical and Applied Mechanics in a competition of the best basic studies in the field of Aerogasdynamics, 2003.

• Recipient of “The Alexander von Humboldt Research Award for foreign scientists with internationally recognized academic qualifications”, 2002.

• Recipient of the Second Prize of the Institute of Theoretical and Applied Mechanics in a competition of the best basic studies in the field of Aerogasdynamics, 2001.

• Recipient of the Personal State Award of the Russian Federation for Distinguished Scientists, 1993, 1996, 1999, and 2002.

• Recipient of Award of the NATO Program "Window-on-Science". Lectures in Wright Patterson Laboratory (Dayton) Purdue University (Lafayette), Boeing Commercial Airplane Group. (Seattle), and California Institute of Technology (Pasadena), May 1997.

• Recipient of the Personal Award (2 times) of the International Science Foundation, in 1992-1993 and 1994-1995.

• Recipient of the Prize of the Institute of Theoretical and Applied Mechanics (ITAM) for one of the best basic studies of ITAM, 1991.

• Recipient of the Prize of Siberian Branch of the USSR Academy of Sciences for one of the best basic studies in the field of Fluid Mechanics, 1984.

М.М. Катасонов:

Государственная премия Российской Федерации 2003 года для молодых ученых за выдающиеся работы в области науки и техники.

И.Д. Зверков:

В 2005 году удостоен премии им. академика В.В. Струминского за цикл работ «Экспериментальное исследование отрывного обтекания прямых крыльев с гладкой и волнистой поверхностью».

Лаб. 9. Физики плазменнодуговых и лазерных процессов

Ковалев Олег Борисович

заведующий лабораторией: д.ф.-м.н., проф.

Заведующий лабораторией: д.ф.-м.н., проф. Ковалев Олег Борисович
Тел.: (383) 330-42-73
e-mail: kovalev [at] itam.nsc.ru

Направления научных исследований

Разработка генераторов низкотемпературной плазмы для переработки минерального и техногенного сырья, проведения испытаний материалов аэрокосмического назначения и изготовления износостойких, коррозионностойких и термобарьерных покрытий и изделий методом плазменных аддитивных технологий.
Исследования процессов в электродуговых плазмохимических технологиях.
Создание математических моделей для оптимизации процессов в лазерных технологиях обработки материалов:

• селективное лазерное плавление;
• лазерная резка;
• лазерная наплавка.

Важнейшие результаты

1. Разработан способ управления размером наночастиц, а также долей загрязняющей примеси при одностадийном синтезе нанопорошка диоксида кремния в плазмохимическом реакторе. Варьирование глубины встречной закалки, определяемой отношением гидродинамических напоров J закалочных струй и нагретого потока с частицами, позволяет во многом решить эту задачу. С увеличением J уменьшается характерный размер частиц диоксида кремния (в условиях проведенных экспериментов с 39 нм до 28 нм) и снижается в три раза доля загрязняющего порошок хлора.

Поле температуры в рабочей части реактора в режиме встречной закалки.

С использованием полученных экспериментальных данных при решении обратной задачи были уточнены параметры математической модели синтеза, что позволяет с достаточной точностью прогнозировать размеры синтезируемых наночастиц. На рисунке приведено расчетное изменение средневзвешенного диаметра наночастиц порошка диоксида кремния вдоль оси реактора и данные экспериментов. Полученные погрешности приближения экспериментальных данных и вид кривых, отражающий влияние расхода закалочных струй, позволяют сделать вывод об удовлетворительном уровне идентификации модели.

Изменение вдоль оси реактора средних по сечению значений диаметра частиц (расчет) и данные экспериментов (диаметр частиц и их внешний вид, полученный на основе сканирующей электронной микроскопии).

2. Создан сверхзвуковой плазмотрон для напыления покрытий с новыми свойствами. В сравнении с дозвуковым напылением достигнуто улучшение следующих параметров:

повышение скорости частиц с 200—250 до 550—600 м/с; снижение диаметра пятна напыления с 18 до 10 мм;
повышение однородности скорости и температуры частиц; снижение пористости (с 6 до 3 %, ПН85Ю15);
повышение твердости (с 560 до 680 HV, H77Х15С3Р2-3);
получена мелкодисперсная микроструктура покрытий;
возможность реализации перспективных технологий напыления SPS и LPPS (суспензии и растворы) с использованием дисперсной фазы размером 0,1–3 мкм.

Сверхзвуковой плазмотрон для воздушно-плазменного напыления порошковых материалов.

4. Исследована структура и трибологические свойства жаростойких интерметаллидных покрытий из никелевого сплава, полученных воздушно-плазменным напылением. Получена субмикрокристаллическая структура покрытий со средним размером зерен 80 нм. Износостойкость на 70 % выше износостойкости образцов из стали 20 после цементации.

Субмикронная структура покрытий из никелевого сплава, полученных воздушно-плазменным напылением.

5. Разработана опытная промышленная установка воздушно-плазменного напыления порошков «Термоплазма 50-01». Основные технологические характеристик установки «Термоплазма 50-01»:

работа с воздушной средой при атмосферном давлении;
высокая температура плазменных потоков (3000 − 12000 К), что позволяет наносить функциональные покрытия из наиболее тугоплавких материалов;
широкий диапазон скоростей напыляемых частиц (40 − 650 м/с), что позволяет управлять структурой и пористостью покрытий;
толщина покрытий от десятков микрометров до нескольких миллиметров;
высокая производительность напыления (до 30 кг/час); широкий выбор различных материалов: металлы, сплавы, керамика.

Опытная промышленная установка воздушно-плазменного напыления порошков «Термоплазма 50-01».

6. Разработаны серии технологических плазмотронов, работающих с выносной дугой и в струйном режиме с ресурсом работы более 1000 часов в нейтральных, окислительных и химически активных газах.

Плазмотрон для рафинирования титана. Мощность до 1 МВт, габариты: диаметр 180 мм, длина 3,5 м

Серия плавильных плазмотронов мощностью от 100 до 1000 кВт для ряда промышленных технологий, плазмообразующий газ – воздух. Диаметр 108—170 мм, длина 0,7—1,5 м.

Двухструйный плазмотрон для нагрева О₂, N₂, воздуха. Мощность 100 кВт.

7. Создана методика и программное обеспечение для самосогласованного численного моделирования лазерной наплавки. Получены оптимальные стратегии нанесения покрытия заданной площади. На рисунке приведены результаты 3D-моделирования газовой динамики струйных течений в тройном коаксиальном сопле Trumpf DMD505: поле скоростей и линии тока газа, XZ-проекции треков частиц и изменение их скорости вдоль траекторий в транспортном канале и внешнем потоке. Цифры относятся к каналам для подачи излучения, рабочих газов и порошка: 1 — защитный газ и излучение; 2 — несущий газ и порошок; 3 — сжимающий газ. Представлено распределение температуры на поверхности при последовательной лазерной наплавке четырех соседних валиков. Параметры наплавки: мощность W = 4 кВт, расход порошка Fp = 30 г/мин, скорость сканирования Vc = 1,0 м/мин, расчет приведен на момент времени 10 с. Показаны численные микрошлифы (поперечные сечения) валиков после охлаждения. Отдельно выделены зоны термического влияния (HAZ, T ≥ 900 K) и переплавленные зоны (RZ, T ≥ 1538 K) материала.

Результаты численного моделирования лазерной наплавки.

8. Создана компьютерная методика расчета свободно насыпанных упаковок порошка. Алгоритм основан на моделировании последовательности актов случайного бросания на подложку одиночных частиц. Начальные координаты и радиусы частиц вычисляются с помощью датчика случайных чисел с учетом функции распределения по размерам и адгезии, обусловленной силами Ван-дер-Ваальса при контакте частиц. На основе полученной насыпной упаковки предложен дискретный метод трассировки лучей для описания взаимодействия лазерного излучения с зернистым слоем. Алгоритм позволяет рассчитывать процессы тепло- и массообмена в слое порошка при лазерном на него воздействии. Равномерность поглощения обеспечивается за счет эффектов многократного поглощения и отражения излучения внутри слоя. На рисунке представлен пример расчета селективного лазерного плавления и консолидации частиц в слое конечной толщины. При движении источника формируется валик. Лазерный след в слое порошка конечной толщины образует поверхность по форме близкую к полуцилиндру. Результаты моделирования согласуются с данными экспериментов И. Ядройцева (Selective Laser Melting / Ed. I. Yadroitsev. LAP Lambert Academic Publishing, 2010).

Образование валика при селективном лазерном плавлении. а, б, в – распределение температуры по частицам и профиль валика в трех проекциях; г – микрофотография, вид сверху (Selective Laser Melting / Ed. I. Yadroitsev. LAP Lambert Academic Publishing, 2010); 1 – зона агломерации и слияния частиц; 2 – слившиеся и не попавшие в валик затвердевшие капли расплава; 3 – слой порошка, не подвергнутый агломерации; 4 – диаметр лазерного пятна; 5 – лазерный след (валик); 6 – обнаженная поверхность подложки после консолидации частиц.

Публикации

1. Kovalev O.B., Bedenko D.V., Zaitsev A.V. Development and application of laser cladding modeling technique: From coaxial powder feeding to surface deposition and bead formation // Applied Mathematical Modelling. 2018. Vol. 57. P. 339–359. DOI: 10.1016/j.apm.2017.09.043

2. Aul’chenko S.M., Kartaev E.V. Controlling the size and phase composition of submicron titanium-dioxide particles synthesized in a flow-type plasma chemical reactor // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2018. Vol. 91, No. 4. P. 1063–1068. DOI: 10.1007/s10891-018-1832-x

3. Kartaev E.V., Emelkin V.A., Ktalkherman M.G., Aulchenko S.M., Vashenko S.P. Upstream penetration behavior of the developed counter flow jet resulting from multiple jet impingement in the crossflow of cylindrical duct // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018. Vol. 116. P. 1163–1178. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.09.111

4. Gulyaev I.P., Dolmatov A.V. Spectral-brightness pyrometry: Radiometric measurements of non-uniform temperature distributions // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018. Vol. 116. P. 1016–1025. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.09.084

5. Kovalev O.B., Gusarov A.V. Modeling of granular packed beds, their statistical analyses and evaluation of effective thermal conductivity // International Journal of Thermal Sciences. 2017. Vol. 114. P. 327–341. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2017.01.003

6. Kovalev O.B., Kovaleva I.O., Smurov I.Y. Numerical investigation of gas-disperse jet flows created by coaxial nozzles during the laser direct material deposition // Journal of Materials Processing Technology. 2017. Vol. 249. P. 118–127. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2017.05.041

7. Park H.S., Vaschenko S.P., Kartaev E.V., Batomunkuev D.Y. Plasma-chemical treatment of process gases with low-concentration fluorine-containing components // Plasma Chemistry and Plasma Processing. 2017. Vol. 37, No. 1. P. 273–286. DOI: 10.1007/s11090-016-9755-9

8. Kuzmin V.I., Rudenskaya N.A., Sokolova N.V., Sergachev D.V. Wear resistance coatings of nickel alloys obtained by supersonic plasma torch // Journal of Friction and Wear. 2017. Vol. 38, No. 5. P. 395–400. DOI: 10.3103/S1068366617050063

9. Bedenko D.V., Kovalev O.B., Smurov I., Zaitsev A.V. Numerical simulation of transport phenomena, formation the bead and thermal behavior in application to industrial DMD technology // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2016. Vol. 95. P. 902–912. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.12.046

10. Kovalev O.B., Galjov R.V. The application of Maxwell's equations for numerical simulation of processes during laser treatment of materials // Journal of Physics D: Applied Physics. 2015. Vol. 48, No. 30. Art. No. 305501. DOI: 10.1088/0022-3727/48/30/305501

11. Kartaev E.V., Emelkin V.A., Ktalkherman M.G., Aulchenko S.M., Vashenko S.P., Kuzmin V.I. Formation of counter flow jet resulting from impingement of multiple jets radially injected in a crossflow // Experimental Thermal and Fluid Science. 2015. Vol. 68. P. 310–321. DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2015.05.009

12. Gulyaev I.P. Experience in plasma production of hollow ceramic microspheres with required wall thickness // Ceramics International. 2015. Vol. 41, No. 1. Pt. A. P. 101–107. DOI: 10.1016/j.ceramint.2014.08.040

13. Gulyaev I.P., Dolmatov A.V., Kharlamov M.Yu., Gulyaev P.Yu., Iordan V.I., Krivtsun I.V., Korzhyk V.N., Demyanov A.I. Arc-plasma wire spraying: An optical study of process phenomenology // Journal of Thermal Spray Technology. 2015. Vol. 24, No. 8. P. 1566–1573. DOI: 10.1007/s11666-015-0356-6

14. Ermolaev G.V., Yudin P.V., Briand F., Zaitsev A.V., Kovalev O.B. Fundamental study of CO2- and fiber laser cutting of steel plates with high speed visualization technique // Journal of Laser Applications. 2014. Vol. 26, Iss. 4. Art. No. 042004. DOI: 10.2351/1.4895563

15. Kovalev O.B., Gurin A.M. Multivortex convection of metal in molten pool with dispersed impurity induced by laser radiation // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2014. Vol. 68. P. 269–277. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.09.031

Лаб. 10. Экспериментальной аэрогазодинамики

Кавун Иван Николаевич

заведующий лабораторией, к.ф.-м.н.

заведующий Лабораторией экспериментальной аэрогазодинамики

к.ф.-м.н. Кавун Иван Николаевич

тел.: (383) 330-39-06

e-mail: i_k [at] list.ru

Направление научных исследований

• Исследование аэродинамических характеристик летательных аппаратов и их элементов, включая процессы интерференции, пространственного отрыва потока, структуры и закономерности развития до- и сверхзвуковых течений.

• Исследование аэродинамических конфигураций с протоками и струйных сверхзвуковых течений применительно к проблеме создания летательных аппаратов с воздушно-реактивными двигателями.

• Моделирование процессов обтекания воздухозаборников и их интеграции с планером, процессов смешения сверхзвуковых потоков, изучение трёхмерной структуры течения в слое смешения сверхзвуковых нерасчётных струй.

• Изучение пульсаций давления и нестационарных структур течения в отрывных сверхзвуковых зонах и при взаимодействии сверхзвуковых струйных течений с препятствиями.

Важнейшие результаты

• Уменьшение коэффициента поверхностного трения до уровня, соответствующего предельному закону трения на плоской пластине

Применение в эксперименте распределённого вдува воздуха через высокотехнологичную перфорированную секцию позволило достичь минимально возможных значений коэффициента поверхностного трения, которые получены в рамках предельного закона трения, сформулированного теоретически С.С. Кутателадзе и А.И. Леонтьевым для условий безградиентного течения на плоской пластине. Снижение трения при максимальном коэффициенте вдува составляет около 90%.

Зависимость коэффициента поверхностного трения на перфорированной пластине от безразмерного коэффициента вдува

• Влияние мотогондол сверхзвукового пассажирского самолёта на параметры звукового удара

Одной из важных проблем, связанных с возможностью создания сверхзвукового пассажирского самолёта, является уровень звукового удара, формирующегося на поверхности земли и оказывающего негативное воздействие на окружающую среду. Представлены результаты расчёта уровня звукового удара, создаваемого сверхзвуковым пассажирским самолётом (СПС) на крейсерском режиме полёта при числе Маха М = 2,03.

Показано, что для схематизированной тандемной компоновки сверхзвукового пассажирского самолёта положение мотогондол на наветренной стороне заднего крыла приводит к снижению уровня интенсивности звукового удара на больших удалениях от источника возмущений. Относительно исходной компоновки уровень интенсивности звукового удара, генерируемый тандемной компоновкой с мотогондолой на наветренной стороне, снижен на 34%.

Конфигурация перспективного сверхзвукового пассажирского самолёта (а) и уменьшение амплитуды звукового удара (б). 1 – результаты расчёта компоновки СПС с мотогондолами, 2 – результаты расчёта без мотогондол

• Определение положения конца псевдоскачка по развитию процессов турбулентности в канале воздухозаборника

Предложен способ определения положения конца псевдоскачка по максимуму турбулентной вязкости в её продольном распределении вдоль канала

Структура псевдоскачка в диффузоре осесимметричного воздухозаборника (а) и определение положения его конца по максимуму турбулентной вязкости (б)

• Управление структурой и акустическим излучением сверхзвуковой недорасширенной струи путём поперечного вдува газовых микроструй

Экспериментально зарегистрировано влияние вихрегенераторов в виде поперечного вдува шести микроструй на структуру и акустическое излучение сверхзвуковой недорасширенной струи. Установлены снижение уровня низкочастотных спектральных компонент шума и рост высокочастотных компонент. Величина изменения интенсивности акустического шума пропорциональна интенсивности микроструй. Зафиксировано полное подавление высокоинтенсивного дискретного тона. Изменение уровня шума равномерно для всех углов диаграммы направленности акустического излучения струи, наблюдаемых в рамках эксперимента. Получено суммарное снижение уровня акустического шума до 3,5 дБ.

Распределение давления Пито и профиль вихревой трубки сверхзвуковой недорасширенной струи M_a = 1, Npr = 5 с поперечным вдувом шести микроструй M_aj = 1, Npr_j= 9 с суммарным массовым расходом 0,59% относительно расхода основной струи.

а – структура течения в продольном сечении струи напротив микросопла, б – область взаимодействия микроструи с основным потоком, в – структура течения в поперечном сечении струи при x/R_a =5,67

Спектры акустического шума сверхзвуковой недорасширенной струи M_a = 1, Npr = 5 невозмущенной и при вдуве шести микроструй Maj = 1, Npr_j= 5 с суммарным массовым расходом 0,59%

Публикации

1. Kavun I.N., Lipatov I.I., Zapryagaev V.I. Flow effects in the reattachment region of supersonic laminar separated flow // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2019. Vol. 129, No. 27. P. 997-1009. (Q1)

2. Kornilov V.I., Boiko A.V. Advances and challenges in periodic forcing of the turbulent boundary layer on a body of revolution // Progress in Aerospace Sciences. 2018. Vol. 98. P. 57–73. (Q1)

3. Kornilov V.I. Three-dimensional turbulent near-wall flows in streamwise corners: Current state and questions // Progress in Aerospace Sciences. 2017. Vol. 94. P. 46–81. (Q1)

4. Kornilov V.I. Current state and prospects of researches on the control of turbulent boundary layer by air blowing // Progress in Aerospace Sciences. 2015. Vol. 76. P. 1-23. (Q1)

5. Kornilov V.I., Boiko A.V. Efficiency of air microblowing through microperforated wall for flat plate drag reduction // AIAA Journal. 2012. Vol. 50, No. 3. P. 724-732. (Q2)

6. Kornilov V.I., Boiko A.V. Flat-plate drag reduction with streamwise noncontinuous microblowing // AIAA Journal. 2014. Vol. 52, No. 1. P. 93-103. (Q2)

7. Gounko Yu.P., Mazhul I.I., Kharitonov A.M. Aerodynamic design and experimental modelling of an innovative supersonic three-dimensional air-intake // Aeronautical Journal. 2013. Vol. 117, No. 1192. P. 559-584. (Q3)

8. Fomin V.M., Zapryagaev V.I., Lokotko A.V., Volkov V.F. Effect of distributed gas injection on aerodynamic characteristics of a body of revolution in a supersonic flow // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2012. Vol. 53, No. 3. P. 333-339. (Q4)

9. Gounko Y.P., Mazhul I.I. Flow turbulization in a pseudo-shock forming in an axisymmetric duct with a frontal inlet // Thermophysics and Aeromechanics. 2018. Vol. 25, No. 3. P. 347-358. (Q4)

10. Gounko Yu.P., Mazhul I.I. Numerical investigation of flow past a system of two sweptback compression wedges // Fluid Dynamics. 2014. Vol. 49, No. 2. P. 259-269. (Q4)

11. Boiko V.M., Zapryagaev V.I., Pivovarov A.A., Poplavski S.V. Correction of PIV data for reconstruction of the gas velocity in a supersonic underexpanded jet // Combustion, Explosion and Shock Waves. 2015. Vol. 51, No. 5. P. 587-596. (Q4)

12. Zapryagaev V.I., Kiselev N.P., Pivovarov A.A. Gasdynamic structure of an axisymmetric supersonic underexpanded jet // Fluid Dynamics. 2015. Vol. 50, No. 1. P. 87-97. (Q4)

13. Sobolev A.V., Zapryagaev V.I., Kiselev N.P., Gubanov D.A., Kundasev S.G. Turbulent structure in supersonic jets with a high Reynolds number // Thermophysics and Aeromechanics. 2018. Vol. 25, No. 4. P. 473–481. (Q4)

14. Корнилов В.И. Пространственные пристенные турбулентные течения в угловых конфигурациях. Новосибирск: Изд-во СО РАН. 2013. 431 с.

15. Волков К.Н., Запрягаев В.И, Емельянов В.Н., Губанов Д.А., Кавун И.Н., Киселев Н.П., Тетерина И.В., Яковчук М.С. Визуализация данных физического и математического моделирования в газовой динамике. М: Физматлит, 2018. 360 с.

Технологические разработки

Экспериментальная база:

1. Сверхзвуковая аэродинамическая труба Т-312.

2. Сверхзвуковая аэродинамическая труба Т-313.

3. Сверхзвуковая аэродинамическая труба Т-326.

4. Вертикальная струйная установка ВСУ.

Технологические разработки:

1. Патент № 2672825. Сверхзвуковой воздухозаборник (варианты) / Ю.П. Гунько. Заяв. № 2017113272 от 17.04.2017. Опуб.19.11.2018, Бюл. № 32.

2. Патент № 2341691. Газовый эжектор / А.В. Соболев, В.И. Запрягаев, В.М. Мальков. Заяв. № 2007100659/06 от 09.01.2007. Опубл. 20.12.2008. Бюл. № 35.

Достижения и награды

В.И. Корнилов:

Премия имени академика Г.И. Петрова (2016 г) за работу «Пространственные пристенные турбулентные течения в угловых конфигурациях».

В.И. Запрягаев:

Первая премия им. Н.Е. Жуковского (1996) в составе авторского коллектива за лучшую работу по теории авиации «Термогазодинамика течений с продольными вихрями (гёртлеровская неустойчивость)»;

Стипендия президента России за выдающиеся заслуги в области вооружения, военной и специальной техники (распоряжение Президента РФ от 30.12.15);

Почётная грамота президента РАН (2004);

Заслуженный ветеран СО РАН (1991);

Почётный знак СО РАН «Серебряная сигма» (2007);

Памятный знак «Федерации космонавтики» в честь 50-летия полета Ю.А. Гагарина (2011);

Памятная медаль «115 лет г. Новосибирска»;

Памятная медаль «80 лет Новосибирской области»;

Почётные грамоты Президиума СО РАН (1997, 2018);

Почётные грамоты председателя Новосибирского областного совета (2008), губернатора НСО (2008);

Почётная грамота председателя Законодательного собрания Новосибирской области (2017);

Почётная грамота президента РКК Энергия «За активное участие в работах по созданию ракетно-космической техники» (2013);

«Медаль Д.Ф. Устинова за укрепление обороноспособности» (решение учёного совета БГТУ «Военмех», 2018).

А.В. Локотко:

Медаль «За освоение новых земель» (1957);

Медаль «Ветеран труда» (1987);

Памятный знак «За труд на благо города» (2018).

Лаб. 11. Термомеханики и прочности новых материалов

Краус Евгений Иванович

заведующий лабораторией, д.ф.-м.н.

заведующий Лабораторией термомеханики и прочности новых материалов

д.ф.-м.н. Краус Евгений Иванович

тел.: (383) 330-38-80

e-mail: kraus [at] itam.nsc.ru

Направления научных исследований

— уравнения состояния гетерогенных материалов при динамических нагрузках;

— управление механическими характеристиками различных материалов с использованием нанокомпонентов;

— высокоскоростное взаимодействие гетерогенных материалов.

Важнейшие результаты

1. В численном эксперименте показано преимущество в бронестойкости гетерогенных и градиентных преград из керамики В₄С и стали перед двухслойной преградой из тех же материалов при скорости взаимодействия, превышающей 650 м/с.

Предложен подход для численного моделирования поведения гетерогенных и градиентных сред в динамических условиях на основе случайного распределения концентрации керамики по объему стальной пластины (рис. 1).

Численные модели гетерогенных и градиентных сред, полученных случайным распределением концентрации керамики по объему стальной пластины.

1 – двухслойная преграда из керамики В₄С и стали; 2 – гетерогенная преграда; 3 – градиентная преграда с прямым распределением концентрации керамики В₄С по объему стали; 4 – градиентная преграда с обратным распределением концентрации керамики В4С по объему стали.

Численные эксперименты по расчету процессов проникания ударника из закаленной стали в преграды, построенные из различных комбинаций керамики В₄С и мягкой стали, показали преимущество в стойкости последних перед двухслойной преградой из пластин керамики В₄С и стали при скоростях встречи превышающих 650 м/с.

Баллистические кривые преград из гетерогенных, градиентных материалов и двухслойной преграды, состоящей из пластин керамики В₄С и стали.

U_r, U_i – остаточная и начальная скорости.

Ответственные исполнители: зав. лаб., к.ф.-м.н. Краус Е.И. (2018 г.).

2. При условии совместности деформаций построена замкнутая упругопластическая модель, описывающая распространение ударных волн в металлокерамических композитах. Установлено, что скорость распространения волны сжатия в композите пропорциональна объемной концентрации компонент и для предела текучести справедливо правило аддитивности смеси по массам.

Моделирование металлокерамического композита проводилось с помощью случайного распределения компонент композита по заданной концентрации. Осреднение величин для заданной концентрации компонент смеси осуществлялось вдоль распространения упругопластической волны сжатия.


Фрагмент модели смесевого материала из никеля Ni и карбида бора B₄C	Фрагмент модели смесевого материала из никеля Ni и карбида бора B₄C

Ответственные исполнители: зав. лаб., к.ф.-м.н. Краус Е.И., с.н.с. к.ф.-м.н. Шабалин И.И. (2017 г.).

3. Впервые создан метод получения неразъемного соединения современного авиационного материала — алюминиевого сплава 1424 (Al–Mg–Li). Метод основан на комплексном подходе, включающем лазерную сварку в режиме кинжального проплавления, с последующим пластическим деформированием сварного шва. При прочности основного материала 460 МПа и прочности сварного шва, полученного традиционным методом, около 360 МПа, применение нового комплексного подхода позволило увеличить прочность неразъемного соединения до 440 МПа, то есть увеличить ее на 22% и приблизиться к уровню 0,95 от прочности основного металла. Разработанный метод открывает перспективу создания технологии автоматической лазерной сварки корпусов пассажирских самолетов, что невозможно при использовании традиционных методов сварки.

На рисунке показан характер разрушения сварного соединения. При традиционной сварке образец разрушается по шву (а), при использовании разработанной технологии образец разрушился вдали от шва по основному металлу (б).

Макроструктура сварных соединений образцов (x5):

а – традиционная сварки без предварительной обработки, б – новая технология лазерной сварки с деформированием шва (б – ε= 13 %); стрелки – границы сварного шва (вид сбоку) после травления в реактиве Келлера

Ответственные исполнители: д.ф.-м.н. Оришич А.М., к.т.н. Маликов А.Г., д.ф.-м.н. Черепанов А.Н. (2015 г.).

4. Экспериментально установлена возможность повышения механических и эксплуатационных свойств поверхности инструментальной углеродистой стали У8 с помощью лазерной обработки ее поверхности с использованием дисперсной наномодифицирующей композиции, содержащей в качестве матрицы интерметаллид NiAl с добавкой тугоплавких нанопорошков (TiN, Ti_xС_yN, Y₂O₃, или их смеси). Применение нанодисперсных тугоплавких соединений в количестве менее 0,1 % по массе, находящихся в интерметаллидной матрице, позволяет увеличить твердость покрытия в 2–2,5 раза, а износостойкость в 1,4 по сравнению с исходным металлом. Глубина проплавленного слоя составляет примерно 2 мм. Новизна решения заключается в применении наноструктурированных композиций, содержащих нанодисперсные тугоплавкие соединения в интерметаллической матрице.

а б

Микротвердость по глубине слоя (а) и морфология (б) проплавленного слоя

Ответственные исполнители: г.н.с., д.ф.-м.н. Черепанов А.Н., м.н.с., к.ф.-м.-н. Дроздов В.О., н.с., к.т.н. Маликов А.Г. (2015 г.).

5. 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 использовать их при проектировании корпусов газотурбинных авиадвигателей с целью обеспечения удерживающей способности во избежание катастрофических последствий, вызванных обрывом лопатки вентилятора.

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, либо локализация оборвавшейся лопатки внутри корпуса. На основе полученных результатов возможно выработать практические рекомендации по выбору материалов корпусов газотурбинных авиадвигателей.


а	а

б	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. Результаты эксперимента (а) и расчета (б). Сплав – ОТ4-0. Толщина стенки корпуса 6 мм.

Ответственные исполнители: зав. лаб., к.ф.-м.н. Краус Е.И., н.с., к.ф.-м.н. Бузюркин А.Е. (2014 г.).

6. В рамках малопараметрического уравнения состояния в условиях высоких температур и давлений был реализован термодинамический подход для вычисления температурной зависимости механических характеристик металлов, таких как модуль сдвига, коэффициент Пуассона, модуль Юнга и коэффициент объемного расширения. Все упругие механические параметры вычислялись без привлечения дополнительных констант.

При решении упругопластической задачи используются уравнения сохранения массы, импульса и энергии. В правой части уравнений движения стоят градиенты компонент тензора напряжений, а на главной диагонали – давление. Девиаторная часть тензора напряжений зависит от механических характеристик, которые являются функциями давления и температуры. С ростом давления и температуры в материале изменяются упругие характеристики материала.

С использованием нелинейной зависимости коэффициента Пуассона от давления (P_melt– давление, при котором происходит плавление, a и b – параметры, поученные из условия математической непрерывности кривой), была рассчитана продольная скорость звука и получено хорошее соответствие с экспериментальными данными вплоть до температуры плавления.

Продольная скорость звука для урана

Модуль сдвига для урана

По полученным скоростям звука объемной и продольной определены все упругие механические характеристики. На рисунке представлены результаты расчета немонотонного поведения модуля сдвига урана, которые обеспечивают правильную асимптотику при достижении температуры плавления.

Ответственный исполнитель: зав. лаб., к.ф.-м.н. Е.И. Краус (2013 г.).

Публикации

1. Черепанова В.К., Черепанов А.Н., Шарапов В.Н. Модели динамики фазовых превращений в магматических системах и металлических сплавах. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2015. 243 с. ISBN: 978-5-7782-2761-3

2. Оришич А.М., Черепанов А.Н., Шапеев В.П., Пугачева Н.Б. Наномодифицирование сварных соединений при лазерной сварке металлов и сплавов. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2014. 252 с.

3. Isaev V.I., Cherepanov A.N., Shapeev V.P. Numerical study of Heat Modes of laser welding of dissimilar metals with an intermediate insert // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2016. Vol. 99. P. 711–720. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.04.019

4. Buzyurkin A.E., Gladky I.L., Kraus E.I. Determination and verification of Johnson – Cook model parameters at high-speed deformation of titanium alloys // Aerospace Science and Technology. 2015. Vol. 45. P. 121–127. DOI: 10.1016/j.ast.2015.05.001

5. Cherepanov A.N., Mali V.I., Maliutina Iu.N., Orishich A.M., Malikov A.G., Drozdov V.O. Laser welding of stainless steel to titanium using explosively welded composite inserts // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2017. Vol. 90, No. 9–12. P. 3037–3043. DOI: 10.1007/s00170-016-9657-2

6. Meleshko S.V., Shapeev V.P. Nonisentropic solutions of simple wave type of the gas dynamics equations // Journal of Nonlinear Mathematical Physics. 2011. Vol. 18, No. Suppl. 1. P. 195–212. DOI: 10.1142/S1402925111001374

7. Buzyurkin A.E., Gladky I.L., Kraus E.I. Determination of parameters of the Johnson – Cook model for the description of deformation and fracture of titanium alloys // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2015. Vol. 56, No. 2. P. 330-336. DOI: 10.1134/S0021894415020194

8. Popov V.N., Cherepanov A.N., Shchukin V.G. Simulation of metal surface layer modification by nano-particles upon pulsed induction heating // Herald of the Bauman Moscow State Technical University, Series Natural Sciences. 2018. No. 2. P. 82–96. DOI: 10.18698/1812-3368-2018-2-82-96

9. Popov V.N., Cherepanov A.N. Numerical evaluation of the laser-pulse modification modes of the metal surface layer in the presence of a surface-active component in the melt // Thermophysics and Aeromechanics. 2017. Vol. 24, No. 5. P. 779–786. DOI: 10.1134/S0869864317050134

10. Cherepanov A.N., Shapeev V.P., Isaeva V.I. Simulation of heat transfer processes in laser welding of dissimilar metals with an insert // High Temperature. 2015. Vol. 53, No. 6. P. 841–846. DOI: 10.1134/S0018151X15050089

11. Shchukin V.G., Marusin V.V. Induction boriding of steels // Inorganic Materials: Applied Research. 2015. Vol. 6, No. 4. P. 382–387. DOI: 10.1134/S2075113315040218

12. Bublik V.V. Differentially invariant solutions of equations of plane steady flows of a viscous heat-conducting perfect gas with a polytropic equation of state // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2012. Vol. 53, No. 2. P. 156–161. DOI: 10.1134/S0021894412020022

13. Shmagunov O.A. Modeling of jet flows of a viscous fluid by the discrete vortex method // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2012. Vol. 53, No. 1. P. 20–26. DOI: 10.1134/S0021894412010038

14. Kraus E.I., Shabalin I.I. Melting behind the front of the shock wave // Thermal Science. 2019. Vol. 23, No. 2. P. 519–524. DOI: 10.2298/TSCI19S2519K

15. Buzyurkin A.E., Kraus E.I., Lukyanov Y.L. The shock wave compaction of ceramic powders // Thermal Science. 2019. Vol. 23, No. 2. P. 471–476. DOI: 10.2298/TSCI19S2471B

Технологические разработки и экспериментальная база

Нанотехнологии в микро- и макрометаллургических процессах

Достижения и награды

Черепанов Анатолий Николаевич:

Почётная грамота губернатора Новосибирской области 2007 г.

Почётная грамота и медаль «За заслуги» Института металловедения, сооружений и технологий «Акад. А. Балевски» с Центром гидроаэродинамики Болгарской академии наук 2013 г.

Золотая медаль ITE Сибирь 2014 г.

Лаб. 12. Волновых процессов в ультрадисперсных средах

Бедарев Игорь Александрович

заведующий лабораторией, к.ф.-м.н.

заведующий Лабораторией волновых процессов в ультрадисперсных средах

к.ф.-м.н. Бедарев Игорь Александрович

тел.: (383) 330-85-38

e-mail:bedarev [at] itam.nsc.ru

Направления научных исследований

1. Разработка физико-математических моделей механики гетерогенных, гомогенных, инертных, реагирующих сред микро и нано- структуры.

2. Математическое моделирование детальных и приведенных кинетических механизмов в реагирующих газах: метан/водород/пропан/силан/воздушные смеси/воздух/пар керосина.

3. Физико-математическое моделирование взаимодействие потоков и структур, включая описание турбулентных сверх и дозвуковых течений с криволинейными каналами, аэродинамику городской среды, взаимодействие ударных и детонационных волн с городской инфраструктурой, вопросы устойчивости зданий и сооружений относительно волновых воздействий.

4. Физико-математическое моделирование гетерогенной детонации в аэровзвесях микро- и наноструктуры, в том числе и при повышенных концентрациях дискретной фазы (металлические и угольные частицы), вопросы подавления.

5. Физическое и математическое моделирование тепломассопереноса в пористых и капиллярно-пористых средах применительно к вопросам акустоконвективной сушки гетерогенных материалов.

Важнейшие результаты

• Разработаны физико-математические модели подавления детонации в реагирующих газовых смесях (водород, метан, силан с окислителем) путем добавления инертных микро- и наночастиц, в двухскоростном, двухтемпературном приближении механики гетерогенных сред, основанных на детальных кинетических моделях окисления газовой фазы. Проведена валидация используемых кинетических моделей по экспериментальным зависимостям времен задержек воспламенения смесей от температуры за фронтом отраженной ударной волны, скорости детонационной волны от массовой концентрации инертных компонент.

• Исследовано влияние объемной концентрации и диаметра инертных микро- и наночастиц на скорость детонации в реагирующих газовых смесях (водород, метан, силан с окислителем). Найдены концентрационные (по объемной концентрации частиц) пределы детонации. Показано, что переход от микрочастиц к наночастицам не приводит к значительному уменьшению данных пределов.

• Создана технология расчетов двумерных детонационных течений в системе реагирующая газовая смесь – инертные частицы для анализа вопросов связанных с подавлением ячеистой детонации.

• Получены значения объемной концентрации, приводящие к изменению размеров детонационной ячейки, ослаблению детонационной волны и срыву детонации.

Ослабление и срыв детонации при m2 = 0,001.

Дефицит скорости в зависимости от диаметра.

• Выполнено моделирование режимов наклонных детонационных волн, инициированных снарядом малого диаметра.

Режимы наклонных детонационных волн.

• Разработана теоретическая модель плотной газовзвеси с учетом столкновительной динамики частиц на основе молекулярно-кинетических подходов. Разработка численных алгоритмов расчета течений насыщенных газовзвесей. Анализ ударно-волновых процессов и процессов диспергирования облаков частиц в рамках столкновительной модели.

• Разработана физико-математическая модель для описания ударно-волновой динамики и детонационного горения взвесей наноразмерных частиц алюминия. Выполнено численное моделирование двумерных течений ячеистой детонации в монодисперсных и полидисперсных газовзвесях микро- и наноразмерных частиц алюминия в сложных геометрических областях. Определены критические условия распространения детонационных волн.

• В рамках модели несжимаемой жидкости проведено численное исследование аэродинамики здания сложной формы с учетом расположения окружающих строений. Описана пространственная структура турбулентного отрывного течения воздуха в окрестности здания и дана оценка ветровой нагрузки, приходящейся на него. Проведено сравнение результатов расчетов течения воздуха при расположении здания в комплексной застройке и при его изолированном расположении, на основе чего дана оценка влияния интерференционных эффектов в потоке на аэродинамику зданий в условиях городской застройки. Разработана численная модель для 3D расчета турбулентного течения многокомпонентной газовой смеси в условиях термической стратификации, позволяющая описать перенос примеси от низких источников в окрестности городской застройки. Для учета турбулентных эффектов в течении рассмотрены и сравнены два подхода: комбинированная LES-RANS вихреразрешающая модель отсоединенных вихрей (DES) и нестационарные осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье – Стокса (URANS), дополненные двухпараметрическими моделями турбулентности. На основе численного моделирования турбулентных течений, сформированных при обтекании типовых конфигураций застройки, выполнено исследование взаимовлияния аэродинамических процессов в городской среде и объемно-планировочной структуры застроек. Дана оценка благоприятных и неблагоприятных зон застройки с точки зрения продуваемости и высоких концентраций примеси.

• Исследованы высокоскоростные течения в каналах технических устройств с учетом массообмена и химических реакций. В 3D постановке проведено численное моделирование течения в плоском канале при числах Маха М = 3 и 4 с учетом многоструйной (две/восемь струй) инжекции различных газов (гелий, аргон, водород) при изменении угла и давления подачи струй. Проведена оценка влияния параметров струй на процесс смешения в рассматриваемом канале. Полученные расчетные данные сопоставлены с результатами экспериментов по распределению статического давления на стенках канала и волновой структуре течения. Проведено численное моделирование 3D течений в модельной камере сгорания с учетом многоструйной инжекции водорода и химических реакций. Исследовано влияние угла инжекции и давления подачи струи на процессы смешения и воспламенения водородовоздушной смеси. На основе полученных результатов выбраны параметры и схема инжекции, обеспечивающие эффективное воспламенение и горение по всему объему канала камеры сгорания. Результаты сопоставлены с экспериментальными данными, получено хорошее соответствие.

Публикации

1. Bedarev I.A., Fedorov A.V., Shul’gin A.V. Computation of traveling waves in a heterogeneous medium with two pressures and a gas equation of state depending on phase concentrations // Computational Mathematics and Mathematical Physics. 2018. Vol. 58, No. 5. P. 775-789.

2. Bedarev I.A., Fedorov A.V. Modeling the dynamics of several particles behind a propagating shock wave // Technical Physics Letters. 2017. Vol. 43, No. 1. P. 1–4.

3. Bedarev I.A., Rylova K.V., Fedorov A.V. Application of detailed and reduced kinetic schemes for the description of detonation of diluted hydrogen-air mixtures // Combustion, Explosion and Shock Waves. 2015. Vol. 51, No. 5. P. 528-539.

4. Tropin D.A., Fedorov A.V. Physical and mathematical modeling of interaction of detonation waves in mixtures of hydrogen, methane, silane, and oxidizer with clouds of inert micro- and nanoparticles // Combustion Science and Technology. 2019. Vol. 191, Iss. 2. 9 p. DOI: 10.1080/00102202.2018.1459584.

5. Fedorov A.V., Tropin D.A., Fomin P.A. Mathematical modeling of the detonation wave structure in the silane-air mixture // Combustion Science and Technology. 2018. Vol.190, Iss. 6. P. 1041-1059.

6. Tropin D.A., Fedorov A.V. Physical and mathematical modeling of ignition, combustion and detonation of silane-hydrogen-air mixtures // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2017. Vol. 49, Pt B. P. 762-768.

7. Tropin D.A., Fedorov A.V. Physicomathematical modeling of inition of a heterogeneous mixture of methane, hydrogen, and coal microparticles // Combustion, Explosion and Shock Waves. 2018. Vol. 54, No. 6. P. 664-672.

8. Tropin D.A., Fedorov A.V. Attenuation and suppression of detonation waves in reacting gas mixtures by clouds of inert micro- and nanoparticles // Combustion, Explosion and Shock Waves. 2018. Vol. 54, No. 2. P. 200-206.

9. Zhilin A.A., Fedorov A.V., Grebenshchikov D.M. Dynamics of acousto-convective drying of sunflower cake compared with drying by a traditional thermo-convective method. // Foods and Raw Materials. 2018. Vol. 6, No. 2. P. 370-378.

10. Khmel T.A., Fedorov A.V. Modeling of plane detonation waves in a gas suspension of aluminum nanoparticles. // Combustion, Explosion and Shock Waves. 2018. Vol. 54, No. 2. P. 189-199.

11. Fedorov A.V., Khmel T.A., Lavruk S.A. Exit of a heterogeneous detonation wave into a channel with linear expansion. II. Critical propagation condition. // Combustion, Explosion and Shock Waves. 2018. Vol. 54, No. 1. P. 72-81.

12. Fedorov A.V., Khmel T.A., Lavruk S.A. Exit of a heterogeneous detonation wave into a channel with linear expansion. II. Critical propagation condition // Combustion, Explosion and Shock Waves. 2018. Vol. 54, No. 1. P. 72-81. DOI: 10.1134/S0010508218010112

13. Khmel T.A., Fedorov A.V. Modeling of plane detonation waves in a gas suspension of aluminum nanoparticles // Combustion, Explosion and Shock Waves. 2018. Vol. 54, No. 2. P. 189-199. DOI: 10.1134/S0010508218020089

14. Valger S.A., Fedorova N.N., Fedorov A.V. Numerical study of interference effects in atmospheric air flow past a group of intricately shaped buildings. // Thermophysics and Aeromechanics. 2017. Vol. 24, No. 1. P. 35-44.

15. Valger S.A., Fedorova N.N., Fedorov A.V. Mathematical modeling of propagation of explosion waves and their effect on various objects. // Combustion, Explosion, and Shock Waves. 2017. Vol. 53, No. 4. P. 433-443.

Технологические разработки и экспериментальная база

Акустоконвективная сушка пористых материалов

Акустоконвективный способ может применяться для сушки пористых материалов в сельском хозяйстве и животноводстве (зерно, мясо, хлопок, овощи, фрукты и др.), строительной индустрии (древесина, ячеистый газобетон и др.), фармацевтической отрасли (лекарственные препараты, травы и др.), химическом производстве (силикагель, бумага и др.), переработке биологических отходов (подсолнечника и др.) и иных отраслях промышленности.

Механизм миграции влаги в капиллярно-пористых материалах при акустоконвективной сушке заключается в перераспределении влаги внутри образца под действием звука и унос вышедшей на поверхность образца влаги конвективным потоком. Источником осушающего потока с соответствующими амплитудно-частотными характеристиками является газоструйный излучатель гартмановского типа.

Построена действующая лабораторная акустоконвективная сушильная установка.

Технико-экономические преимущества:

– сушка протекает при комнатной температуре;

– простота конструкции сушилок;

– для увеличения производительности сушилки могут легко масштабироваться;

– более высокая скорость сушки;

– высушенный биологический материал сохраняет полезные качества;

– средние затраты энергии на единицу продукции меньше в два раза;

– сушилки пожаробезопасны.

Достижения и награды

Федоров Александр Владимирович

Международная Премия им. академика В.А. Коптюга Президиум СО РАН - Президиум НАН Белоруссии 2009 – за цикл совместных работ "Физико-математическое описание воспламенения и горения в гомогенных, гетерогенных и пористых средах: теория, эксперимент, диагностика" сотрудников ИТПМ СО РАН и ИТМО НАН Белоруссии.

Федорова Наталья Николаевна

Грамота Министерства образования и науки РФ 2010 – за многолетнюю плодотворную работу по развитию и совершенствованию учебного процесса, значительный вклад в дело подготовки высококвалифицированных специалистов.

Лаб. 13. Физических проблем управления газодинамическими течениями

Сидоренко Андрей Анатольевич

заведующий лабораторией, к.ф.-м.н.

заведующий Лабораторией физических проблем управления газодинамическими течениями
к.ф.-м.н. Сидоренко Андрей Анатольевич
тел.: (383) 330-85-28
e-mail:sindr [at] itam.nsc.ru

Направление научных исследований

Сверхзвуковая аэродинамика тел с подводом энергии в набегающий поток (управление аэродинамическим сопротивлением МГД-воздействием, снижение звукового удара подводом/отводом тепла).

Сверхзвуковая аэродинамика тел с газопроницаемыми пористыми вставками (снижение волнового сопротивления, управление аэродинамическими силами).

Управление дозвуковыми и трансзвуковыми нестационарными и отрывными течениями с помощью электрического разряда (обтекание крыловых профилей, взаимодействие ударных волн с пограничным слоем, барьерный, искровой и стационарный разряды).

Управление развитием возмущений в сверхзвуковом пограничном слое (структурированная шероховатость поверхности, звукопоглощающие покрытия, многоатомные газы в потоке, охлаждение/нагрев поверхности, электрический разряд).

Газодинамика внутренних течений (воздухозаборники, методы инициации воспламенения, повышение полноты сгорания).

Повышение параметров и стабильности работы импульсных аэродинамических труб (повышение температуры, давления торможения потока и стабильности работы импульсных аэродинамических труб).

Газодинамика и теплообмен в свободных и натекающих на преграду сверхзвуковых микроструях (газодинамическая структура, дальнобойность, теплообмен при натекании на преграду сверхзвуковых нерасчетных микроструй).

Разработка методов решения обратных задач в приложении к проблемам экспериментальной аэродинамики (восстановление параметров потока по оптическим измерениям и данных измерений нестационарных процесов).

Медико-биологическая газодинамика (аэродинамика процесса дыхания).

Важнейшие результаты

1. Выполнены параметрические численные и экспериментальные исследования сверхзвукового обтекания цилиндра с передней газопроницаемой высокопористой ячеистой вставкой при умеренных единичных числах Рейнольдса и числах Маха потока M_∞ = 4,85; 7 и 21. Численные исследования проведены на основе разработанной скелетной модели ячеисто-пористого материала, не требующей эмпирических констант. Найден критерий подобия для определения аэродинамического сопротивления цилиндра с передней высокопористой вставкой в сверхзвуковом потоке под нулевым углом атаки.

модель1JPG model

Экспериментальная модель Скелетная модель

Зависимость нормированного коэффициента аэродинамического сопротивления C_x/C_x₀от параметра подобия (D/d)^-1/2(M_∞)^-2/3. D– диаметр цилиндра, d– диаметр пор.

2. Впервые выполнены экспериментальные и расчетные исследования динамики развития возмущений на пластине, обтекаемой сверхзвуковыми потоками воздуха и углекислого газа, при наличии возбуждения внутренних степеней свободы молекул. Показано, что равновесное возбуждение колебательных степеней свободы молекул СО₂ приводит к увеличению интенсивности возмущений, развивающихся в вязком ударном слое на пластине, по сравнению с ударным слоем в чистом воздухе. Эти возмущения эффективно подавляются звукопоглощающими покрытиями.

3. Обнаружена значительная стабилизация течения и увеличение длины сверхзвукового участка сверхзвуковых недорасширенных осесимметричных микроструй в области умеренных чисел Рейнольдса при истечении в газовую среду с плотностью, отличающейся от плотности газа струи.

4. Расчетно-параметрические исследования звукового удара от тонкого тела вращения по методу «тел-фантомов» показали, что нагрев набегающего сверхзвукового потока в области, расположенной перед телом, позволяет снизить уровень звукового удара более чем на 30%.

Qax1 ∆x = 0,4 Qax2 ∆x=0,5

Две области нагрева потока перед телом.

tryam2

Интенсивности ударных волн в дальнем поле.

5. Продемонстрирована возможность подавления электрическим разрядом ламинарного отрыва потока, формирующегося при взаимодействии ударной волны с пограничным слоем. Показано, что управление перемежаемостью течения с помощью генерируемых разрядом периодических возмущений уменьшает потери полного давления в зоне взаимодействия по сравнению с механическими турбулизаторами.

6. Численные и экспериментальные исследования обтекания затупленного тела показали, что МГД-взаимодействие, локализованное перед телом, приводит к отходу ударной волны от модели и снижению давления в центральной точке. Показана эффективность МГД-управления положением ламинарно-турбулентного перехода.

7. Экспериментально подтверждена возможность создания высокоэнтальпийного потока в аэродинамической установке кратковременного действия за счет сжигания в форкамере горюче-воздушных смесей Н₂ + О₂ + воздух и С₃Н₈ + О₂ + воздух. Показана возможность замены в исходной смеси части горючего закисью азота с целью уменьшения содержания в потоке воды, углекислого газа и достижения состава газа, близкого к атмосферному.

Публикации

1. Maslov A.A., Mironov S.G., Poplavskaya T.V., Kirilovskiy S.V. Supersonic flow around a cylinder with a permeable high-porosity insert: experiment and numerical simulation // J. Fluid Mech. 2019. Vol. 867. P. 611–632. Q1

2. Mironov S.G., Aniskin V.M., Korotaeva T.A., Tsyryulnikov I.S. Effect of the Pitot tube on measurements in supersonic axisymmetric underexpanded microjets // Micromachines. 2019. Vol. 10, No. 4. Art. No. 235 (13 p.). DOI: 10.3390/mi10040235 Q2

3. Goldfeld M.A., Pickalov V.V. Application of method of deconvolution at temperature measurements in high-enthalpy impulse wind tunnels // Applied Thermal Engineering. 2017. Vol. 113. P. 731–738. Q1

4. Бойко А.В., Кириловский С.В., Маслов А.А., Поплавская Т.В. Инженерное моделирование ламинарно-турбулентного перехода: достижения и проблемы (обзор) // ПМТФ. 2015. Т. 56, N 5. С. 30–49. [Boiko A.V., Kirilovskiy S.V., Maslov A.A., Poplavskaya T.V. Engineering modeling of the laminar-turbulent transition: Achievements and problems (Review) // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2015. Vol. 56, No. 5. P. 761–776. DOI: 10.1134/S002189441505003X] Q4

5. Fedorov A.V., Soudakov V., Egorov I., Sidorenko A.A., Gromyko Y.V., Bountin D.A., Polivanov P.A., Maslov A.A. High-speed boundary-layer stability on a cone with localized wall heating or cooling // AIAA Journal. 2015. Vol. 53, No. 9. P. 2512–2524. DOI: 10.2514/1.J053666 Q2

6. Aniskin V.M., Mironov S.G., Maslov A.A., Tsyryulnikov I.S. Supersonic axisymmetric microjets: structure and laminar-turbulent transition // Microfluidics and Nanofluidics. 2015. Vol. 19, No. 3. P. 621–634. DOI: 10.1007/s10404-015-1588-y. Q2

7. Moshkin M.P., Petrovski D.V., Akulov A.E., Romashchenko A.V., Gerlinskaya L.A., Ganimedov V.L., Muchnaya M.I., Sadovsky A.S., Koptyug I.V., Savelov A.A., Troitsky S.Yu., Moshkin Y.M., Bukhtiyarov V.I., Kolchanov N.A., Sagdeev R.Z., Fomin V.M. Nasal aerodynamics protects brain and lung from inhaled dust in subterranean diggers. Ellobius talpinus // Proc. of the Royal Soc. B. 2014. Vol. 281, No. 1792. Art. 20140919. DOI: 10.1098/rspb.2014.0919 Q1

8. Виноградов В.А., Гольдфельд М.А., Старов А.В. Исследование воспламенения и горения водорода в канале при высоких сверхзвуковых скоростях потока на входе в канал // Физика горения и взрыва. 2013. Т. 49, № 4. С. 3–11. [Vinogradov V.A., Goldfeld M.A., Starov A.V. Ignition and combustion of hydrogen in a channel with high supersonic flow velocities at the channel entrance // Combustion Explosion and Shock Waves. 2013. Vol. 49, No. 5. P. 383–391. DOI: 10.1134/S0010508213040011] Q3

9. Поливанов П.А., Вишняков О.И., Сидоренко А.А., Маслов А.А. Сравнение течений, индуцированных диэлектрическим барьерным и скользящим разрядами // ПМТФ. 2013. № 3. C. 21–29. [Polivanov P.A., Vishnyakov O.I., Sidorenko A.A., Maslov A.A. Comparison of flows induced by a dielectric barrier discharge and a sliding discharge // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2013. Vol. 54, No. 3. P. 359–366. DOI: 10.1134/S0021894413030036] Q4

10. Маслов А.А., Шумский В.В., Ярославцев М.И. Высокоэнтальпийная установка кратковременного действия с комбинированным нагревом и стабилизацией параметров. // Теплофизика и аэромеханика. 2013. Т. 20, № 5. С. 535–546. [Maslov A.A., Shumsky V.V., Yaroslavtsev M.I. High-enthalpy hot-shot wind tunnel with combined heating and stabilization of parameters // Thermophysics and Aeromechanics. 2013. Vol. 20, No. 5. P. 527–538. DOI: 10.1134/S0869864313050011] Q3

11. Potapkin A.V., Moskvichev D.Yu. Controlling the sonic boom from a thin body by means of local heating of the incoming flow // Shock Waves. 2013. Vol. 23, Iss. 6. P. 649–658. DOI:10.1007/s00193-013-0443-x. Q3

12. Sidorenko A.A., Budovskiy A.D., Maslov A.A., Postnikov B.V., Zanin B.Y. Zverkov I.D., Kozlov V.V. Plasma control of vortex flow on a delta wing at high angles of attack // Exp Fluids. 2013. Т. 54, № 8. С. 1–12. Q2

13. Bountin D., Chimitov T., Maslov A., Novikov A., Egorov I., Fedorov A., Utyuzhnikov S. Stabilization of a hypersonic boundary layer using a wavy surface // AIAA Journal. 2013. Vol. 51. P. 1203–1210. [10.2514/1.J052044.] Q2

14. Фомичев В.П., Коротаева Т.А., Шашкин А.П., Ядренкин М.А.. Исследование МГД-взаимодействия в сверхзвуковом потоке воздуха при М = 8 // ЖТФ. 2011. Т. 81, вып. 3. С. 10–17. [Korotaeva T.A., Fomichev V.P., Shashkin A.P., Yadrenkin M.A. Investigation of magnetohydrodynamic interaction in a supersonic air flow at M = 8 // Technical Physics. 2011. Vol. 56. P. 327–334. DOI: 10.1134/S1063784211030108] Q4

15. Maslov A.A., Kudryavtsev A.N., Mironov S.G., Poplavskaya T.V., Tsyryulnikov I.S. Wave processes in a viscous shock layer and control of fluctuations // J. Fluid Mech. 2010. Vol. 650. P. 81–118. Q1

Патенты

1. Шиплюк А.Н., Селезнев В.А., Анискин В.М. Датчик термоанемометра. Патент на изобретение РФ № 2207576. Заявка № 201116440/28 (017127). Приоритет от 13.06.2001. Опубликовано 27.06.2003. Бюл. № 18.

2. Анискин В.М., Селезнев В.А., Шиплюк А.Н. Способ управления пограничным слоем на поверхности летательного аппарата и устройство для его осуществления. Патент на изобретение № 2384465. Приоритет от 28.07.2008. Опубликовано 20.03.2010. Бюл. № 8.

3. Basser P.J., Pickalov V. Estimation of the average propagator from magnetic resonance data // United States Patent. 2010. No. US 07711171. 12 p.

4. Миронов С.Г., Маслов А.А., Цырюльников И.С. Способ управления обтеканием сверхзвукового летательного аппарата. Патент на изобретение № 2559193. Приоритет от 25.04.2014. Опубликовано 10.08.2015. Бюл. № 22.

5. Потапкин А.В., Москвичев Д.Ю. Способ управления уровнем звукового удара от частей летательного аппарата (ЛА) / Патент № 2567106. Приоритет от 16.06.2014. Опубл. 27.10.2015. Бюл. № 30.

6. Шумский В.В., Ярославцев М.И. Способ создания рабочего газа в импульсной аэродинамической трубе / Патент на изобретение № 2567097. Заявка №2014124251. Приоритет от 16.06.2014. Опубликовано 27.10.2015. Бюл. № 30.

7. Ярославцев М.И., Лазарев А.М. Щелевой инжектор-генератор вихрей и способ его работы. Патент на изобретение №2596077. МПК F02C 7/22 (2006.01). Заявка № 2014150851. Приоритет от 15.12. 2014. Опубликовано 27.08.2016. Бюл. № 24.

Экспериментальная база

1. Импульсная аэродинамическая труба ИТ-302М*

2. Сверхзвуковая аэродинамическая труба Т-327 (М = 5, 7)

3. Струйный стенд для исследования сверхзвуковых струй

4. Оптический стенд для исследования микроструй

5. Лазерные диагностические комплексы «Полис» и «Dantec»* для измерения поля скоростей методом трековых частиц

6. Высокоскоростная видеокамера pco 1200hs

7. Стереомикроскоп Nikon SMZ-1500*, комплекс анализа структуры поверхности New View 6300*

8. Комплекс высоковольтных генераторов для возбуждения разряда и устройств диагностики плазменных образований

9. Фрезерный станок с ЧПУ

* оборудование ЦКП «Механика»

Достижения и награды

А.А. Маслов

Орден Дружбы, 2007 г.
Лауреат премии первой степени имени профессора Н.Е. Жуковского, 1996 г.
Почетная грамота Президиума Верховного Совета РСФСР, 1991 г.
Благодарственное письмо Председателя Правительства Российской Федерации В.В. Путина, 2012 г.

А.А. Маслов, С.Г. Миронов, Т.В. Поплавская

Лауреаты премии первой степени имени академика Г.И. Петрова, 2012 г.

С.В. Кириловский

Победитель Программы «Участник молодёжного научно-инновационного конкурса (УМНИК)», 2008 г.
Стипендия Президента РФ для молодых учёных и аспирантов, 2013–2015 г.
Стипендия Президента РФ для молодых учёных и аспирантов, 2016–2018 г.

П.А. Поливанов

Лауреат стипендии Боинг (за успехи в учебе и научной деятельности), 2004 г.
Лауреат премии СО РАН имени академика С.А. Христиановича за цикл научных работ, посвященных исследованию нестационарных явлений при взаимодействии ударной волны с турбулентным пограничным слоем, 2011 г.
Грант Президента РФ для государственной поддержки молодых российский ученых – кандидатов наук, 2013 г.
Грант Президента РФ для государственной поддержки молодых российский ученых – кандидатов наук, 2016 г.

Лаб. 14. Волновых процессов в сверхзвуковых течениях

Косинов Александр Дмитриевич

заведующий лабораторией, д.ф.-м.н.

Заведующий лабораторией: д.ф.-м.н. Косинов Александр Дмитриевич

тел.: (383) 330-12-28

e-mail:kosinov [at] itam.nsc.ru

Направления научных исследований

Теоретическое и экспериментальное исследование нелинейного развития возмущений в сверхзвуковом пограничном слое.
Теоретические и экспериментальные исследования влияния свойств газа, поверхности и характера обтекания моделей на устойчивость и ламинарно-турбулентный переход сверхзвуковых пограничных слоев.
Теоретическое и экспериментальное исследование восприимчивости и чувствительности сверхзвукового пограничного слоя к нестационарным внешним воздействиям.
Исследование трёхмерного пограничного слоя. Теоретическое и экспериментальное исследование устойчивости сверхзвукового трёхмерного пограничного слоя.
Изучение нестационарных явлений и пространственных эффектов в отрывных ламинарных, переходных и турбулентных течениях.
Исследование воздействия скачков уплотнения и энергоподвода на турбулентные сдвиговые слои. Взаимодействие следов и струй с ударными волнами.
Нестационарная аэродинамика возвращаемых летательных аппаратов.
Развитие расчетно-экспериментальных методов исследований в сверхзвуковых сдвиговых течениях.

Важнейшие результаты

1. Впервые в России создана и испытана динамическая установка свободных колебаний, позволяющая измерять аэродинамическое демпфирование моделей возвращаемых космических аппаратов и моделировать критические режимы полета, возникающие при потере демпфирования (при автоколебаниях). Определены характеристики демпфирования для конуса и модели возвращаемого аппарата в сверхзвуковом потоке. Проведена оценка погрешностей измерений. Сравнение результатов с полученными ранее экспериментальными данными с использованием донной державки даёт удовлетворительное согласование результатов экспериментов.

Конструктивная схема установки свободных колебаний

Зависимость аэродинамического демпфирования конуса от числа Маха.

1 – испытания на установке с донной державкой; 2 – испытания на новой установке; 3 – расчет; вертикальные метки отображают доверительные интервалы ±2σ измерений.

2. Получены экспериментальные данные по интенсивности слабых ударных волн и возмущений потока, порождаемых двумерной наклейкой в турбулентном сверхзвуковом пограничном слое на стенках рабочей части Т-325 при числах Маха М = 2, 2,5, 3, 3,5, 4. Установлено, что интенсивность слабых ударных волн практически не изменяется с ростом числа Маха.

3. Определены доминирующие механизмы, приводящие к ламинарно-турбулентному переходу сверхзвукового пограничного слоя на плоской пластине, которые позволили объяснить результаты экспериментов с естественными возмущениями.

4. Для управления ламинарно-турбулентным переходом и сопротивлением трения впервые теоретически исследована устойчивость сверхзвукового пограничного слоя бинарной смеси. Установлено, что при вдуве в сверхзвуковой пограничный слой тяжелого газа можно увеличить число Рейнольдса перехода в несколько раз. Например, при числе Маха М = 2,0 и расходе тетрахлорметана (СCl₄), составляющем менее 0.005% относительно внешнего массового воздушного потока протяженность ламинарного участка увеличивается примерно в пять раз.

Теоретическая зависимость числа Рейнольдса перехода Re_{x, tr} при числе Маха М = 2,0 от параметра инжекции тетрахлорметана - f_w.

5. Расчетно-экспериментальным путем отработан e^N-метод оценки ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое на скользящем крыле под углами атаки ±2°при числе Маха М = 2. Метод включает получение экспериментальных данных по развитию естественных возмущений в сверхзвуковом пограничном слое скользящего крыла вплоть до турбулентного состояния и валидацию расчетов по методу e^N для предсказания положения ламинарно-турбулентного перехода.

Число Рейнольдса перехода в зависимости от угла атаки aмодели скользяшего крыла. Сравнение экспериментальных данных (символы) и расчетов положения перехода по методу e^N для различных значений N-фактора (штриховые линии).

Публикации

1. Lysenko V.I., Gaponov S.A., Smorodsky B.V., Yermolaev Yu.G., Kosinov A.D., Semionov N.V.
Combined influence of coating permeability and roughness on supersonic boundary layer stability and transition // Journal of Fluid Mechanics. 2016. Vol.798. P. 751–773. DOI: 10.1017/jfm.2016.347 .

2. Krause M., Gaisbauer U., Kraemer E., Kosinov A.D.
Implementation of a new thermal model and static calibration of a wedge-shaped hot-film probe in a constant-temperature mode // International Journal of Heat and Mass Transfer.2018. Vol. 126. Pt. A. P. 1–9. DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.05.002.

3. Schulein E., Zheltovodov A.A.
Effects of steady flow heating by arc discharge upstream of non-slender bodies // Shock Waves. 2011. Vol. 21, No. 4. P. 383–396. DOI: 10.1007/s00193-011-0307-1

4. Kosinov A.D., Kolosov G.L., Semionov N.V., Yermolaev Yu.G.
Linear development of controlled disturbances in the supersonic boundary layer on a swept wing at Mach 2 // Physics of Fluids. 2016. Vol. 28, No. 6. P. 064101–0641016. DOI: 10.1063/1.4952999.

5. Adelgren R.G., Yan H., Elliot G.S., Knight D.D., Beutner T.J., Zheltovodov A.A.
Control of Edney IV interaction by pulsed laser energy deposition // AIAA Journal. 2005. Vol. 43, No. 2. P. 256–269. DOI: 10.2514/1.7036.

6. Fang J., Yao Y., Zheltovodov A.A., Li Z., Lu L.
Direct numerical simulation of supersonic turbulent flows around a tandem expansion-compression corner // Physics of Fluids. 2015. Vol. 27, No. 12. P. 125104-1–125104-28. DOI: 10.1063/1.4936576.

7. Gaponov S.A., Ermolaev Yu.G., Kosinov A.D., Lysenko V. I., Semionov N.V., Smorodsky B.V.
Stability of supersonic boundary layer on permeable surface // Archives of Mechanics. 2014. Vol. 66, No. 6. P. 453–466.

8. Yatskikh A.A., Ermolaev Y.G., Kosinov A.D., Semionov N.V., Semenov A.N.
Evolution of localized artificial disturbance in 2D and 3D supersonic boundary layers // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Pt. G.: Journal of Aerospace Engineering. 2019. Vol. 233. DOI: 10.1177/0954410018787120.

9. Kosinov A.D., Semionov N.V, Yermolaev Y.G., Smorodsky B.V., Kolosov G.L., Yatskikh A.A., Semenov A.N.
The influence of moderate angle-of-attack variation on disturbances evolution and transition to turbulence in supersonic boundary layer on swept wing.
// Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Pt. G.: Journal of Aerospace Engineering. 2019. Vol. 233. DOI: 10.1177/0954410019852804.

10. Panina A.V., Kosinov A.D., Yermolaev Yu.G., Gorev V.N., Semionov N.V.
Experimental study of mean and pulsation flow characteristics in the 2D/3D supersonic boundary layer behind flat roughness elements // Thermophysics and Aeromechanics. 2014. Vol. 21, No. 1. P. 3–13. DOI: 10.1134/S0869864314010028.

11. Vaganov A.V., Ermolaev Yu.G., Kolosov G.L., Kosinov A.D., Panina A.V., Semionov N.V., Yatskikh A.A.
Impact of incident Mach wave on supersonic boundary layer // Thermophysics and Aeromechanics. 2016. Vol. 23, No. 1. P. 43–48. DOI: 10.1134/S0869864316010054 .

12. Yatskikh A.A., Ermolaev Y.G., Kosinov A.D., Semionov N.V.
Hot-wire visualization of the evolution of localized wave packets in a supersonic flat-plate boundary layer // Journal of Visualization. 2017. Vol. 20, No. 3. P. 549–557. DOI: 10.1007/s12650-016-0414-2.

13. Gafner S.L., Gafner J.J., Bardakhanov S.P., Lysenko V.I.
Analysis of nickel nanoclusters size distribution synthesized from the gas phase // Journal of Computational and Theoretical Nanoscience. 2012. Vol. 9, No. 1. P. 102–109. DOI: 10.1166/jctn.2012.2003.

14. Gaponov S.A.
Aeroacoustics of supersonic boundary layers // International Journal of Aeroacoustics. 2014. Vol. 13, No. 1-2. P. 85–111.

15. Gaponov S.A., Semenov A.N.
Numerical modeling of the interaction between a supersonic boundary layer and an acoustic wave // Fluid Dynamics. 2018. Vol. 53, No. 6. P. 795–804. DOI: 10.1134/S0015462818050099.

Технологические разработки и экспериментальная база

Сверхзвуковая аэродинамическая труба Т-325 с пониженным уровнем шума в рабочей части

Общее описание

Малошумная аэродинамическая труба Т-325 предназначена для проведения аэрофизических исследований механизмов возникновения турбулентности в сверхзвуковых сдвиговых течениях, ламинарно-турбулентного перехода и управления им, взаимодействия ударных волн и т.п. Труба оборудована различными типами координатных устройств и имеет большую по объему форкамеру, что обеспечивает повышение качества потока.

Уникальность Т-325

1. Высокая степень равномерности течения в рабочей части при М = 1,5–4,0.

2. Низкий уровень пульсаций потока в рабочей части при М = 1,5, 2,0 и 2,5.

3. Продолжительность пуска до 80 минут, что позволяет выполнять детальные исследования.

4. Диапазон чисел Маха от 1,5 до 4,0 с шагом 0,5, широкий диапазон единичных чисел Рейнольдса.

5. Трансзвуковая рабочая часть (диапазон чисел Маха от 0,5 до 1,5).

6. Высокая температурная стабилизация потока: ± 1°при температуре внешней среды ± 10 °С.

Основные рабочие параметры

Размеры рабочей части: 0,6´0,2´0,2 м.

Числа Маха набегающего потока: 0,5–4.

Давление в форкамере (при использовании координатника): до 6 атм.

Температура в форкамере: 280–300 К.

Единичные числа Рейнольдса (при использовании координатника): (3–35)∙106 1/м.

Время рабочего режима: 3–80 мин.

Исследования, проводимые на Т-325

– ламинарно-турбулентный переход в двух- и трехмерном пограничном слое/следе/отрыве;

– управление течением;

– восприимчивость и чувствительность пограничных слоев к возмущениям;

– турбулентность в двух- и трехмерном пограничном слое/следе/отрыве;

– аэрогазодинамика малогабаритных моделей.

Достижения и награды

С.А. Гапонов, А.Д. Косинов, А.А. Маслов – премия первой степени имени профессора Н.Е. Жуковского за серию работ «Гидродинамическая неустойчивость сверхзвуковых пограничных слоев», 1995.

А.Д. Косинов, Н.В. Семёнов – 1-я премия имени академика Г.И. Петрова за работу "Развитие экспериментальных исследований возникновения турбулентности в сверхзвуковых пограничных слоях", 2015.

Научные контакты

РОССИЯ: ФГУП ЦАГИ, МФТИ (Московская обл.), ПАО Туполев, ПАО Энергия.

США: НАСА, Боинг.

ГЕРМАНИЯ: ИАГ, Штуттгартский университет.

Лаб. 15. Физико-математическое моделирование неоднородных течений

Бойко Андрей Владиславович

заведующий лабораторией, член-корр. РАН, д.ф.-м.н.

Заведующий лабораторией: д.ф.-м.н., чл.-корр. РАН Бойко Андрей Владиславович

тел.: (383) 330-42-78

e-mail: boiko [at] itam.nsc.ru

Направления научных исследований

Тематика исследований лаборатории направлена на решение фундаментальных физических и вычислительных проблем управления континуальными и разреженными течениями применительно к задачам аэродинамики перспективных транспортных систем, в том числе, на проблему ассимиляции экспериментальных и расчетных данных для их использования в соответствующих физических моделях. Целью является обеспечение физически обоснованных подходов к управлению потоками в условиях обтекания двумерных и трехмерных аэродинамических конфигураций на до-, транс- и сверхзвуковых скоростях.

Основные задачи

Разработка методов для глубокой обработки экспериментальных данных, полученных в аэродинамических трубах, и расчетных данных, полученных в газодинамических пакетах, для их использования в блоках ламинарно-турбулентного перехода и в других физических моделях рассматриваемых течений, необходимых для создания вычислительных комплексов, направленных на решение задач управления потоком (например, его ламинаризации).
Разработка и наполнение соответствующего пополняемого банка данных с целью его использования при численном моделировании перспективных способов управления течениями, возникающими при проектировании летательных аппаратов (ЛА), в том числе для верификации полномасштабных суперкомпьютерных моделей ЛА и интегрированных блоков ламинарно-турбулентного перехода.

Публикации

Kornilov V.I., Boiko A.V. Advances and challenges in periodic forcing of the turbulent boundary layer on a body of revolution // Progress in Aerospace Sciences. 2018. Vol. 98. P. 57–73.
Boiko A.V., Dovgal A.V., Sorokin A.M. Modification of flow perturbations in a laminar separation bubble by heat transfer // Physics of Fluids. 2017. Vol. 29. P. 024103.1–024103.8.
Boiko A.V., Ivanov A.V., Kachanov Y.S., Mischenko D.A., Nechepurenko Y.M. Excitation of unsteady Görtler vortices by localized surface nonuniformities // Theoretical and Computational Fluid Dynamics. 2017. Vol. 31. P. 67–88.
Boiko A.V., Klyushnev N.V., Nechepurenko Y.M. On stability of Poiseuille flow in grooved channels // Europhysics Letters 2015. Vol. 111. P. 14001-p1–14001-p6.
Kornilov V.I., Boiko A. V. Flat-plate drag reduction with streamwise noncontinuous microblowing // AIAA Journal. 2014. Vol. 52. P. 93–103.
Boiko A.V., Dovgal A.V., Sorokin A.M. Instability of a backward-facing step flow modified by stationary streaky structures // Physics of Fluids. 2012. Vol. 24. P. 104104.1–104104.11.
Kornilov V.I., Boiko A.V. Efficiency of air microblowing through microperforated wall for flat plate drag reduction // AIAA Journal. 2012. Vol. 50. P. 724–732.
Boiko A., Dovgal A., Hein S., Henning A. Particle image velocimetry of a low-Reynolds-number separation bubble // Experiments in Fluids. 2011. Vol. 50. P. 13–21.
Kulik V.M. et al. Viscoelastic properties of silicone rubber with admixture of SiO2 nanoparticles // Materials Science and Engineering: A. 2011. Vol. 528. P. 5729–5732.
Boiko A.V., Kulik V.M., Seoudi B.M., Chun H.H., Lee I. Measurement method of complex viscoelastic material properties // International Journal of Solids and Structures.2010. Vol. 47. P. 374–382.
Boiko A.V., Ivanov A.V., Kachanov Y.S., Mischenko D.A. Steady and unsteady Görtler boundary-layer instability on concave wall // European Journal of Mechanics – B/Fluids. 2010. Vol. 29. P. 61–83.
Seoudi B.M., Kulik V.M., Boiko A.V., Chun H.H., Lee I. New approach to the computation of the form factor of viscoelastic cylinders // Mechanics of Materials // 2009. Vol. 41. P. 495–505.
Kulik V.M.,Semenov B.N., Boiko A.V., Seoudi B.M., Chun H.H., Lee I.Measurement of dynamic properties of viscoelastic materials // Experimental Mechanics. 2009. Vol. 49. P. 417–425.

Лаб. 16. Термогазодинамических технологий

Клинков Сергей Владимирович

заведующий лабораторией, чл.-корр. РАН, д.ф.-м.н.

Заведующий Лабораторией термогазодинамических технологий

член-корр. РАН, д.ф.-м.н. Клинков Сергей Владимирович

тел.: (383) 347-77-77, доб. 5-55

e-mail:klyiii [at] yandex.ru

Направления научных исследований

• Развитие междисциплинарных направлений науки и техники с целью получения прорывных технологий для создания новых функциональных материалов, конструкций, устройств и агрегатов, востребованных в современном машиностроении;

• Создание новых технологий получения функциональных материалов и конструкций при высокоинтенсивном воздействии на прекурсоры термическими (плазма, лазерное излучение) и динамическими (высокоскоростной удар, детонация) методами;

• Развитие методов диагностики и математического моделирования гетерогенных (многофазных) потоков и материалов с целью создания новых материалов и технологий для перспективных транспортных средств.

Важнейшие результаты

Исследовано влияние скорости перемещения сопла и расхода порошка на массу покрытия и коэффициент напыления при холодном газодинамическом напылении.

Изучено ускорение частиц металлов в радиальной сверхзвуковой струе при холодном газодинамическом напылении внутренней поверхности труб.

Показана возможность применения микросопел (до 0,3 мм в диаметре) для напыления металлов методом холодного газодинамического напыления с помощью гелия.

Публикации

1. Klinkov S.V., Kosarev V.F., Shikalov V.S. Influence of nozzle velocity and powder feed rate on the coating mass and deposition efficiency in cold spraying // Surface and Coatings Technology. 2019. Vol. 367. P. 231–243. (Q1)

2. Kiselev S.P., Kiselev V.P., Klinkov S.V., Kosarev V.F., Zaikovskii V.N. Study of the gas-particle radial supersonic jet in the cold spraying // Surface and Coatings Technology. 2017. Vol. 313. P. 24–30. (Q1)

3. Sova A.A., Klinkov S.V., Kosarev V.F. Preliminary study on deposition of aluminium and copper powders by cold spray micronozzle using helium // Surface and Coatings Technology. 2013. Vol. 220. P. 98-101. (Q1)

4. Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф., Фомин В.М. Холодное газодинамическое напыление. Теория и практика / Под. ред. В.М. Фомина. М.: Физматлит, 2010. 536 с.

Достижения и награды

Клинков С.В., д.ф.-м.н., чл.-корр. РАН – Премия Правительства РФ в области науки и техники, 2010 г.