Лаб. 4. Физики быстропротекающих процессов
Лаборатория физики быстропротекающих процессов создана в 1976 году. Основная деятельность лаборатории связана с созданием физико-математических моделей, описывающих процессы высокоскоростного взаимодействия в сплошных, гетерогенных и реагирующих средах. Математическое обоснование созданных моделей численных методов решения ударно-волновых задач и их верификация. Разработка методов управления ударно-волновыми процессами на микро-, макроуровнях и доведение их до конкретных технологий с передачей в отраслевые организации.
В настоящее время лаборатория насчитывает 34 сотрудника, из них:
- академиков -1,
- докторов наук - 10,
- кандидатов наук - 11,
- инженеров - 3,
- аспирантов – 4.
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.
.jpg)
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) |
.jpg) |
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
.jpg)
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
.jpg)
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 Re1∞ за соплом | 1×105 – 9×106м–1 |
| Диапазон чисел Рейнольдса Re1∞ 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.).