СВОБОДНЫЕ ГРАНИЦЫ
Красиво звучит: свободные границы! В науке действительно границы свободны и открыты для сотрудничества регионального, всероссийского, международного и, разумеется, междисциплинарного в научных центрах Российской академии наук, притом в различных формах и вариациях.
Галина Шпак, «НВС»
Само словосочетание — свободные границы — скрывает и раскрывает множество подтекстов, а научный смысл вполне конкретный: задачи со свободными границами. Этот класс задач, отличающийся богатством и разнообразием содержания, находится в центре внимания специалистов по механике сплошной среды и прикладной математике. Волновые и струйные движения, взаимодействие потоков с деформируемыми конструкциями, фазовые превращения, упруго-пластический переход, вытеснение нефти водой при эксплуатации месторождений — эти столь непохожие процессы объединяет одно обстоятельство: граница области, занятой каждой из фаз, заранее неизвестна.
В научных кругах Сибирское отделение РАН по праву считается признанным центром исследований по данной тематике. Исследования ведутся в институтах Гидродинамики им. М.А. Лаврентьева, Теплофизики им С.С. Кутателадзе, Вычислительного моделирования (г. Красноярск), где сложились крупные научные школы, возглавляемые академиками Л. В. Овсянниковым и В. Е. Накоряковым, членами-корреспондентами РАН С. В. Алексеенко и В. В. Пухначевым.
Теория и приложения задач со свободными границами имеют мультидисциплинарный характер. В этой области работают не только механики и математики, но и специалисты в области физики конденсированного состояния, геофизики, материаловеды, исследователи, занимающиеся инженерными науками. Разнообразие, широкий спектр задач продемонстрировала третья Всероссийская конференция с участием зарубежных ученых «Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения». Конференция состоялась в городе Бийске (теперь он носит гордое имя «наукоград») на базе Бийского технологического института — филиала Алтайского государственного технического университета.
Председатель оргкомитета конференции Владислав Васильевич Пухначев с воодушевлением прокомментировал это событие:
— Прежде всего, я хочу поблагодарить ректора БТИ профессора Г. В. Леонова, проректора
доцента А. Г. Казанцева, заведующего математической кафедрой профессора Т. А. Бондаря, весь локальный оргкомитет за прекрасную организацию конференции. Хочу отметить, что Бийский технологический институт, где обучается пять тысяч студентов по 19 специальностям, работает сорок докторов и 200 кандидатов наук — это ведущий вуз нового наукограда. А его инфраструктура позволяет проводить конференции самого высокого уровня.
Представьте себе конференцию в Сибири, причем не в ее столице, а в глубинке, и ровно половина из сотни участников — не сибиряки. Люди ехали бог знает откуда. Значит, что-то их привлекло. Не только красоты Алтая и Телецкое озеро, на берегу которого состоялись заключительные дискуссии. Прежде всего, привлекает то, что в Сибирском отделении данная тематика представлена лучше, чем где-либо в России. В Бийск стремились не только из Москвы и Санкт-Петербурга. С докладами выступали зарубежные ученые и, что очень важно — работники вузовской и отраслевой науки. Такие встречи дают возможность периодически, раз в три года, в буквальном смысле смотреть, куда переместился передний край исследований. Я не хочу сказать, что только мы его определяем, но хочется верить, что какие-то участки этого переднего края принадлежат сибирским ученым.
— К тому же, метафорически, задачи с открытыми границами можно трактовать как расширение научного сотрудничества.
— Понимаю, что вам ближе термин — открытое общество, в том числе — открытые границы.
Мою невольную терминологическую ошибку Владислав Васильевич тут же использовал:
— Теперь границы свободны, открыты — нет преград между Уралом и Дальним Востоком, между вузами и академиями.
В разговоре выяснилось, что в прошлом году произошли и другие важные события с продолжением их развития в новом году.
— Кроме рождения внука и защиты кандидатской диссертации моей младшей дочерью Наташей (она генетик), отмечу, что в 2008 году в московском издательстве «Физматлит» вышла в свет книга «Современные математические модели конвекции». Написана книга коллективом авторов: В. К. Андреев, Ю. А. Гапоненко, О. Н. Гончарова и
В. В. Пухначев. Сигнальный экземпляр был доставлен в Новосибирск 22 апреля, в день рождения моего учителя Льва Васильевича Овсянникова, а нынче отмечаем его юбилей — девяностолетие!
К слову, я про себя назвала учителя и ученика «весенними теоретиками». И не только потому, что для Владислава Васильевича этот год тоже юбилейный — «круглая» дата с двадцатилетней разницей по возрасту. Просто научная школа академика Овсянникова повлияла на развитие научной школы члена-корреспондента Пухначева, и по-прежнему в той и другой возникают новые идеи, быстро идут в рост научные сотрудники. Факты говорят сами за себя, в том числе выход в свет новой книги.
Книга оказалась с рисунками, на которых изображены различные режимы конвекции. Конвекция — это одна из распространенных форм движения текучей среды, вызванная
ее неоднородностью (градиентами температуры, плотности, концентрации примеси и т. д.). Такие процессы, если так можно выразиться, «держат» жизнь на Земле, помогают работе Солнца, являются основой многих технологических процессов.
— Обратите внимание на последнюю фразу в исходных данных. — Владислав Васильевич прочитал вслух: «В оформлении обложки использованы фотографии, представленные профессором В. С. Бердниковым». Он из Института теплофизики. Очень крупный специалист с мировой известностью.
— Живописно выглядит.
— Это знаменитая проблема Рэлея-Бенара, которой сто лет.
Сразу вспомнился прекрасный «Альбом течений жидкостей» Ван Дайка — специалиста по асимптотическим методам в гидродинамике и эстетически одаренного человека. Эту книгу мне показывал в свое время Сергей Владимирович Алексеенко, директор Института теплофизики.
Скоростная съемка какой-нибудь взрывающейся капли преображается компьютерной графикой с использованием цветовой гаммы, и удивляешься разнообразию живописных форм, структур воды или другой жидкости.
Сравнивая изображения эффектов конвекции, я указала на еще одну замысловатую картинку.
— А она иллюстрирует обнаруженный мной в 1993 году некий эффект нарушения симметрии... — пояснил В. Пухначев.
— Кто же делал этот рисунок?
— Моя «научная внучка» Виктория Бекежанова, ученица профессора В. К. Андреева, старший научный сотрудник Института вычислительного моделирования СО РАН и доцент Сибирского федерального университета в Красноярске. Впрочем, это не просто рисунок, а результат детальных вычислений.
В начале 90-х открылась новая глава в теории конвекции. Примерно лет пятнадцать работы привели к необходимости ревизии устоявшихся представлений. И не только моей работы, конечно. А началось с моей заметки, опубликованной в сборнике «Моделирование в механике», посвященном памяти академика Н. Н. Яненко.
Здесь требуется небольшое отступление. В наших разговорах Владислав Васильевич называл актуальные задачи, которые центрированы вокруг науки механики. Эти задачи привлекают математиков и физиков, химиков и экологов, материаловедов; и кого они только не привлекают. И все же наука под названием «механика» не звучит в национальных программах, которые определяют развитие отечественной техники, экономики и вообще развития страны. Но, когда надо решать фундаментальные проблемы в освоении космоса, земных недр или мирового океана, выясняется, что без механики не обойтись. Примеров больше чем достаточно. Главное, что сказал В. Пухначев, — задачи механики требуют совместной работы исследователей различных специальностей в силу своей фундаментальности. Чтобы решить задачу, необходимы новые методы — аналитические или вычислительные, новые экспериментальные методики. И настало время проверить экспериментально теоретические построения, представленные в книге «Современные математические модели конвекции». К счастью, как выразился мой собеседник, в Сибирском отделении, кроме успешно действующей системы интеграционных проектов, существуют проекты с привлечением других организаций. Лаборатория прикладной и вычислительной гидродинамики, которой руководит В. Пухначев, неоднократно участвовала в конкретных интеграционных проектах СО РАН.
— Это сильная идея. Вы знаете, что систему интеграционных проектов придумал Валентин Афанасьевич Коптюг, но не успел реализовать. Последующее руководство Сибирского отделения и недавно избранные руководители продолжают эту большую научно-организационную работу. Мы участвовали в выполнении междисциплинарного проектах «Гидродинамика вод Байкала». Назову еще проект «Математические модели процессов переноса в условиях микрогравитации». И еще несколько было проектов, но наступил такой этап, когда мы не можем решать новые задачи только своими силами. В данном случае выручил конкурс межрегиональных проектов. У нас хорошие контакты с учеными Перми и Владивостока. Кроме того, есть ближний круг общения с научными группами Красноярска и Барнаула.
Нынче невероятно раздвинули рамки межрегиональных проектов, что привело к здоровой конкуренции. Мы в числе победителей конкурса: межрегиональный проект объединил Пермь, Новосибирск, Красноярск, Владивосток — шесть институтов трех отделений РАН (Уральского, Сибирского, Дальневосточного) плюс группа ученых из Алтайского госуниверситета. Название проекта — «Моделирование, оптимизация и устойчивость конвективных течений».
— Насколько актуальна эта проблема?
— В книге всё написано! Почему, например, планер летает и не грохается на землю? Не только благодаря его аэродинамическим качествам, а потому, что летательный аппарат поддерживают входящие от нагретой Земли конвективные потоки. Гравитационная конвекция играет огромную роль, допустим, в обмене слоев воды в Байкале. Если бы не существовало обмена, то верхние слои воды забирали бы весь кислород, и жизнь в озере сразу же прекратилась бы на глубине нескольких десятков метров. И в теплоэнергетике конвективные течения действуют. Недавно профессор О. А. Кабов, д.ф.-м.н. Е. А. Чиннов и их коллеги из Института теплофизики обнаружили ряд неожиданных эффектов в движении тонких пленок в неоднородных температурных полях. На этом принципе предложены новые способы охлаждения теплонапряженных элементов полупроводниковых устройств. И совсем недавно показывали сюжет по телевидению, как с помощью пленок удалось очищать воду. Здесь важную роль играет термокапиллярная конвекция, возникающая в неоднородно нагретой жидкости при наличии свободной поверхности.
Спектр приложений огромный, но оказалось, что сами модели таких движений недостаточно проработаны. Могу сказать, что первая модель гравитационной конвекции возникла в 1875 году в работе немецкого ученого А. Обербека. Затем, почти через 30 лет, французский ученый Ж. В. Буссинеск опубликовал менее информативную работу. Одно время уравнения носили его имя благодаря «промоутеру» Буссинеска Нобелевскому лауреату Релею, пока профессор Д. Д. Джозеф в процессе написания знаменитого тома по устойчивости течения жидкости не восстановил историческую правду. Он уточнил, узаконил первооткрывателя, и уравнения Обербека-Буссинеска использовали более ста лет как стандартную модель тепловой гравитационной конвекции. Никто не задумывался о пределах применимости этих уравнений. Потом оказалось, что если мы рассматриваем процессы переноса в условиях микрогравитации или в микромасштабах, то эти уравнения могут приводить к неправильным результатам. Это я осознал в 1991 году. С тех пор началось наше сотрудничество по этой тематике с профессором Андреевым и доцентом Гапоненко из Красноярска, профессором Гончаровой из Барнаула. Работа составила содержание целой книги. В ней предложены теоретические построения, и требуется проверить их экспериментально.
Здесь нам будет очень важна совместная работа с пермяками, с Институтом механики сплошных сред Уральского отделения РАН, одного из ведущих российских центров по изучению проблем конвекции. В программе проекта, во-первых, так называемые прямые задачи — исследование конвективных течений и экспериментальная проверка существующих моделей. Но поскольку, особенно в условиях микрогравитации, ресурс ограничен, то мало описывать какие-то процессы. Надо уметь еще управлять ими. Математическая теория управления конвекцией развита профессором Алексеевым и его учениками во Владивостоке. И Геннадий Валентинович тоже участвует в нашем межрегиональном проекте. Мы сейчас думаем, как использовать его знания и опыт для управления конвективными течениями. Как правило, для того, чтобы решить обратную задачу или задачу управления, необходимо в процессе итерации — повторяющейся математической операции — решить много прямых задач, в данном случае, задач конвекции. В Институте гидродинамики под руководством профессора А. Ф. Воеводина разработаны методы решения подобных задач. И мы надеемся, что контакт по линии Пермь — Новосибирск — Красноярск — Владивосток с привлечением Барнаула приведет к какому-то новому качеству — обмену идеями, методами, появлению совместных работ в этой актуальной области механики.
— Владислав Васильевич, можно ли построить или перекинуть мостик от конвекции к задачам со свободными границами?
— В сущности, он давно перекинут, так как термокапиллярная конвекция только потому и существует, что имеется свободная граница. Все пленочные течения, о которых упоминалось — одни из самые ярких и наглядных примеров свободных границ. Сошлюсь на академика В. Е. Накорякова, который недавно в своей статье рассказал, как начиналась эта наука. Когда в сороковые годы академика Петра Леонидовича Капицу отлучили от работы по жидкому гелию и сверхсильным магнитным полям, он находился под домашним арестом на даче на Николиной горе под Москвой. Ему ничего не оставалось делать, кроме как заняться гидродинамикой — экспериментальной и теоретической. Работы Капицы по неустойчивости стекающих пленок цитируются едва ли меньше, чем знаменитые исследования, результаты которых увенчаны Нобелевской премией. Он основоположник науки о волновых движениях тонких пленок. А расцвета эта наука достигла в Новосибирске в научной школе академика Накорякова. Эта тематика была широко представлена на конференции в Бийске.
— Вы обещали прокомментировать свой доклад о движении вязкоупругих сред со свободными границами, совместный доклад с вашим учеником Сергеем Осиповым.
— Сергей теперь работает в научно-техническом центре «Роснефти» в Москве. Это человек настолько увлеченный, что у него хватает энтузиазма в свободное время продолжать заниматься «академической» наукой. Судите сами, он закончил с отличием НГУ, потом получил сертификат по нефтяным делам университета Херриотт-Уотта в Эдинбурге, который готовит специалистов через Томский политехнический университет. У него два магистерских образования. В год окончания аспирантуры мой ученик защитил диссертацию. Кроме основной работы, кандидат наук С. В. Осипов участвует в проекте, поддержанном грантом РФФИ.
Так вот, возникновение задач, которые мы изучали с Осиповым, связано с интересной историей. Нам не давали покоя несколько экспериментальных фактов, обнаруженных в Екатеринбурге, Челябинске и Новосибирске. С уральцами я не контактировал. Зато в нашем институте работает замечательный физик, доктор наук Станислав Васильевич Стебновский. Он обнаружил спонтанный эффект коагуляции капель в окружающем растворе равноплотной жидкости. Все это требует детальных пояснений. А если коротко, эта работа была выполнена, когда мы совершенно неожиданно получили грант в рамках госконтракта «Наука-НАСА». Это было лет тринадцать назад, когда американский Конгресс решил, что фундаментальная наука и так чересчур избыточна, и остановил проходку тоннеля для строительства гигантского коллайдера, хотя на три четверти тоннель был прорыт. Обоснование такое: в Европе создается Большой адронный коллайдер, и этого достаточно. Попутно сократили многомиллиардный бюджет НАСА, но все-таки это Национальное агентство, и часть крепкого бюджета решили разыграть на конкурсной основе в России. Вы помните, в каком положении находилась тогда отечественная наука. Наш проект «Двухфазные течения и фазовые переходы при пониженной гравитации» почему-то шел первым номером. И мы (т. е. сотрудники институтов Гидродинамики, Теплофизики и Механики многофазных систем) работали, ставили лабораторные эксперименты и создавали новые теоретические модели.
Поясню эксперимент Стебновского. Он обнаружил удивительное явление — необычное поведение двух капель масла — подсолнечного, оливкового, силиконового, не важно какого, — взвешенных в популярном растворе спирта и воды.
— В водке, то есть?
— Нет, крепость была меньше. Может быть, сакэ... И вот две капли, на расстоянии порядка их диаметра между ними, максимально изолированные от внешних воздействий, вдруг начинают двигаться друг к другу и сливаться.
— Что бы это значило?
— Вот именно! Такое возможно, если обычные жидкости при малых скоростях сдвига проявляют не только вязкие, но и упругие свойства. Аналогичные гипотезы были высказаны в Екатеринбурге и Челябинске. Возникает вопрос — как объяснить такое явление. Опыты уральцев и сибиряков заинтересовали. Возникло желание построить модели, которые бы учитывали сдвиговые упругие свойства обычных жидкостей, подобных воде, в слабых силовых полях. Примерно об этом мы с Осиповым думали, в том числе, рассказывали на конференции в Бийске. Прошло около года, и к.ф.-м.н. Ю. В. Пивоваров из нашего Института гидродинамики сформулировал и численно реализовал один возможный сценарий процесса спонтанной коагуляции капель, а его коллеги к.ф.-м.н. А. С. Овчарова
и д.ф.-м.н. А. Л. Куперштох предложили и тоже реализовали другой сценарий. Их работы скоро будут опубликованы.
— Наверное, это интересно не просто в смысле научного любопытства?
— Как использовать результаты эксперимента, я пока не знаю. Сначала ведь надо понять явление. Пафос состоит в том, что, когда исследователи переходят к каким-то маленьким масштабам и малым скоростям деформаций, то нельзя игнорировать упругие свойства воды и других жидкостей. А то, что результаты будут когда-нибудь использованы, я не сомневаюсь. Если мы говорим, например, о движении жидкости в микроканалах...
— Это называется микромеханика?
— Не совсем так. Название еще не придумано. Когда я говорил о конвекции, там был придуман термин — «микроконвекция», но он пока не очень прижился, потому что эффекты проявлялись либо в микромасштабах, либо в условиях микрогравитации. Так что мы не следуем какой-то моде. Мы стараемся ставить и решать новые задачи.
В наших разговорах В. Пухначев доходчиво объяснял естественные процессы, происходящие в природе и в научных исследованиях. Что будет с паром, если его жидким азотом полить? Он начнет конденсироваться, превратится в воду. Любой фазовый переход всегда обеспечен свободными границами — границами между паром и жидкостью, жидкостью и твердым телом и так далее. На границах всегда происходит что-то интересное.
Со своей стороны я пыталась выяснить, какие фазовые переходы возникают в движениях при формировании интеграционных проектов, в том числе способов их финансирования и времени реализации. К тому же, любой научно-исследовательский проект не создается на пустом месте.
— На подготовку нашего проекта «Моделирование, оптимизация и устойчивость конвективных течений» ушло три года, с учетом накопленных знаний, — подчеркнул В. Пухначев. — Раньше мы участвовали не без успеха во внутренних проектах Сибирского отделения. А сейчас у нас тройственный союз — Урал, Сибирь, Дальний Восток, и каждое отделение РАН финансирует свою часть исследований.
— А я думала, что деньги дает Москва, большая Академия.
— Нет, в столице система интеграционных проектов еще не работает. Это сибирское изобретение. Да, сейчас приходится рассчитывать не время, а деньги. Извините, но это так. А в развитии системы интеграционных проектов наступил этап кооперации с другими региональными отделениями и даже международными. Посмотрите, в конкурсе было несколько межрегиональных проектов, например, с участием научных групп Китая. Проводился уже третий конкурс такого рода, показавший свою жизнеспособность и возможность привлекать к работе ученых издалека. Эти проекты среднесрочные, а ведь иногда бывают задачи, которые не решить за три года. К тому же, в следующий раз для завершения проекта очень трудно выиграть любой новый грант на ту же тему. Но все равно исследования будут продолжаться в каких-то других рамках. Может быть, с вузами будет кооперация, будут появляться аспиранты, которым надо защищать диссертации. А сейчас вдруг у нас стали появляться студенты.
— Разве их не было?
— Это что — новость? Было время, когда огромные массы студентов устремились в «компьютер сайенс» (не путать с вычислительной математикой). Я, кроме Института гидродинамики, сорок лет проработал на кафедре гидродинамики НГУ. Так получилось, что недавно меня избрали заведующим кафедрой теоретической механики. И сейчас на этой кафедре специализируется шестнадцать студентов. Это много. Есть студенты у нас, и в Красноярске, и в Барнауле. Мы вовлекаем их в работу по проектам через научную школу, которой я руковожу много лет. Как раз научная школа — это устойчивое образование. Тем более, обеспеченное государственной поддержкой. В условиях школы можно развивать определенную тематику в течение длительного времени. Наша научная школа, развивающая теорию и приложения задач со свободными границами, начала складываться в 1989 году.
Получается, что в 2009 году научная школа члена-корреспондента РАН В. В. Пухначева отмечает свое двадцатилетие. Хорошее событие!
стр. 6-7
|
