МЕХАНИКА, ЭНЕРГЕТИКА, ГОРНЫЕ НАУКИ

Группу институтов Отделения, работающую в области механики, энергетики и горных наук, всегда отличала большая прикладная составляющая исследований, значительную часть которой занимали оборонные заказы. Руководство Сибирского отделения при формировании ежегодных объемов "базового" финансирования традиционно учитывало эту составляющую. Сегодня, в результате обвального падения числа оборонных заказов у институтов этой группы возникло много проблем, главной из которых является самый низкий в Отделении средний тарифный коэффициент оплаты труда научных сотрудников, что ни в коей мере не соответствует их высокой квалификации и роли этих институтов в структуре Отделения.

Как и у институтов, представляющих физико-техническое направление наук, в этой отрасли науки имеются проблемы с содержанием установок национального масштаба, со старением экспериментальных стендов, диагностической аппаратуры и т.п.

К чести руководства институтов, в целом, им удается сохранить свою экспериментальную базу и содержать подавляющее число установок в рабочем состоянии, а в некоторых случаях, используя возможность кооперации, даже создавать новые перспективные установки. Так, благодаря объединению творческих и технических усилий трех институтов — Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева, Института теоретической и прикладной механики и КТИ гидроимпульсной техники — в 1996 году удалось значительно продвинуться по созданию новой уникальной гиперзвуковой аэродинамической трубы. В 1997 г. необходимо профинансировать эту работу по статье "Поддержка уникального оборудования".

Институты активно пересматривают стратегию поиска новых источников финансирования исследований и имеют к этому весомые основания. В изданном Президиумом в 1996 году сборнике важнейших разработок Отделения, предлагаемых к широкому использованию в народном хозяйстве, около 25 % работ принадлежит институтам этой группы. Вместе с тем, приток средств пока не очень соответствует возможностям. Соотношение заработанных и бюджетных средств у большинства институтов в среднем колеблется от 35:65 до 50:50 (рис. 29а). Либо часть зарабатываемых средств уходит через дочерние фирмы, либо институты недостаточно занимаются маркетингом своей продукции, в частности, за рубежом, либо не хватает производственных мощностей.

Что касается кадрового состава (рис. 29б), то следует иметь ввиду, что половина институтов этой группы была организована в составе Отделения в момент его создания. Имея мощный кадровый научный потенциал (75 % научных сотрудников имеют ученые степени), они уступают институтам следующих поколений по процентному количеству молодых кадров. Достаточно большая доля специалистов, имея докторскую степень и заслуги перед наукой, подошла к пенсионной черте. И здесь проблема омоложения кадров в ближайшие 5 лет будет весьма актуальной. Возможно с этим связан и неровный уровень числа публикаций на одного сотрудника (рис. 29а).

В целом, ученые, работающие в области механики, энергетики и горных наук, сохранили высокий научный потенциал и получили в отчетном году результаты мирового уровня.

Для многих задач нелинейной механики требуются серьезные математические исследования, связанные с получением аналитических решений, доказательством теорем существования и единственности решений, качественного и количественного их описания. В этом направлении в Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева дано обоснование предельного перехода по малым параметрам в уравнениях градиентной теории фазовых переходов на примере краевых задач для уравнений Кана—Хилларда. Доказан ряд теорем о характере сходимости решений этих задач.

Методом верификационной компактности найдено решение проблемы малой сдвиговой вязкости для уравнений Навье—Стокса теплопроводной сжимаемой жидкости в классе сдвиговых течений.

В Институте теоретической и прикладной механики дана классификация характеризуемых дифференциальными связями решений двумерных уравнений газовой динамики. Построены новые классы точных решений. Среди них имеются решения, построение которых сводится к решению систем обыкновенных дифференциальных уравнений.

С помощью методов группового анализа проведены исследования уравнений плоских движений вязкого теплопроводного совершенного газа, являющихся подмоделями ранга 3 для пространственных движений. Построены оптимальная система подалгебр и все инвариантные решения ранга 1.

Любопытный теоретический результат получен в Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева по вопросу о природе серебристых облаков и озонного слоя Земли. Установлено, что на высоте 120 км (рис. 30) происходит самовоспламенение молекулярного водорода, на высоте 165 км он полностью выгорает, а еще выше происходит догорание атомарного водорода. Поэтому водород не покидает атмосферу Земли. Образующийся при сгорании водорода водяной пар опускается вниз и на высоте около 85 км при определенных температурных условиях может превратиться в мельчайшие льдинки, количество которых достаточно для образования хорошо видимых в сумерках серебристых облаков.

В том же процессе горения водорода образуется атомарный кислород, который, соединяясь с молекулярным кислородом, превращается в озон. Причем, мощность этого источника озона пропорциональна концентрации водорода у поверхности Земли и может превосходить все остальные. Это обстоятельство заставит, по-видимому, по-новому взглянуть на причины возникновения озонных "дыр". Энергия, выделяющаяся при горении водорода, достаточна для объяснения существования термосферы.

В этом же институте получены интегральные критерии хрупкой прочности кристаллических тел с трещинами при наличии вакансий и примесных атомов (рис. 31). Пределы осреднения напряжений в дискретно-интегральных критериях поставлены в зависимость от наличия, размера и местоположения дефекта кристаллической решетки в окрестности носика трещины. Величина этих осредненных напряжений не должна превосходить соответствующие теоретические параметры прочности на разрыв или сдвиг. Обнаружено существенное влияние дефектов типа вакансий и примесных атомов в окрестности носика трещины на критические длины трещин и критические нагрузки при разных типах нагружения. Для дискретно-интегральных критериев получены соотношения для критических коэффициентов интенсивности напряжений как острых, так и тупых (на атомном уровне) трещин нормального отрыва, поперечного и продольного сдвигов.

В области аэрогазодинамики в Институте теоретической и прикладной механики экспериментально выявлена топология течения в слое смешения начального участка сверхзвуковой неизобарической осесимметричной струи, истекающей в затопленное пространство, и установлена ее связь с продольными вихревыми структурами типа Тейлора—Гертлера.

Впервые проведено комплексное исследование трехмерной структуры течения при высоких числах Рейнольдса в начальном участке сверхзвуковой неизобарической струи и установлено наличие продольных вихревых структур на границе струи. Доказано, что наблюдаемые продольные вихревые образования существуют в слое смешения сверхзвуковой струи при наличии кривизны линий тока и обусловлены гидродинамической неустойчивостью на режиме перехода от ламинарной формы течения к турбулентной путем формирования вихрей типа Тейлора—Гертлера.

В том же институте разработан, изготовлен и испытан в трехмерном пограничном слое новый источник возмущений — генератор нормальных мод неустойчивости, позволяющий вводить в поток бегущие (гармонические во времени и пространстве) волны неустойчивости, наклонные под заданными углами к направлению потока в широком диапазоне углов (до 85 градусов) и амплитуд (от тысячных долей процента до нескольких процентов от скорости потока). С помощью генератора получен ряд уникальных результатов по линейной устойчивости пограничного слоя на модели скользящего крыла и по комбинационному взаимодействию мод неустойчивости поперечного течения, ведущему к разрушению ламинарного режима. В качестве примера на рис. 33 приведены результаты исследования нелинейного волнового взаимодействия.

При анализе характера поведения амплитуд стационарной (поперечное волновое число b₀) и бегущей (число b₁) мод неустойчивости поперечного течения при их нелинейном взаимодействии обнаружено, что на комбинационной моде b₀+b₁ возникает и начинает экспоненциально усиливаться бегущая волна неустойчивости (в линейном случае при отсутствии взаимодействия она медленно затухает), что является следствием трехволнового резонансного взаимодействия, предсказанного теоретически и ранее экспериментально ненаблюдавшегося в трехмерных пограничных слоях. Этот резонанс является, по-видимому, одним из основных механизмов начала перехода к турбулентности в пограничных слоях на скользящих крыльях.

В Институте механики многофазных систем проведено исследование сферически-симметричных движений газового пузырька в сжимаемой жидкости, заполняющей сферическую колбу, стенки которой могут совершать сферически-симметричные перемещения. Впервые получено полное решение задачи о вынужденных колебаниях пузырька в слабосжимаемой жидкости. Такая задача была поставлена в 40-е годы и ее решение до сих пор отсутствовало. Путем сращивания решений в "ближней" (вблизи пузырька) и "дальней" областях получено полуаналитическое решение. Для периодического закона изменения давления на стенке колбы обнаружено возрастание амплитуды колебаний пузырька со временем (рис. 34). При этом давление в центре газового пузырька в бездиссипативном приближении может стремиться к очень высоким значениям. Предложен метод сверхсильного сжатия газового пузырька в жидкости непериодическим воздействием на жидкость давлением умеренной амплитуды.

В Институте физико-технических проблем Севера экспериментально установлено, что с увеличением дисперсности капиллярно-пористой среды и понижением ее влагонасыщенности кривая фазового равновесия образования газовых гидратов смещается в сторону более низких температур. Учет этого эффекта позволит уточнить оценку потенциальных запасов газа в газогидратных скоплениях земной коры.

Разработана математическая модель многофазной фильтрации газовых смесей в пласте, учитывающая влияние подвижности жидкой фазы и неидеальности газовой фазы на процесс образования и диссоциации газовых гидратов. Предложенная модель позволяет определить движение фронта фазового перехода в интервал изменений давления и проницаемости, при которых необходимо учитывать отклонение от свойств идеального газа.

В Институте горного дела установлен характер излучения сейсмических явлений с энергией 10²—10¹⁰ Дж после промышленных взрывов при ведении горных работ в Алтае-Саянском регионе (рис. 35). Существует устойчивая связь между эпицентром взрыва, индуцированными толчками и местоположением геологических нарушений, которая позволила оценить сейсмическую опасность на удароопасных месторождениях. На основе полученных закономерностей и зависимостей распределения сейсмических явлений в массиве горных пород при динамическом нагружении разработаны способы управления горным давлением, которые прошли успешную апробацию при разработке железорудных месторождений Сибири.

В области проблем машиноведения для развития технологий бурения промыслово-разведочных скважин в сложных геологических условиях обоснована необходимость применения погружных ударных машин нового типа. Учеными Института горного дела СО РАН сформулированы основы и принципы построения этих машин на идее использования аэрированной жидкости высокого давления в качестве энергоносителя и очистного агента.

Газожидкостные ударные машины способны работать в широком диапазоне параметров и состава энергоносителя (от туманов до аэрированной жидкости). Найдены технические решения, разработан и исследован экспериментальный образец погружной ударной машины для бурения разведочных скважин глубиной до 500 м взамен шарошечного способа. Теоретически и экспериментально исследованы энергетические параметры машины в зависимости от состава смеси (рис. 36), противодавления в сливном тракте (на забое скважины) и режима питания. По энергетическим параметрам газожидкостные ударные машины не уступают пневмоударникам высокого давления, а по к.п.д. и интервалам глубин вдвое превосходят их.

В области физико-технических проблем энергетики в Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе исследован теплообмен при восходящем газожидкостном течении в засыпке шаров. Экспериментально показано, что в области снарядного и пузырькового течений радиальная теплопроводность возрастает более чем на порядок, по сравнению с однофазным течением, из-за увеличения пространственной неоднородности течения. Коэффициенты теплообмена со стенкой возрастают до 3 раз по сравнению с однофазным течением (рис. 37). В области капельного течения интенсификация исчезает. Впервые построена двухслойная модель теплообмена потока со стенкой, учитывающая повышенную пористость и пониженную теплопроводность в пристенной ячейке, хорошо обобщающая экспериментальные данные как для однофазного, так и двухфазного течений.

В том же институте методом прямого статистического моделирования в сочетании с численным моделированием на основании решения уравнений Навье—Стокса впервые исследована кинетика неравновесных процессов в трансзвуковой области при испарении (инжекции) с цилиндрической и сферической поверхностей в вакуум.

Установлено, что звуковая поверхность с числом Маха, равным 1, при уменьшении числа Кнудсена, определенного по параметрам источника, сдвигается в область сплошного потока. У поверхности источника расположена зона релаксации неравновесности (область 1 на рис. 38), возникающей при испарении (инжекции) (1). За зоной релаксации следует зона вязкого дозвукового течения (область 2), и далее идет сверхзвуковая область 3. Область потока вне зоны релаксации при локальных числах Кнудсена Kn1<0,01 описывается уравнениями Навье—Стокса. Определены граничные условия для расчета расширения газа в рамках уравнений сплошной среды.

Там же впервые по уравнениям Навье—Стокса с учетом сил поверхностного натяжения рассчитано поле скорости в стекающей по вертикальной волнистой стенке пленке жидкости. Обнаружено существование вихрей (рис. 39) и прослежена их трансформация с ростом числа Рейнольдса.

[В оглавление]

Go to Home Site

[Сл. стр.]