2. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

В области газовой динамики и аэродинамики в Институте теоретической и прикладной механики завершен цикл исследований по управлению сверхзвуковым обтеканием затупленных осесимметричных тел (в том числе тел с аэродинамической иглой) при подводе массы и тепловыделении от горения газообразных топлив в передней и донной отрывных зонах (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Обобщающая зависимость снижения донного сопротивления при тепло- и массоподводе в донной области для чисел Маха М=1,5-4 (значками отмечены экспериментальные данные для гелия, азота, аргона и горения топлив).

Выявлены закономерности изменения газодинамической структуры течения и параметров в зоне отрыва, характеристик силового воздействия и зависимости от геометрической формы тела, параметров внешнего потока, способов выдува и физико-химических характеристик инжектируемой массы. На основе простых физических моделей течения получены полуэмпирические зависимости аэродинамических характеристик, учитывающие особенности обтекания, и даны рекомендации для практического использования.

В Институте гидродинамики им. М.А.Лаврентьева изучены механизмы взрыва ряда газовых и гетерогенных систем (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Фоторазвертка спиновой детонации в трубке с пылью тэна при P₀=0.

Исследована возможность возникновения детонации в вакуумированных узких трубках (диаметр d=2-3 мм) с напыленными на стенки взрывчатыми веществами различной чувствительности, первичными и вторичными. При этом давление воздуха P_o внутри трубки менялось от атмосферного до нуля (менее 50 Па). Инициирование производилось электрической искрой. Обнаружен спиновый режим детонации тонких слоев дисперсных взрывчатых веществ (азида свинца, тена, гексогена) на стенках трубок при P_o=0, когда инициирующая ударная волна в газе исчезает и перенос воспламенения осуществляется продуктами самого взрыва. При этом поперечная акустическая волна-"шлейф" тянется как назад от зоны реакции, так и вперед от нее, постепенно теряя свечение со стороны вакуума. Впервые показано, что спиновая детонация может распространяться со скоростью большей классической скорости Чепме-на-Жуге. Обнаруженное явление не описывается существующими моделями детонации и требует разработки новых моделей. Результат принципиально важен как в научном плане, так и в практических приложениях, например, при оценке взрывоопасности распылов топлива, образующихся при авариях в топливных системах высотных и космических летательных аппаратов.

В области механики многофазных сред в том же институте изучена термодинамическая неравновесность дисперсных систем, изолированных от внешних воздействий. В механике существует проблема устойчивости структуры таких дисперсных сред, как эмульсии и суспензии: при воздействии на них внешних факторов (гравитационного поля, колебания температуры, вибрации и др.) дисперсные частицы собираются в ассоциаты, изменяя реологические параметры среды. Экспериментально установлено, что если в матрице I (полярная жидкость или жидкообразное тело) содержатся два или больше дисперсных элемента II (рис. 2.14), то такая система термодинамически неравновесна и в случае полной изоляции от внешних воздействий и отсутствия в среде градиента поля температуры.

Рис. 2.14. Сближение дисперсных элементов в равноплотных матрицах:
1 - капель подсолнечного масла (R=0,5 см) в спиртововодном растворе; 2 - твердых сфер в глицерине (R=0,3 см); 3 - воздушных пор в упругом геле (R=0,15 см).

Между дисперсными элементами действуют силы притяжения, обусловленные очень слабым градиентом поля давлений в матрице, который формируется межфазным натяжением на границе раздела "матрица-дисперсный элемент" Таким образом, и в изолированных от внешних воздействий дисперсных системах непрерывно протекает процесс медленного взаимного притяжения частиц - необратимого снижения уровня свободной энергии системы (ее "старение"). Этот эффект влияет на параметры дисперсных систем и его необходимо учитывать при решении задач химической технологии, формирования гетерогенных сред с равномерно распределенной по объему дисперсной фазой, а также в задачах термодинамики неравновесных процессов.

В Институте механики многофазных систем (ныне - Тюменский филиал ИТПМ СО РАН) на основе численного моделирования фильтрационных процессов в слоисто-неоднородных пластах выявлен эффект перетока жидкости между пропластками с различной проницаемостью через скважину при ее остановке (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Объем перетоков жидкости в зависи мости от значений проницаемости пропластков k.

В случае остановки добывающей скважины переток происходит из высоко- в низкопроницаемые пропластки, в случае остановки нагнетательной скважины - наоборот из низко- в высокопроницаемые. Объем перетекающей жидкости немонотонно зависит от соотношения проницаемостей пропластков и достигает 1 м³ на 1 м мощности пласта. Эффект можно использовать для селективной доставки химреагентов в пропластки с заданной проницаемостью.

В области механики деформируемых твердых тел в Институте гидродинамики разработан и апробирован комбинированный подход (улучшение методом квадратичной аппроксимации Паде результатов, полученных методом малого параметра и последовательного догружения) с учетом кратности и густоты спектра задачи о потере устойчивости. Аналитически и численно обнаружены взаимодействие и перестройка собственных форм потери устойчивости пологих цилиндрических оболочек в процессе догружения. Для стержня на упругом основании теоретически предсказана и экспериментально подтверждена возможность устойчивого, неустойчивого и безразличного закритического поведения в зависимости от геометрических и жесткостных характеристик системы. Для гибкого сжатого стержня получено простое решение, практически совпадающее с точным (рис. 2.16) вплоть до больших перемещений (стержень образует петлю).

Рис. 2.16. Решение для сжатия гибкого стержня (сплошная линия - точное решение, штриховая - приближенное), Р_э - нагрузка Эйлера.

В Институте вычислительного моделирования получены оригинальные результаты в области построения обобщенных решений задач динамического деформирования упругопластических сред. На основе формулировки моделей в виде вариационных неравенств впервые проведена полная классификация ударных волн в упрочняющихся средах при условиях пластичности Мизеса и Треска-Сен-Венана. Показано, что в таких средах реализуются нейтральные разрывы, распространяющиеся со скоростями продольных и поперечных упругих волн, и диссипативные разрывы: продольные волны неполной и полной пластичности, а также диссипативные поперечные и квазипоперечные ударные волны. При помощи разностной аппроксимации вариационных неравенств построены экономичные численные методы решения динамических задач с учетом разгрузки, обладающие высокой точностью при расчете разрывных решений (рис. 2.17).

Рис. 2.17. Распределение нормального напряжения при импульсном нагружении упруго-пластического клина: 1 - упругий предвестник; 2 - продольная волна неполной пластичности; 3 - продольная волна полной пластичности.

В Институте физики прочности и материаловедения развит новый подход к описанию пластической деформации и разрушения твердых тел. Экспериментально и теоретически показано, что пластическая деформация в нагружаемом твердом теле развивается стадийно, как эволюция масштабных уровней потери сдвиговой устойчивости (рис. 2.18).

Рис.2.18. Масштабные уровни потери сдвиговой устойчивости в деформируемом твердом теле (схема): а - микро; б - мезо I; в - мезо II; г - макро.

Механизмы деформации, их носители и стадии кривой "напряжения-деформация" на различных масштабных уровнях подчиняются принципу масштабной инвариантности. Каждая стадия характеризуется самоорганизацией свойственных ей элементов мезосубструктур и в точке бифуркации сменяется стадией более высокого масштабного уровня. Разрушение классифицируется как глобальная потеря сдвиговой устойчивости на макромасштабном уровне.

В рамках интеграционного проекта "Физические процессы на границах раздела при получении гетерогенных материалов и покрытий" теоретически и экспериментально показано, что в нагруженной структурно-неоднородной среде в приграничных зонах внутренних границ раздела возникает осцилляция локальных напряжений и деформаций, амплитуда которых существенно превышает их средние значения в объеме материала (рис. 2.19). На микромасштабном уровне такие осцилляции напряжений рождают потоки дислокаций, на мезомасштабном уровне - протяженные мезополосы деформации, на макромасштабном уровне - стационарное распределение макрополос локализованной деформации и разрушение материала.

Рис. 2.19. Расчет распределения деформаций в окрестности границы раздела AB.

Полученные результаты имеют важные приложения в механике структурно-неоднородных сред, геодинамике, материаловедении в машиностроении, технологии получения многослойных структур в электронике. Они определяют роль внутренней структуры в пластичности и прочности конструкционных материалов, эксплуатационные характеристики упрочняющих и защитных покрытий, процессы износа на поверхностях трения, электрические характеристики многослойных структур для электроники. На рис. 2.20 показана осцилляция кривизны границы раздела "диэлектрик - полупроводник арсенид галлия", которая сильно возмущает электрические характеристики МДП-структуры. Модификация границы раздела специальным легированием устраняет ее осциллирующую кривизну и обеспечивает рабочие характеристики МДП-структуры.

Рис. 2.20. Пленка SiO₂ (d - 0,17 мкм) на поверхности полупроводниковой подложки GaAs. Туннельная микроскопия.

В Институте физико-технических проблем Севера получены алмазометаллические покрытия и композиты (рис. 2.21) при различных режимах плазменного напыления и взрывного прессования смесей сложнолегированных порошков на основе никеля и железа с алмазными порошками разной дисперсности. Выявлено, что при использовании алмазов меньшей дисперсности уровень их содержания в покрытиях выше, чем при использовании частиц большей крупности.

Рис. 2.21. Структура напыленных и оплавленных алмазосодержащих покрытий.

В том же институте на основе кинетического подхода разработана феноменологическая схема условий зарождения и развития замедленного разрушения сварных соединений. Предложен структурно чувствительный параметр оценки сопротивляемости их замедленному разрушению. Установлена корреляция этой характеристики с критериями механики разрушения.

Исследованиями, проведенными совместно специалистами Института неметаллических материалов и Якутского госуниверситета, установлено повышение износостойкости и эластичности композитов на основе политетра- фторэтилена (ПТФЭ) при использовании в качестве наполнителей активированных механическим способом оксидов переходных металлов (рис. 2.22).

Рис. 2.22. Влияние активаций на износостойкость и эластичность композитов на основе ПТФЭ.

Экспериментально обоснованы оптимальные режимы обработки порошков в планетарной мельнице, обеспечивающие повышение износостойкости в 2-10 раз и эластичности в 1,3-1,5 раза по сравнению с композитами, содержащими неактивированный наполнитель.

В Институте теоретической и прикладной механики разработана новая модель процесса - самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в реагирующих металлических порошках, позволяющая описать многофронтовую структуру волны безгазового горения и рассчитать состав конечного продукта (рис. 2.23). Показана возможность запуска СВС-реакции на поверхности при холодном газодинамическом напылении, что позволит получать покрытия на конструкциях, обладающих большими площадями.

Рис. 2.23. Численное решение плоской задачи о локальном зажигании и распространении волны СВС в смеси порошков никеля и алюминия со временем t, с: а - 90,7549; б - 90,7567.

В Институте вычислительного моделирования изучена линейная и слаболинейная устойчивость поверхности раздела в математической модели процесса выращивания кристаллов из расплава. Модель учитывает эффекты термокапиллярности и электрической поляризации. Определены зоны устойчивости для широкого набора безразмерных физических и геометрических параметров системы. Показан интересный эффект понижения устойчивости при увеличении радиуса внутренней нерасплавленной зоны для небольших чисел Прандтля. Выяснен механизм формирования динамики поверхности раздела. Исследованная устойчивость в математической модели тесно связана с осуществимостью физического процесса, его производительностью и качеством кристаллов.

Рис. 2.24. Сравнительные характеристики энергоемкости микродвигателей. А - сегнетоэлектрический, В - идеальный диэлектрический, С - двигатель на лавсановой пленке, D - пьезоэлектрический.

В Институте автоматики и электрометрии (совместно с Институтом математики) теоретически обоснован и экспериментально апробирован новый способ высокоэффективного электромеханического преобразования энергии, основанный на нелинейных эффектах в тонком слое сегнетоэлектрика при электростатическом накате металлических пленок на его поверхность и при напряжениях, совместимых с рабочими напряжениями интегральных схем. Способ обеспечивает высокую концентрацию энергии (до 500 Дж/м²) при напряжениях электростатического наката менее 50 В (рис. 2.24).

• Диаграммы

---

Go to Home Site

[ В оглавление.] [Сл. раздел.]