Главная – Журналы – Прикладная механика и техническая физика 2017 номер 5

Приведены результаты интраоперационного мониторинга гемодинамических параметров (скорости и давления) в сосудах головного мозга, выполненного в ходе 50 нейрохирургических операций с помощью приборно-измерительного комплекса Volcano ComboMap. Установлено, что введенный параметр удельной нагрузки, используемый в ходе нейрохирургических операций, является значимым параметром успешности операции.

Представлен вариационный подход для решения прямых и обратных задач на основе совместного использования математических моделей и данных мониторинга процессов геофизической гидротермодинамики. Этот подход применяется при решении задач, связанных с природоохранной тематикой. Для учета неопределенностей и ошибок в моделях и данных формулируется вариационный принцип со слабыми ограничениями. Включение неопределенностей позволяет построить прямые безытерационные алгоритмы последовательного усвоения данных, полученных различными наблюдательными системами. Для решения обратных задач экологической безопасности в систему моделирования вводятся критерии и функции управления качеством природной среды. Рассмотрена задача c усвоением данных для Новосибирской агломерации.

Представлен обзор работ, в которых исследуется неустойчивость Рэлея-Тейлора, возникающая при высокоскоростной имплозии лайнеров, и работ, посвященных экспериментальному и численному моделированию развития и подавления этой неустойчивости.

Вычислены характеристики системы уравнений, описывающей трехмерное движение несжимаемой вязкоупругой среды Максвелла в случаях использования в реологическом соотношении верхней, нижней конвективных производных и вращательной производной Яуманна. Для системы, линеаризованной в окрестности состояния покоя, поставлена начально-краевая задача и установлена ее однозначная разрешимость.

Для численного моделирования задач аэродинамики с использованием уравнений Эйлера и Навье - Стокса, записанных в интегральной форме, построена неявная конечно-объемная схема типа предиктор-корректор. На этапе предиктора введено расщепление уравнений по физическим процессам и пространственным направлениям, что позволило свести решение исходной системы к решению отдельных уравнений на дробных шагах методом скалярной прогонки и обеспечить устойчивость алгоритма в целом. Исследованы сверхзвуковые течения газа в сужающемся канале при регулярном и нерегулярном отражении скачка уплотнения от плоскости симметрии, численно подтверждено существование пульсационного режима течения при сверхзвуковом обтекании цилиндра с иглой.

Представлены результаты наблюдения внутреннего волнового бора в прибрежной зоне Японского моря с помощью вертикальных цепочек термисторов. Для интерпретации полученных данных используются математические модели мелкой воды, в которых учитывается влияние нелинейности и дисперсии на распространение пакетов внутренних волн. В рамках теории многослойной мелкой воды решена задача о трансформации уединенной волны во внутренний бор и показана возможность восстановления пространственно-временной картины течения при прохождении внутреннего бора на участке между соседними экспериментальными донными станциями.

Рассматривается магнитогидродинамическое (МГД) течение вязкой электропроводящей несжимаемой жидкости между двумя неподвижными непроницаемыми дисками. На верхнем диске задан вектор однородной плотности электрического тока, направленный по нормали к поверхности, нижний диск является непроводящим. Исследуется принадлежащее к классу течений Кармана точное решение полной системы МГД-уравнений, в котором осевая скорость и магнитное поле зависят только от осевой координаты. Задача содержит два безразмерных параметра: величину плотности электрического тока на верхней пластине $Y$ и число Бэтчелора (магнитное число Прандтля). Предполагается, что внешний источник, создающий осевое магнитное поле, отсутствует. Получено решение для числа Бэтчелора, изменяющегося в диапазоне $0\div 2$. Течение жидкости создается электрическим током. Показано, что при малых значениях $Y$ вектор скорости жидкости имеет только осевую и радиальную компоненты. С увеличением $Y$ интенсивность движения увеличивается, и при критическом значении $Y$ происходит бифуркация нового устойчивого режима течения с вращением жидкости, при этом течение без вращения теряет устойчивость. Особенностью полученного нового точного решения является отсутствие осевого магнитного поля, необходимого для появления азимутальной компоненты пондеромоторной силы, как это имеет место в МГД-динамо. Обнаружен новый механизм бифуркации вращения в МГД-течении.

Выполнено прямое численное моделирование развития неустойчивости и перехода к турбулентности в сверхзвуковом пограничном слое на плоской пластине. Расчеты проведены для умеренных сверхзвуковых (число Маха набегающего потока $\M=2$) и гиперзвуковых ($\M=6$) скоростей. Моделировалось развитие пограничного слоя на этапах линейного роста возмущений, их нелинейного взаимодействия, стохастизации и формирования турбулентного течения. Рассмотрен случай ламинарно-турбулентного перехода, инициированного распределенной шероховатостью поверхности пластины, при числе Маха $\M=2$.

Исследуется проблема экспериментального моделирования формирования разрыва в слое кавитирующей жидкости при ударно-волновом нагружении. Показано, что разрыв принимает форму сегмента сферы и сохраняет ее вплоть до момента замыкания. Поверхность разрыва покрывается динамически растущим тонким пузырьковым пограничным слоем, который в момент замыкания разрыва, излучающего вторичную ударную волну, трансформируется в кольцевой вихревой пузырьковый кластер. Обсуждаются особенности структуры разрыва кавитирующего потока, возникающего при интенсивностях нагружения, не превышающих 0,1 и 5 кДж.

Проведено экспериментальное исследование влияния одиночного элемента шероховатости цилиндрической формы на ламинарно-турбулентный переход при наличии энтропийного слоя. Эксперименты выполнены на затупленной конической модели при числе Маха M =5. Элемент шероховатости размещался на затупленном носике модели. На основе термоанемометрических измерений получена информация о средних и нестационарных параметрах пограничного слоя в следе за элементом шероховатости. Показано, что турбулизация за элементом шероховатости происходит при локальном числе Рейнольдса, вычисляемом по высоте элемента шероховатости и равном 400-500. Установлено, что наличие шероховатости оказывает значительное влияние на нестационарные характеристики пограничного слоя при высоте элемента шероховатости, меньшей эффективной.

Существующий алгоритм определения массового расхода в системах добычи и транспортировки газа по замерам давления на выходе обобщен на случай, когда внутреннее сечение трубы изменяется во времени и также подлежит определению в ходе решения общей задачи. Предлагается использовать данный алгоритм для определения наличия гидратов в таких системах. Рассматривается пример определения наличия гидратов на участке магистрального газопровода в многолетней мерзлоте.

Изучены фильтрационные волны давления в трещинах, находящихся в пористой проницаемой среде. Проанализировано влияние пористости и проницаемости пласта и трещины, ширины трещины, а также реологических свойств насыщающего флюида на динамику возмущений в трещине. Показано, что в пористом проницаемом пласте трещина является волновым каналом, по которому распространяются низкочастотные колебания давления в скважинах. Получены точные решения, описывающие эволюцию полей давления в трещине при мгновенном изменении давления в скважине на постоянную величину. На основе этих решений определены соответствующие зависимости расхода флюида от времени и давления на границах.

На основе численного моделирования, выполненного с использованием двумерной и трехмерной нестационарных постановок, проведен анализ работы многорельсовых электромагнитных ускорителей твердых тел при последовательном ускорении в них нескольких тел с высокой скоростью стрельбы. В расчетах в качестве источника питания ускорителей принимается импульсный магнитогидродинамический генератор типа генератора "Сахалин". Рассмотрены ускорители с тремя и пятью парами параллельно расположенных рельсов, соединенных в последовательную электрическую цепь. Проведено моделирование ускорения различного количества тел в очереди, имеющих различную массу. Установлено, что одним из основных ограничений работы ускорителей при таких режимах является нагрев рельсов. Показано, что скорость нагрева рельсов определяется неоднородностью распределения плотности тока по сечению рельсов, обусловленной нестационарной диффузией магнитного поля в рельсы. В результате расчетов с учетом нестационарного характера распределения плотности токов в рельсах многорельсового ускорителя установлено, что при соответствующем выборе массы ускоряемых тел (до 800 г), их количества в очереди и материала рельсов возможно достижение скоростей метания $1{,}8\div 2{,}5$ км/с при умеренном нагреве рельсов.

С целью развития газофазного метода осаждения алмазных структур методом прямого статистического моделирования исследовано течение смеси водорода с метаном через коаксиальные нагретые вольфрамовые цилиндрические каналы со встроенной в них вольфрамовой спиралью. На основе решения системы уравнений химической кинетики рассчитывались аксиальные распределения концентраций компонентов водородно-углеродной смеси. Проведена серия экспериментов по осаждению алмазных структур из различных потоков смеси водорода и метана. Проведено сравнение результатов расчетов и экспериментальных данных, позволившее сделать вывод о возможности использования расчетной оптимизации режимов работы газодинамических реакторов при осаждении алмазных структур.

С использованием высокоскоростных видеорегистрирующих камер и малоинерционных термопар экспериментально определены скорости испарения капель воды в высокотемпературных газах (на примере потока нагретого воздуха). Эксперименты проводились при начальных размерах (радиусах) капель 1÷3 мм и температуре воздуха 500÷1000 К. Получены зависимости скорости испарения капель воды от времени и температуры газов при различных начальных размерах капли.

Представлены результаты численного моделирования методом молекулярной динамики процессов растворения титана в расплаве алюминия и синтеза интерметаллида при постоянных температуре и давлении. Показано, что при растворении титана в окрестности границы кристалл титана - раствор алюминия образуется интерметаллид TiAl₃. На основе теории слабых растворов построена математическая модель растворения титана в расплаве алюминия. Найдены зависимости коэффициента диффузии, равновесной концентрации титана и скорости растворения от температуры.

Приведены модифицированные уравнения изгиба слоистых ортотропных пластин в первом приближении. В результате аппроксимации решений уравнений трехмерной теории упругости отрезками полиномов Лежандра получены дифференциальные уравнения упругого слоя. Для аппроксимации уравнений равновесия и краевых условий трехмерной теории упругости использовано несколько аппроксимаций каждой искомой функции (напряжений и смещений). Напряжения во внутренних точках пластины определяются из осредненных по ее толщине определяющих уравнений для ортотропного материала. При построении уравнений изгиба слоистых пластин для каждого слоя использованы уравнения упругого слоя и условия сопряжения на границах между слоями - условия непрерывности нормальных напряжений и смещений. Проведено сравнение численного решения задачи об изгибе прямоугольной слоистой пластины, полученного с использованием модифицированных уравнений, и аналитического решения. Установлено, что максимальная погрешность при определении напряжений не превышает 3 %.

В форме гиперболической системы дифференциальных уравнений первого порядка cформулированы определяющие уравнения движения упругой среды с заданными начальными напряжениями. Выведены уравнения распространения малых возмущений в предварительно напряженной изотропной среде с произвольной зависимостью энергии упругой деформации от тензора деформаций и приведены уравнения для квадратичной зависимости энергии упругой деформации от тензора деформаций.

Представлена аналитическая геометрически нелинейная модель гибкого цилиндрического шпангоута (обода) трансформируемого прецизионного крупногабаритного рефлектора применяемых в космической технике антенн, изготовленного с использованием полимерных композиционных материалов с памятью формы. Сформулирована нелинейная краевая задача для шпангоута в деформированном (свернутом) состоянии и получены точные аналитические решения в эллиптических функциях и интегралах, описывающие формы деформирования обода. С использованием геометрически нелинейной модели получены точные аналитические решения, позволяющие определять предварительные геометрические размеры и оптимальную форму гибкого шпангоута, а также оценивать накопленную энергию.

Разработаны численные схемы определения формы и размеров радиальных трещин, образующихся при камуфлетном взрыве удлиненных зарядов, расположенных в монолитном массиве породы на большой глубине и вблизи его поверхности. Исследовано влияние длины заряда на размеры радиальных трещин при камуфлетном взрыве. Определена величина недозаряда скважинного или шпурового заряда, при которой площадь радиальных трещин максимальна.

Приведены результаты экспериментальных исследований лазерных сварных швов высокопрочных алюминиево-литиевых сплавов систем Al-Cu-Li и Al-Mg-Li, подвергнутых различным видам обработки с целью получения высокопрочного сварного соединения. Проведен микроструктурный анализ, исследованы фазовый состав и механические свойства сварных швов до и после термообработки. Установлено, что комплексная термообработка шва (отжиг, закалка и искусственное старение) увеличивает его прочность, однако существенно уменьшает прочность сплава вне зоны термического влияния сварочного процесса.

Предложен метод создания принципиально новых функционально-градиентных гетерогенных материалов на основе керамических порошков B₄C с различной массовой долей в исходной смеси и пластичной металлической добавки Ni с использованием комбинированного метода холодного газодинамического напыления с последующим послойным лазерным воздействием. Исследованы механические свойства полученных треков. Показано, что с увеличением концентрации B₄C в исходной смеси микротвердость трека увеличивается. Установлено, что структура трека зависит от размера керамических частиц в диапазоне 3÷75 мкм. Впервые обнаружено уменьшение размеров частиц B₄C (приблизительно в 2-3 раза) внутри трека в результате дробления при воздействии на них лазерного излучения.