2. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

ИНФОРМАТИКА  ЭНЕРГЕТИКА  МЕХАНИКА

ИНФОРМАТИКА

В Институте систем информатики им. А.П. Ершова предложена и разработана концепция документа в информационном пространстве, преодолевающая двойственность документа (статичность – динамичность), для чего вводится понятие экземпляра документа как статически публикуемой единицы. Следовательно, устраняется одна из главных проблем, препятствующих решению задачи создания и поддержания электронных коллекций однородных и неоднородных данных для случая децентрализации данных и каталогов, заключающаяся в идентификации опубликованного объекта с учетом его потенциальной изменчивости (рис. 2.1). Документом при этом является множество экземпляров, относящихся к одной идентификации. Созданная технология позволяет оформлять разнообразные XML-документы, обеспечивая их однородное поддержание и использование в условиях децентрализованной распределенной структуры.

Рис. 2.1. Технология работы с распределенными документами.

С развитием космического аппаратостроения большое значение приобретает переход к проектированию и изготовлению космических аппаратов (КА) нового поколения, имеющих негерметичное исполнение. Такие КА имеют меньший вес, повышенную надежность и срок активного существования до 15 лет. Вместе с тем такая конструкция КА предъявляет определенные требования к обеспечению теплового режима. В Институте вычислительного моделирования выполнен цикл экспериментального и численного моделирования тепловых режимов космических аппаратов негерметичного исполнения, движущихся по произвольной орбите, с учетом эффективной теплоемкости конструкции и приборов, теплового сопротивле ния контактных узлов и переменной теплопроводности радиационных панелей. С этой целью разработан и внедрен в НПО ПМ им. академика М.Ф.Решетнева пакет прикладных программ. Отработка тепловых режимов отдельных блоков и узлов разрабатываемых космических аппаратов проведена на экспериментальном тепловакуумном стенде Института (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Распределение температуры на поверхности космического аппарата негерметичного исполнения.

В Институте вычислительной математики и математической геофизики разработан эффективный численно-аналитический метод решения трехмерных задач геофизики на основе комплексирования конечных интегральных преобразований по пространственным переменным с высокоточными разностными схемами. На его основе создан математический инструментарий для решения широкого класса задач по распространению акустических и сейсмических волн в неоднородных средах на многопроцессорных ЭВМ (рис. 2.3) и построения моделей мониторинга сейсмоопасных зон и структуры эксплуатируемых нефтяных месторождений.

Рис. 2.3. Пример визуализации сейсмического волнового поля для сложной модели среды, перекрытой траппами (Красноярский край). Волна распространяется от источника, расположенного в правом верхнем углу рисунка. Блоки имеют разную скорость звука.

В том же Институте в течение последних пяти лет разработана теория весовых стохастических вычислительных моделей с явной аналитической зависимостью статистических весов от параметров, что позволяет строить эффективные функциональные оценки и вычислять параметрические производные при решении задач теории переноса излучения, диффузии примеси и других краевых задач математической физики. В частности, существенно улучшены оценки параметров асимптотических решений кинетических уравнений, практически важных для исследования помехи обратного рассеяния при лазерном зондировании и определения критичности реакторных систем. Построены алгоритмы решения обратных задач восстановления оптических характеристик среды (атмосферы, облаков) по наблюдениям поляризованного излучения и идентификации стохастических динамических систем.

В Институте вычислительных технологий разработаны конечно-разностные схемы с управляемой аппроксимационной вязкостью на адаптивных сетках и на их основе создан вычислительный инструментарий для расчета параметров аномальных волновых режимов катастрофического характера, позволяющий моделировать динамику волн цунами в прибрежных водоемах со сложной геометрией берегов и реальной топографией дна (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Верификация вычислительного инструментария на примере моделирования процесса затопления от цунами южной оконечности острова Окушири.

В том же Институте совместно с ИТПМ разработан метод решения прямых и обратных задач теории армированных оболочек, позволивший решить ряд практически важных задач расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) армированных дисков, куполов, сводов, зеркальных антенн, резервуаров и сосудов высокого давления в геометрически линейной и нелинейной постановках. Исследовано влияние структур армирования композиционных материалов на поведение конструкций, выявлены различные механизмы разрушения, найдены схемы армирования, при которых поведение конструкций является наилучшим (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Зависимость максимальных прогибов (Wmax) от структурных параметров композита для алюминий-углеродного (a) и титан-углеродного (б) зеркал параболической антенны, показывающие существенное влияние структурных параметров композита на жесткость конструкции. Здесь w – концентрация волокон, y – угол армирования.

Получены классы аналитических решений обратных задач рационального проектирования армированных конструкций. Найдены законы распределения толщин, углов и интенсивностей армирования, обеспечивающие рациональные напряженные состояния в конструкциях. Определены условия, при которых НДС композитных конструкций будут обладать рациональными свойствами (безмоментности, равнонапряженности, равнодеформируемости и т.д.).

ЭНЕРГЕТИКА

В Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе впервые экспериментально обнаружено явление "горизонтальной стоячей волны" при локальном нагреве гравитационно стекающей пленки жидкости, переохлажденной относительно температуры насыщения. Установлено, что при пороговом значении плотности теплового потока модуль поверхностного градиента температуры в области верхней кромки нагревателя внезапно существенно возрастает до значений более 10 К/мм (рис. 2.6, а). С помощью видеосъемки и дальнейшей компьютерной обработки изображения установлено, что в месте повышенного градиента температуры возникает вал жидкости, имеющий горизонтальную ориентацию. Ниже горизонтальной стоячей волны течение разделяется на вертикальные струи (рис. 2.6, б), следующие с определенной длиной волны, и тонкую пленку между ними. Как показали прямые измерения температуры границы раздела, причиной появления горизонтальной стоячей волны является интенсивная термокапиллярная конвекция навстречу основному потоку жидкости.


Рис. 2.6, а. Термограмма градиента температуры на поверхности пленки 25%-го раствора этилового спирта в воде по нагревателю Re = 2, q = 4,8 Вт/см2 (Re – число Рейнольдса, q – плотность теплового потока). Шкала справа – K/мм.

  

Рис. 2.6, б. Видеосъемка течения пленки 25%-го раствора этилового спирта в воде по нагревателю Re = 2, q = 4,6 Вт/см2. L – характерная длина волны.

Обнаруженные явления позволяют предложить новый метод интенсификации теплообмена при испарении стекающих пленок жидкости с использованием поверхностей с неравномерным распределением плотности теплового потока и выявить фундаментальные закономерности развития переходных процессов и кризисов при кипении и испарении. Результаты исследований необходимы при расчете теплообменников, парогенераторов в криогенной, холодильной и теплонасосной технике.

В том же Институте разработан мощный источник оптического излучения на основе безэлектродного низкочастотного разряда трансформаторного типа в парах серы и ртути. Источник представляет собой газоразрядную камеру, выполненную в виде тора и являющуюся вторичным витком трансформатора (рис. 2.7). Такой способ получения оптического излучения для источников большой мощности осуществлен впервые в мировой практике. Отсутствие электродов в индукционном разряде трансформаторного типа позволяет увеличить ресурс работы источника до 10000 часов и более.

Источник имеет значительную протяженность светящегося объема и рекордно высокие общий световой поток и соотношение "световой поток – мощность", что позволяет применить данное устройство для освещения крупных объектов (железнодорожных станций, аэропортов и морских портов, заполярных городов и т.п.), а также в разнообразных технологиях, требующих высоких световых потоков ультрафиолетового излучения, поскольку разряд в парах ртути при полной мощности разряда до 43 кВт сопровождается интенсивным свечением в ультрафиолетовой области спектра.

В Институте физико-технических проблем Севера разработан новый метод экспериментального определения теплофизических свойств материалов с учетом фазовых переходов и теплоты кристаллизации связанной воды как функции влагосодержания и температуры, существенно повышающий информативность и точность эксперимента.

 

Рис. 2.7. Общий вид источника трансформаторного типа.

  

Рис. 2.8. Зависимость количества незамерзшей воды в глинистом грунте от температуры и общего влагосодержания.

Впервые экспериментально установлена зависимость количества незамерзшей воды от общего влагосодержания для глинистых грунтов (рис. 2.8). Полученные новые экспериментальные данные по теплоте кристаллизации связанной воды и количеству незамерзшей воды используются при численных расчетах тепло- и массообменных процессов в дисперсных материалах с фазовыми переходами.

В Институте теоретической и прикладной механики завершен цикл теоретических и экспериментальных исследований роторных машин трения многофункционального назначения от малошумящих бытовых вентиляторов до химических аппаратов и автономных источников энергообеспечения с применением элементов прямого преобразования энергии (рис. 2.9, а и 2.9, б). Развита концепция рациональной организации термогазодинамических процессов этих машин с целью повышения их энергетической и экологической эффективности, на ее основе созданы пилотные образцы техники и проведено их испытание в реальных условиях.

 

Рис. 2.9, а. Генератор тока на основе прямого преобразования энергии, разработанный по заказу МЧС РФ.

  

Рис. 2.9, б. Очистной вентилятор для животноводческих комплексов.

В Институте систем энергетики им. Л.А. Меленетьева разработана концепция энергетической безопасности России и ее регионов, включающая:

Рис. 2.10. Основные направления обеспечения энергетической безопасности.

Разработанная концепция легла в основу Доктрины энергетической безопасности России, одобренной Межведомственной комиссией по экономической безопасности Совета Безопасности РФ в феврале 1998 г., а также системы мониторинга энергетической и экономической безопасности регионов России, удостоенной премии Правительства РФ 2000 г. в области науки и техники.

В КТИ вычислительной техники разработана концепция построения системы диспетчерского управления крупными пространственно-распределенными транспортными и энергетическими предприятиями, основанная на применении современных и перспективных систем коммуникаций. Созданы инструментальные средства генерирования системы. Имеется несколько практических реализаций системы на промышленных предприятиях. В частности, впервые в стране по заказу ОАО "Сибнефтепровод" разработан и создан программно-технический комплекс многоуровневой распределенной АСУ технологическими процессами магистральных нефтепроводов, внедренный в Урайском управлении магистральных нефтепроводов. Основными объектами автоматизации является электротехническое и насосно-транспортное оборудование нефтеперекачивающих станций и контролируемых пунктов линейных участков нефтепровода, расположенных на территории 520 на 500км (рис. 2.11). К настоящему моменту полностью введены в опытно-промышленную эксплуатацию все программно-технические средства верхнего, среднего и нижнего уровней на 15 нефтеперекачивающих станциях. Таким образом, АСУ ТП функционирует полностью.

Рис. 2.11. Программно-технический комплекс многоуровневой распределенной АСУ технологическими процессами магистральных нефтепроводов.

МЕХАНИКА

В Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева принципиально решена проблема управляемого непрерывного детонационного сжигания практически всех известных жидких и газообразных горючих при использовании в качестве окислителя кислорода (как жидкого, так и газообразного), а также воздуха. Изучена структура детонационных волн, определены критерии и области существования детонационных режимов. Созданы расчетные модели течения в области детонационных волн.

На рис. 2.12, а представлена одна из рабочих схем реализации режима детонационного сжигания топлива во вращающихся в одном направлении поперечных детонационных волнах (ПДВ) – схема Б.В. Войцеховского. Исходные компоненты 1 поступают в кольцевой канал 2. Смесь образуется в области 3, и по ней распространяется фронт ПДВ 4 со скоростью детонации D. За фронтом ПДВ продукты детонации оттесняются свежей смесью, и непрерывно создается детонационноспособный слой смеси, по которому распространяется следующая ПДВ или эта же ПДВ при одноволновом режиме (на данном рисунке представлены две ПДВ). Продукты детонации 5 истекают из открытого конца кольцевого канала. К фронту ПДВ примыкает шлейф 7 – ударная волна в продуктах. За фронтом ПДВ возможен заброс продуктов в систему подачи топлива 8. На рис. 2.12, б – г приведены развернутые на плоскость фоторегистрограммы типичных ПДВ для различных топлив.

Рис. 2.12. Детонационное сжигание топлива: а – схема реализации (пояснена в тексте); б – г – снимки типичных поперечных детонационных волн: б – пропан + кислород, в – ацетон + кислород, г – керосин + жидкий кислород.

Проведенные исследования являются базой для практического применения детонационного сжигания в двигателях, энергетических установках, химических реакторах и МГД-генераторах.

В Институте физики прочности и материалове дения экспериментально и теоретически показано, что пластическая деформация связана с потерей сдвиговой устойчивости нагруженного твердого тела в локальных зонах концентраторов напряжений всех масштабов и развивается как автоволновой процесс на всех структурных уровнях по схеме "сдвиг + поворот".

Важнейшими мезоскопическими структурными уровнями деформации являются поверхностные слои нагруженного материала и его внутренние границы раздела. Они классифицируются как активная сдвигонеустойчивая среда, в которой распространяются первичные упругопластические волны. Поверхностные волны генерируют все виды деформационных дефектов, которые распространяются в объеме материала и осуществляют его пластическое течение (рис. 2.13).

Масштаб: x 130000 раз x 250 раз
Рис. 2.13. Поверхностные волны в авиационном сплаве дуралюмин (а) и в конструкционной стали (б), обнаруженные с помощью разработанных в Институте уникальных приборов.

На основе этой схемы построена обобщенная иерархическая модель деформации и изнашивания, в которой вихревое движение мезообъемов сопровождается формированием дискретных частиц износа (рис. 2.14). Блокирование (подавление) образования мезовихрей путем создания градиентной структуры в поверхностном слое препятствует образованию частиц износа и уменьшает интенсивность изнашивания. Разработан ряд поверхностно упрочняющих технологий, которые обеспечивают высокую стойкость материалов к изнашиванию как в абразивной среде, так и в парах трения.

Рис. 2.14. Вихревая структура в приповерхностном слое меди при трении (поперечное сечение): а – оптическое изображение; б – мезоструктура деформированного слоя в полях векторов смещений.

Оптимизация формы и крыльевых профилей летательных аппаратов (ЛА) практически исчерпала свои возможности. Дальнейшее повышение экономической эффективности ЛА связано с одним из перспективных направлений аэрогазодинамики, а именно с поиском средств активного воздействия на характер обтекания ЛА различного назначения с целью уменьшения сопротивления или увеличения подъемной силы.

В Институте теоретической и прикладной механики выполнены комплексные исследования различных способов активного воздействия на поток при сверхзвуковом обтекании тел: механических, газодинамических (выдув в поток массы газа, двухфазного потока или тонких струй из элементов обтекаемого тела), механических в сочетании с газодинамическими и горением газа вблизи поверхности, а также локального тепловыделения в окрестности обтекаемого тела за счет лазерного или СВЧ-излучения и объемного электрического разряда вблизи тела (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Влияние электрического разряда на сверхзвуковой поток (МҐ = 3,2); а – обтекание тела без разряда, б – с разрядом, в – зависимость давления на фронтальной поверхности тела от относительной мощности разряда, статического давления набегающего потока и числа Маха.
М – число Маха, P1 – статическое давление набегающего потока, P01 – давление без разряда, P02 – давление с разрядом, Qd и Qf – мощности разряда и потока соответственно.

Для каждого способа изучены физические процессы, позволяющие снизить сопротивление ЛА, и даны рекомендации по их применению для конкретных изделий.

В Институте неметаллических материалов экспериментальными исследованиями в отвержденных реактопластах выявлен эффект локализации деформаций при низких температурах. Эффект проявляется в результате изменения механизма деформирования при понижении температуры, которое происходит вследствие последовательного снижения подвижности элементов поперечных связей в структурных образованиях в матрице композита (рис. 2.16).

Рис. 2.16. Температурная зависимость несущей способности слоистого стеклопластика при изгибе. Геометрические размеры образцов: длинные – 140 мм x 20 мм x 5 мм; средние – 100 мм x 20 мм x 5 мм; короткие – 80 мм x 20 мм x 5 мм.

Научная новизна заключается в обнаруженном низкотемпературном механизме деформирования отвержденных смол в составе композита, что является фундаментальной основой для создания принципиально новой модели деформирования полимерных систем. Описанный выше механизм деформирования связующего композитов позволяет объяснить нестандартное поведение этих материалов в процессе механической работы в области отрицательных температур.

В КТИ гидроимпульсной техники создан модернизированный агрегат резки АРТПМ для замены оборудования на заводе РТ-1 ПО "Маяк" в технологической линии регенерации ядерного топлива, отвечающий современным требованиям по конструкции, системе управления и контроля (рис. 2.17). В новой разработке достигнуто снижение массы агрегата на 15 % при сохранении требуемых усилий рабочих органов; осуществлен перевод на стандартное промышленное давление рабочей жидкости – 32 МПа; применена гидроаппаратура встраиваемого типа; разработана система управления с применением компьютерной техники. На АРТПМ впервые были выполнены исследования по резке тепловыделяющих сборок (ТВС) самых мощных в России ядерных реакторов ВВЭР-1000 на имитаторах из штатных материалов (нержавеющая сталь, цирконий). Полученные результаты показали, что на основе новой конструкции агрегата резки возможно создание агрегатов по переработке ТВС всех существующих типов реакторов.

Рис. 2.17. Общий вид агрегата резки.

В Институте теоретической и прикладной механики разработаны высокопроизводительные технология и оборудование для лазерного раскроя листов электротехнической стали толщиной 0,2 – 0,7 мм, которые внедрены на Новосибирском НПО "ЭЛСИБ". Использование данной технологии обеспечивает сокращение времени подготовки производства и изготовления шихтованных сердечников электрических машин в ~ 10 раз по сравнению с традиционной технологией при уменьшении в 1,5 раза затрат на их производство. Указанные параметры достигаются за счет отказа от изготовления штампа и применения технологии резки с помощью специального лазерного комплекса (рис. 2.18, а). Преимущества разработанных лазеров по сравнению с мировыми аналогами – простота, надежность работы в условиях минимального обслуживания и дешевизна (в 2 раза) (рис. 2.18, б). Разработанные лазеры являются единственными в мире, использующими специальный самофильтрующий резонатор, позволяющий получить высокое качество излучения при высокой мощности (до 10 кВт). Эти лазеры обладают возможностью работы на газах технической чистоты и смеси СО2 – воздух (без N2 и He).


Рис. 2.18, а. Элемент наборного сердечника электрических машин, изготовленный на лазерном комплексе.

  

Рис. 2.18, б. Процесс закалки зубьев фрезы.

В том же Институте создана аэродинамическая труба нового поколения АТ-303 на основе разработанного в Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева и КТИ ГИТ уникального источника рабочего газа, обеспечивающего его истечение с постоянными параметрами при давлении до 300 атм и температуре до 2500 K.

Как показали измерения, в рабочем тракте АТ-303 воспроизводит натурные числа Маха (8–20) и Рейнольдса для моделей перспективных воздушно-космических самолетов с горением в прямоточных воздушно-реактивных двигателях, имеет чистый рабочий газ и время рабочего режима от 40 до 500 мс при диаметрах сопл 300 и 600 мм с хорошим качеством потока.

По совокупности параметров АТ-303 не имеет аналогов в мире. Таким образом, ученые России получили оснащенный современной измерительной системой уникальный инструмент для решения научных проблем, связанных с созданием перспективных гиперзвуковых летательных аппаратов с прямоточными воздушно-реактивными двигателями (рис. 2.19).

Рис. 2.19. Рабочая часть АТ-303.

Работа выполнена творческим коллективом трех институтов – ИТПМ, Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева и КТИ ГИТ при постоянной финансовой поддержке Президиума СО РАН.

  В оглавление Далее