Механико-математический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва
Данная работа связана с проблемой формирования кумулятивных струй при взаимодействии сгустка (уплотнения, облака) с ускоренно движущимся слоем газа. Проблеме формирования кумулятивных струй посвящены многочисленные теоретические и экспериментальные исследования. Широко известны различные эксперименты с появлением кумулятивных струй при падении капли жидкости или твердого тела, например, диска или сферы, на поверхность несжимаемой жидкости, находящейся в гравитационном равновесии. В астрофизических условиях вопрос формирования кумулятивных струй связан с процессом звездообразования. По современным представлениям одним из возможных механизмов появления неоднородностей в межзвездной среде, в которых впоследствии зарождаются новые звездные объекты, может служить сжатие первичных уплотнений под действием излучения. В отличие от классической задачи падения капли на поверхность несжимаемой жидкости, мы учитываем сжимаемость среды. Рассматривается упрощенная модель, согласно которой сжатый и ускоренный ударной волной слой совершенного газа взаимодействует с изолированным уплотнением.
Ранее было показано, что взаимодействие облака со слоем сопровождается образованием полости, при схлопывании которой возникает кумулятивная струя. Причем в процессе формирования струи существенную роль играет ускорение. Также было отмечено, след за облаком не должен быстро заполняться веществом газа. Поэтому в рамках данной работы исследуется влияние адиабатической сжимаемости на динамику погружения сгустка в слой. Найдено, что с уменьшением показателя адиабаты и с соответствующим увеличением коэффициента сжимаемости ослабевает действие архимедовой силы, которая влияет на схлопывание полости.
1. Забабахин Е.И. Кумуляция и неустойчивость: сб. науч. ст. / Е.И. Забабахин. Снежинск: Изд-во РФЯЦ-ВНИИТФ. 1998. 110 с.
2. Зоненко С.И., Черный Г.Г. Новый вид кумуляции энергии и импульса метаемых взрывом пластин и оболочек // Докл. РАН. 2003. Т.390. № 1. С. 46-50.
3. Stephan Gekle, Ivo R. Peters, José Manuel Gordillo, Devaraj van der Meer, and Detlef Lohse. Supersonic Air Flow due to Solid-Liquid Impact // Phys. Rev. Lett. 2010. 104. 024501.
4. Краснобаев К.В., Котова Г.Ю., Тагирова Р.Р. Двумерные возмущения ускоренного движения неоднородных газовых слоев и оболочек в межзвездной среде // Письма в Астрон. журн. 2015. Т.41. №3–4. С. 123–132.
5. Kotova G.Y., Krasnobaev K.V. Interaction of an accelerating layer with a cloud: formation of tails and cumulative jets // MNRAS. Т. 792. 2020. Р. 2229-2235.
Екатерина Романовна Шевченко
Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева
В настоящее время опорные узлы роторных машин включают в себя множество компонентов и представляют собой мехатронную систему, основанную на совокупности взаимосвязанных гидродинамических, теплофизических и динамических явлений. Для комплексного повышения характеристик опорных узлов в них также интегрируются системы управления. Чаще всего для этого используются дискретные или линейные законы управления, такие как ПИД-регуляторы, которые не в полной мере способны действовать в условиях нелинейности свойств роторно-опорных систем. Для реализации многокритериального управления также целесообразно использовать более продвинутые методы управления, такие как рассмотренный в данной работе подход на основе глубокого обучения.
Целью работы является изучение и демонстрация возможностей использования обучения с подкреплением для синтеза многоцелевых контроллеров для радиальных активно смазываемых гибридных подшипников жидкостного трения, рассматриваемых как сложные мультифизические системы. В работе рассматривается синтез контроллеров с использованием метода глубокой Q-сети (DQN) и применением имитационной модели роторно-опорной системы в качестве среды обучения.
Имитационная модель роторно-опорной системы была разработана в среде Simulink/MATLAB на базе численного решения системы описывающих ее уравнений и верифицирована сравнением с результатами физических экспериментов. С целью ускорения производимых расчетов и скорости обучения контроллеров в целом, модели активных подшипников были аппроксимированы искусственными нейронными сетями в соответствии в ранее разработанным подходом [1, 2]. В итоге, работа предлагает метод управления комплексом параметров роторно-опорной системы, включая перемещения вала в подшипнике и ряд энергетических параметров. Предложенная методика обучения также позволяет учесть при обучении неопределенности внешних воздействий и внутренних свойств роторно-опорной системы. Представленные результаты в итоге показывают устойчивое функционирование системы в соответствии с задаваемыми критериями управления в условиях вариабельности соответствующих параметров.
Юрий Николаевич Казаков
АО ГНЦ "Центр Келдыша"
Свободно-конвективные течения играют важную роль во многих практических приложениях механики жидкости и газа. При создании ракетно-космической техники естественная конвекция во многом определяет картину тепломассообменных процессов в криогенных топливных баках ракет и космических аппаратов. В общем случае в баке присутствует как жидкое топливо, так и паровая подушка, которая может содержать пары топлива и сторонние газы. Применительно к свободно-конвективным тепломассообменным процессам в жидкости множество теоретически значимых результатов было получено различными авторами в рамках модели Буссинеска. Важным эффектом, наблюдаемым при хранении жидкостей в емкостях в условиях внешнего теплопритока, является температурная стратификация, направление которой совпадает с вектором действия силы тяжести [1]. Наблюдаемая при этом анизотропия поля температуры, выражающаяся в малости неоднородностей температуры в направлениях, перпендикулярных вектору силы тяжести, по сравнению с вертикальными градиентами температуры, была объяснена реализацией режима локальной автомодельности в свободно-конвективном пограничном слое у стенок емкости [2]. При этом, подобная картина поля температуры наблюдалась и в паровой подушке [3].
В докладе рассматриваются вопросы расширения теории режима локальной автомодельности на случай естественной конвекции идеального газа при наличии существенных неоднородностей температуры и плотности. С использованием модели на основе уравнений Навье-Стокса в приближении малых чисел Маха и преобразований Дородницына исследуются параметры свободно-конвективного пограничного слоя в емкостях, заполненных идеальным газом. Получены аналитические зависимости для скорости и температуры в пограничном слое в газе, а также результаты численного моделирования уравнений Навье-Стокса для различных геометрий емкости (рис). Анализ полученных данных позволяет, аналогично жидкости Буссинеска, предположить возможность реализации режима локальной автомодельности в емкостях с газом для объяснения наблюдаемой в экспериментах и расчетах картины тепломассопереноса, а также выявить условия реализации данного режима.
1. Belyayev A.Yn., Ivanov A.V., Egorov S.D. et. al. Pathways to Solve the Problem of Cryogenic Rocket Propellant Long Storage in Space // Proc. Int. Aerospace Congress. Moscow. Russia. Aug 15-19. 1994. V.1. P. 558-562.
2.Ананьев А.В., Миронов В.В., Моисеева Л.А., Черкасов С.Г. Анизотропное влияние естественной конвекции на температурное поле в емкости при наличии устойчивой температурной стратификации // Изв. РАН. МЖГ. 2015. №5. С. 96-106.
3.Городнов А.О.. Математическое моделирование сопряженной естественной конвекции в паре и жидкости при бездренажном хранении криогенных компонентов топлива // Математическое моделирование и численные методы. 2020. №3. С. 47-67.
Анатолий Олегович Городнов
Национальный исследовательский Томский государственный университет
Развитие технологий в промышленности и энергетике требует создания новых энергоэффективных систем охлаждения и терморегуляции. Интересным объектом исследования являются вращающиеся системы, которые можно встретить в различных инженерных задачах. Например, вращающиеся системы используются в проектировании роторных теплообменников [1], а также в системах хранения и рекуперации тепловой энергии [2]. Не менее актуальной задачей является проектирование систем охлаждения электронного оборудования [3].
В данной работе проводится анализ режимов естественной конвекции и радиационного теплообмена во вращающейся кубической полости при наличии плоского источника тепловой энергии на нижней стенке. Вращение полости происходит с постоянной угловой скоростью вокруг горизонтальной оси, проходящей через центр области решения (см. Рис.). Все поверхности полости и источника являются отражателями и излучателями энергии теплового излучения, при этом среда является диатермичной. Полость заполнена ньютоновской несжимаемой жидкостью с теплофизическими параметрами, не зависящими от температуры.
Система основных уравнений записана в безразмерном виде с использованием преобразованных переменных «векторный потенциал – вектор завихренности» [4]. Результаты численного моделирования получены в широком диапазоне изменения числа Тейлора (Ta = 10³–10⁶), числа Рэлея (Ra = 10³–10⁶) и коэффициента излучения поверхностей (e=0–0.9). Проанализировано влияние управляющих параметров на интенсивность конвективного и радиационного теплообмена.
Работа выполнена в рамках реализации проекта Российского научного фонда (соглашение № 24-19-00632 от 06.05.2024).
1. Alhusseny A., Turan A., Nasser A. Rotating metal foam structures for performance enhancement of double-pipe heat exchangers. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2017. Vol. 105. P. 124–139.
2. Junfei Guo, Bo Yang, Ze Li, Liu Lu, Xiaohu Yang, Ya-Ling He. Charging characteristics of finned thermal energy storage tube under variable rotation. Applied Thermal Engineering. 2024. Vol. 236. Art. 121887.
3. Jin L.F., Tou K.W., Tso C.P. Experimental and Numerical Studies an a Rotating Cavity with Discrete Heat Sources with Conjugate Effects, Experimental Heat Transfer: A Journal of Thermal Energy Generation, Transport, Storage, and Conversion. 2005. Vol. 18. № 4. P. 259–277.
4. Mikhailenko S.A., Sheremet M.A. Convection in a differentially heated cubic cavity rolling about horizontal axis. International Journal of Thermal Sciences. 2022. Vol. 179. Art. 107639.
Степан Андреевич Михайленко
ИСП РАН
На мини-треке слушатели смогут познакомиться с работой в программном комплексе DigiTEF и проведут моделирование классических задач аэро- и гидродинамики. Данный программный продукт разрабатывается на базе свободно-распространяемых программ с открытым исходным кодом OpenFOAM, FreeCAD, ParaView и обладает пользовательским графическим интерфейсом. Разработка на основе программ с открытым исходным кодом позволяет снять ограничения на количество пользователей, ячеек расчетной сетки и используемые ядра (снизить экономические затраты на вычисления и дальнейшее использование). За счет синхронизации технологического уровня с международным сообществом дает возможность использовать современные модели и алгоритмы, а также разрабатывать дополнительные компоненты в соответствии с конкретными требованиями. В отличие OpenFOAM обладает графическим интерфейсом и большим количеством реальных примеров, что позволяет существенно упростить работу и снизить порог входа.
Проведение мини-трека планируется с использованием виртуального рабочего места на суперкомпьютерах ИСП РАН.
Дарья Игоревна Романова
Институт теории прогноза землетрясений и математической геофизики Российской академии наук, Москва, Россия
В настоящее время известно, что в ряде спиральных галактик присутствуют слабые (порядка единиц мкГс [1]) магнитные поля. Их развитие главным образом обусловлено механизмом динамо [2], связанным со спиральностью турбулентных движений галактического вещества и дифференциальным вращением, в то время как турбулентная диффузия, напротив, приводит к размытию крупномасштабных структур поля. В некоторых случаях (например, в Млечном Пути) [4] можно наблюдать смену направления вектора магнитной индукции по мере удаления от центра галактики. Такое явление носит название инверсий галактического магнитного поля.
Предположительно за возникновение инверсий отвечает мелкомасштабное поле, генерирующееся в начале формирования галактики и носящее случайный характер [3]. Тем не менее, есть основания полагать, что со временем крупномасштабные структуры поля приобретают осевую симметрию. Таким образом, инверсии магнитного поля, предположительно, должны возникать в радиальном направлении [5].
Кроме того, предположительно, галактическое магнитное поле в зонах постоянного направления со временем устанавливается на определенном значении, обусловленном параметрами динамо. В настоящей работе было приведено численное исследование таких областей галактики методом Галеркина, где в качестве базисных функций были взяты полиномы Чебышева.
На рисунке 1 показана угловая компонента поля с установившейся пространственной инверсией в радиальном направлении.
Исследование выполнено за счет гранта Российского Научного Фонда № 22-17-00114 “Вычислительные задачи геофизической магнитогидродинамики”.
Татьяна Тимуровна Хасаева
Моско́вский госуда́рственный университе́т и́мени М. В. Ломоно́сова
Детонация в большинстве случаев является нежелательным процессом, нарушающим условия получения, хранения или эксплуатации горючих смесей, поэтому ее предотвращение – весьма актуальная задача во многих сферах народного хозяйства. Настоящая работа посвящена теме ингибирования детонации смеси водорода с воздухом путем добавления в эту газовую смесь небольшого по относительному объему количества газообразного углеводородного ингибитора. В качестве подобного ингибитора выступает пропилен – один из простейших непредельных углеводородов. Сам по себе пропилен при этом горюч, так что его добавка не уменьшает калорийность газовой смеси, тем не менее опыты показывают, что при добавлении от 2 до 3% пропилена в стехиометрическую смесь водорода с воздухом, эта смесь перестает детонировать. В [1] было показано, что причина ингибирования детонации в этом случае – изъятие из реакционной цепи атомарного водорода за счет гидрирования пропилена с образованием тяжелого радикала пропена. Этот радикал, хоть и вовлекается в цепь химических реакций, но менее активно, чем атомарный водород, и тем самым время задержки химической реакции возрастает. Увеличение же задержки химической реакции приводит к тому, что детонационная волна расщепляется на лидирующую ударную волну и отстающую от нее волну горения. Тем самым детонация смеси подавляется. Ингибирование детонации тем самым отнюдь не означает подавление самой химической реакции, таковая может даже усилиться за счет горючих свойств углеродного ингибитора. Но сопровождающие детонацию ударно-волновые явления и практически мгновенное распространение пламени – подавляются.
- Азатян В.В. Цепные реакции в процессах горения, взрыва и детонации газов. ХиМические Методы управления. – М.: Изд-во РАН, 2020.
Елена Викторовна Михальченко
Томский государственный университет, Томский государственный архитектурно-строительный университет
Рис. 1. Схема процесса взаимодействия частиц и древесины
Лесные пожары генерируют переносимые по воздуху фрагменты, известные как горящие и тлеющие частицы природного происхождения, которые являются одним из основных источников пожара, как в лесных, так и в городских условиях. Такие частицы способны перемещаться при помощи потоков воздуха, и в дальнейшем оседать на новых территориях, подобное оседание имеет риск возгорания новых участков, без какого-либо контакта с пламенем. Сам же механизм воспламенения строительных конструкций или растительного слоя происходит за счет лучистого нагрева или прямого контакта с пламенем [1].
Горящие и тлеющие частицы природного происхождения – частицы, которые были сгенерированы в результате таких действий как нагрев и деформация легко воспламеняемых природных материалов, таких как кустарники, деревья (или любое другое горючее) или стройматериалы, на более мелкие пламенные фрагменты во время пожара, как естественного (самовозгорание торфа), так и искусственного (сжигание мусора, непотушенные сигареты, сельскохозяйственные палы) происхождения.
В настоящее время отсутствуют математические модели, которые бы учитывали генерацию горящих частиц, их влияние на распространение фронта пожара и воспламенение строений. В связи с этим представляет интерес математическое моделирование процесса аккумуляции частиц и теплового воздействия на различные типы РГМ, в частности, на древесину [2]. В докладе представлены результаты численного исследования влияния различного состава, пористости и влажности слоя древесины на переход от низкотемпературного режима к зажиганию в результате воздействия частиц разной геометрии. Принципиальная физическая модель представлена на рисунке 1.
Интенсивный теплообмен с окружающей средой частиц малых размеров приводит к прекращению тления частицы и ее охлаждению. Если размеры частицы достигают критического значения, то в прилегающей к ней области начинается процесс пиролиза.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 24-71-10029).
1. S. L. Manzello, T. G. Cleary, J. R. Shields, A. Maranghides, W. Mell, and J. C. Yang Experimental investigation of firebrands: Generation and ignition of fuel beds / Fire Safety Journal. 2008. Vol. 43. Pp. 226-233. https://doi.org/10.1016/j.firesaf.2006.06.010
2. O. V. Matvienko, D. P. Kasymov, E. L. Loboda [et al.] Modeling of wood surface ignition by wildland firebrands / Fire. 2022. Vol. 5, № 2. Pp. 1-24. https://doi.org/10.3390/fire5020038
Денис Петрович Касымов
Национальный исследовательский Томский государственный университет
В работе изучается конвективное течение и теплообмен в замкнутой двумерной области при наличии пористой вставки и источника периодического тепловыделения (см. рис. 1). Горизонтальные стенки полости теплоизолированы, боковые стенки поддерживаются при постоянной температуре охлаждения. Течение считается ламинарным, и выполнены условия приближения Буссинеска. Рабочая полость заполнена ньютоновской теплопроводной средой, вязкость которой считается зависимой от температуры ͞μ(T)=μ0(-ζ[(T-Tc)/ΔT]), где при ζ = 0.0 рассматривается жидкость с постоянной вязкостью, ζ = 1.0 ‒ жидкость с переменной вязкостью. Тепловыделение от источника происходит по закону Q(t)=0.5Q0[1-cos(ft)], где f ‒ частота тепловыделения. Для моделирования пористой среды используется модель Дарси-Бринкмана [1].
Система дифференциальных уравнений в частных производных была записана в преобразованных безразмерных переменных «функция тока ‒ завихрённость ‒ температура» и решена с помощью метода конечных разностей на равномерной структурированной сетке. В качестве граничных условий на границах раздела сред (пористая среда/чистая среда, пористая среда/нагреватель) были рассмотрены соотношения четвёртого рода для температуры и гидродинамических функций.
В качестве результатов были получены распределения изолиний функции тока и температуры, а также временные зависимости интегральных характеристик для различных значений определяющих безразмерных параметров, а также показаны эффективные режимы работы изучаемой системы охлаждения.
Работа выполнена в рамках реализации проекта Российского научного фонда (соглашение № 24-19-00632 от 06.05.2024).
1. Astanina M.S., Sheremet M.A., Mahabaleshwar U.S., Singh J. Effect of Porous Medium and Copper Heat Sink on Cooling of Heat-Generating Element // Energies. 2020. Vol. 13. №10. Art. 2538.
Марина Сергеевна Астанина
Финансовый университет при Правительстве РФ, Кубанский государственный университет, НИИ Механики МГУ
Неводный электрофорез (или электрофорез в неполярных жидкостях) — это вид электрофореза, при котором водный раствор заменяется на органический растворитель. Органические растворители имеют более низкую диэлектрическую константу и способны растворять соединения, которые труднорастворимы в воде, тем самым дают возможность разделения таких соединений с помощью электрофореза. В электролитах, растворителем которых является неполярная жидкость, формируется плотный электрический двойной слой (ЭДС). Разница между полярными и неполярными жидкостями заключается в их молекулярной структуре и распределении электрического заряда внутри молекулы. Полярные молекулы демонстрируют неравномерное распределение плотности заряда, что приводит к наличию у них чистого дипольного момента.
В работе проведено прямое численное моделирование электрофореза диэлектрической частицы в неполярных жидкостях при высокой напряженности электрического поля. Обнаружены несколько режимов поведения частицы в зависимости от величины числа Дебая, изучены нормальные и тангенциальные потоки ионов около поверхности частицы и обнаружена область полного отсутствия потоков катионов и анионов.
Елизавета Александровна Франц
