Tuesday, October 04, 2011

Метод молекулярной динамики и его применение к решению задач механики сплошных сред

Наука в Сибири Выходит с 4 июля 1961 г.
ЕЖЕНЕДЕЛЬНАЯ ГАЗЕТА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

в оглавление N 38 (2823) 22 сентября 2011 г.

ВЕЧНО НОВАЯ НАУКА


В последние августовские дни в Нижнем Новгороде прошел юбилейный Х Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики, организованный Российским национальным комитетом по теоретической и прикладной механике.
Российский национальный комитет по теоретической и прикладной механике был образован в 1956 году для решения разных вопросов, в том числе для проведения всевозможных научно-организационных мероприятий внутри страны, включая Всесоюзные съезды по механике (уже через четыре года они стали регулярными) и международные специализированные научные симпозиумы по актуальным проблемам механики (многие из них проходили в Новосибирске). В своё время (1976–1980 гг.) председателем Национального комитета по теоретической и прикладной механике был академик М. А. Лаврентьев; сегодня его возглавляет академик Г. Г. Черный, он же стал председателем Оргкомитета съезда в Нижнем Новгороде.
Работа съезда проходила по трём секциям: общая и прикладная механика, механика жидкости и газа, механика деформируемого твёрдого тела плюс комплексные подсекции. В научном форуме приняли участие около 1200 человек, среди которых — ведущие учёные-механики из разных городов России, исследователи из других стран. Особенно примечателен тот факт, что с докладами выступили представители как научно-исследовательских институтов, в частности, четырёх новосибирских: из СО РАН — ИТПМ (самая многочисленная делегация), ИГиЛ, ИТ, ИВТ, так и высших учебных заведений. Это наглядно продемонстрировало взаимодействие академической и вузовской науки; немаловажно и лидирующее положение Российской академии наук, вновь продемонстрированное на съезде.
Иллюстрация
Участниками были представлены для обсуждения результаты научных исследований по наиболее актуальным и важным проблемам, связанным с разработкой научных основ при создании космической и авиационной техники, решением проблем энергетики, строительства и транспорта, оборонного комплекса, исследованием природных и техногенных процессов, теории управления, механики новых материалов и нанотехнологий, биомеханики и многих других.
«Современная механика, — как отмечают академик РАН Г. Г. Черный и член-корреспондент РАН Е. В. Ломакин, — это вечно новая и важнейшая фундаментальная наука со своими подходами к решению сложных проблем с использованием теоретических и экспериментальных методов, а также методов численного моделирования, которые непосредственно связаны с построением математических моделей реальных явлений и объектов. Данные модели, как правило, носят универсальный характер и могут быть использованы для прогнозирования возможных ситуаций, предсказания нежелательных явлений и предотвращения катастроф. Механика — это наука, не только имеющая выдающиеся исторические достижения, но и быстроразвивающаяся, позволяющая описывать поведение новых объектов, явлений и материалов с учётом широкого спектра их свойств и возможных процессов, результаты научных исследований которых направлены на решение многих актуальных и жизненно важных проблем».
Действительно, практически все механизмы, которые двигаются и работают на земле и под землей, перемещаются по воде и под водой, в воздушном и безвоздушном пространстве, все наземные и подземные сооружения, а также механизмы, с помощью которых они созданы, основаны на решениях проблем, которыми занимается механика. Без её развития невозможно использовать достижения многих других естественных наук, и эта взаимосвязь весьма плодотворна. Различного рода техногенные катастрофы во многих случаях связаны с ошибками проектирования вследствие недостаточного знания законов механики (этому есть много примеров — разрушения мостов, зданий, конструкций и других сооружений). Механика внесла неоценимый вклад в создание ракетной техники, в космонавтику, атомную энергетику, создание систем управления, развитие медицинской аппаратуры, способствовала созданию систем вывода на орбиту искусственных спутников Земли и других космических аппаратов.
С помощью подходов механики успешно описываются явления, происходящие в мантии Земли, изучаются процессы, определяющие динамику извержения вулканов, оцениваются параметры вулканических систем, не поддающихся непосредственному измерению, что позволяет прогнозировать возможные последствия извержений. Большой раздел механики связан с исследованием свойств новых конструкционных материалов. Достижениями учёных-механиков и инженеров пользуется человечество во всем мире в каждый момент своего существования. Невозможно в рамках газетной статьи перечислить все области приложения этой науки и направления исследований, развитием которых занимаются учёные. На съезде были представлены доклады по всем основным направлениям научной деятельности институтов-участников, равно как и математические проблемы механики сплошной среды.
Связано это с тем, что математические модели окружающего мира служат основным инструментом его познания. Они позволяют описывать природные явления и предсказывать их ход, адекватно описывают различные сложные явления (например, полёт самолета, движение вод в океане). Механика сплошной среды всегда ставила задачи, которые стимулировали развитие новых разделов математики, таких как теория обобщенных решений нелинейных дифференциальных уравнений, теория симметрий и законов сохранения, теория особенностей и пр. В настоящее время потребности практики и развитие фундаментальной науки требуют совершенствования известного и создание нового аналитического аппарата для адекватного описания многомерных движений жидкости и газа, сложных многофазных и многокомпонентных сред.
Именно аналитические методы являются основой при построении математических моделей, исследовании их корректности при постановке различных начально-краевых задач. Методы теории нелинейных дифференциальных уравнений, современного функционального анализа, топологические и алгебраические методы дают описание тонкой структуры движений сплошных сред: вихревых образований, роста и обрушения волн, возникновения и развития сингулярностей (коллапсов) на многообразиях меньшей размерности и др. Аналитические методы оказываются полезными при конструировании и верификации численных алгоритмов, точные решения служат также тестами для компьютерных кодов.
Сотрудниками теоретического отдела Института гидродинамики по данной тематике были сделаны доклады по четырём направлениям работы съезда: гидродинамика; аэродинамика и газовая динамика; физико-химическая механика сплошных сред; механика природных процессов. Шла речь о новых математических моделях динамики атмосферы и океана, исследовались крупномасштабные движения жидкости и газа на вращающейся притягивающей сфере, задача о движении цилиндра в слое жидкости в нелинейной постановке, обобщенные решения в задаче о движении вязкого газа.
Ряд выступлений на съезде был посвящён отысканию и анализу точных решений уравнений гидро-, газовой и магнитной гидродинамики на основе современных групповых и геометрических методов. В частности, в докладе д.ф.-м.н. А. П. Чупахина был представлен теоретический анализ автомодельного вихря Овсянникова — многомерного завихренного движения газа, обобщающего классические одномерные движения.
Д.ф.-м.н. В. Ю. Ляпидевский представил на секции «Механика жидкости и газа» пленарный доклад, посвящённый новым математическим моделям динамики атмосферы и океана. Оригинальная идея нового подхода к моделированию важного фактора волновых движений — процессов турбулентного перемешивания в двухслойном течении стратифицированной жидкости — состоит во введении промежуточного слоя со своим набором осредненных по течению физических параметров (скорость, плотность, толщина и пр.).
Трёхслойная схема течения позволяет описывать распространение и обрушение поверхностных и внутренних волн и хорошо согласуется с известными натурными и лабораторными экспериментальными данными. Обнаружен новый класс течений жидкости — солитоны на границе промежуточного слоя. Они обладают уникальной способностью к переносу начального импульса и массы на большие расстояния. Представленные модели мелкой воды с учетом дисперсии и перемешивания применимы к широкому классу течений различных масштабов, как в атмосфере, так и в океане. Перспективным представляется их использование в описании реальных процессов, таких как Новороссийская бора, глубоководные подводные «водопады», перемешивание в реках и эстуариях. Данные исследования были особо отмечены в пленарном докладе академика Р. И. Нигматулина (Москва).
Доклад д.ф.-м.н. И. В. Стуровой был посвящен задаче о движении погружённого тела в жидкости под ледяным покровом. Необходимость исследования процессов в ледяном покрове, вызванных различными источниками возмущений, обусловлена проблемами освоения полярных районов Мирового океана.
В теории тепловой гравитационной конвекции теоретико-групповые методы позволили получить обобщения классических решений Г. А. Остроумова и Р. В. Бириха, описывающих стационарные течения в вертикальных трубах и плоских слоях, на случай трёхмерных и нестационарных движений, а также течения двухслойной жидкости. Этому вопросу были посвящены доклады чл.-корр. РАН В. В. Пухначёва (ИГиЛ СО РАН), профессора В. К. Андреева и др. (ИВМ СО РАН). Эти и остальные научные результаты, представленные на Х Съезде учёными ИГиЛ, вносят большой вклад в математические основы механики сплошных сред, способствуя решению конкретных задач. Среди докладчиков из ИГиЛ были два доктора наук в возрасте до 40 лет (С. В. Головин и А. А. Чесноков), что свидетельствует о «подкреплённости» данной области механики высококвалифицированными молодыми и перспективными кадрами. А значит — она имеет хорошие перспективы развития.
На подсекции «Физико-химическая механика сплошных сред» (из направления «физика и механика высокоэнергетических процессов») от ИГиЛ представлялись такие темы как экспериментальное исследование детонационного сжигания угольно-воздушной смеси с добавкой водорода в вихревых плоскорадиальных камерах диаметром 204 и 500 мм, скорость пламени при высоких давлениях и температуре, непрерывная детонация топливно-воздушных смесей в режиме автоэжекции воздуха, численное моделирование вязких детонационных течений.
Из интересных работ, посвященных горению и детонации и представляющих новые результаты, следует также отметить пленарный доклад академика В. А. Левина (Институт механики МГУ) о некоторых нетрадиционных способах инициирования детонации и доклады его учеников.
Работа секции «Механика деформируемого твёрдого тела» проходила по семи подсекциям. При проектировании машин, зданий, самолетов, ракет, кораблей, подводных лодок конструкторы для выбора необходимых размеров проводят расчёты этих изделий на прочность, устойчивость и долговечность. Механика деформируемого твёрдого тела как раз и разрабатывает теоретические основы этих расчётов.
Таким образом, на научном форуме рассматривались вопросы теории упругости и вязкоупругости, теории пластичности и ползучести, динамические процессы в деформируемых средах, механика разрушения и повреждений, неклассические модели механики деформируемого твёрдого тела, механика контактного взаимодействия и проблемы оптимизации надежности и безопасности.
Создание экспериментальных установок на базе новейшей техники, исследование на них механических свойств современных материалов, построение экспериментально обоснованных многоуровневых моделей механических явлений, создание и развитие методов решения задач расчета конструкций и использование их в промышленности — вот темы, по которым были сделаны доклады на секции III. Был рассмотрен широкий круг вопросов: особенности трансверсально-изотропной упругой модели геоматериалов, аналитические и численные методы решения соответствующих динамических уравнений; исследование нового композиционного материала на основе меди с упрочняющей фазой в виде включений-агломератов нанокомпозита Cu-TiB2; закономерности деформирования квазиполимерного двухкомпонентного полиуретанового материала дуотан QA965 в диапазоне температур 20°–1000° С; изгиб пластин при ползучести применительно к авиационным материалам; использование кинетических уравнений ползучести и повреждаемости для деформирования титанового сплава 17 и многие другие.
Особо можно выделить доклад чл.-корр. РАН Б. Д. Аннина, где рассматриваются особенности трансверсально-изотропной упругой модели геоматериалов, аналитические и численные методы решения соответствующих динамических уравнений. Обсуждается построение определяющих уравнений пластичности для описания процессов формообразования панели крыла самолета SSJ-100.
От Института теоретической и прикладной механики на съезде были представлены доклады по всем основным направлениям научной деятельности, а именно: математическое моделирование в механике, аэрогазодинамика, физико-химическая механика, механика твёрдого тела, деформации и разрушения.
Большой интерес вызвал пленарный доклад профессора Ю. С. Качанова, посвящённый обнаруженному недавно в исследованиях его группы явлению детерминированной турбулентности, которое означает возможность стохастического (непредсказуемого) поведения динамических систем с очень малым числом степеней свободы. Найденное же сибирскими учёными явление детерминированной турбулентности имеет почти противоположный смысл и означает экспериментально доказанную возможность детерминированного (предсказуемого, воспроизводимого) поведения очень сложных динамических систем с очень большим, практически бесконечным, числом степеней свободы (типа воздушного потока в пограничном слое летательного аппарата).
Известный греческий философ Гераклит Эфесский сказал (в современной интерпретации): «Нельзя войти в одну реку дважды», имея в виду, что, хотя река остаётся той же, турбулентные вихри в её течении непрерывно изменяются. Обнаружение детерминированной турбулентности показало, что иногда — можно! Этот результат вооружает исследователей методом изучения пристенной турбулентности, давая возможность исследования различных локализованных воздействий на мгновенную структуру турбулентных потоков«.
В сообщении к.ф.-м.н. Ю. А. Литвиненко изложены результаты экспериментальных исследований дозвуковой круглой микроструи в поперечном акустическом поле. Впервые показано, что круглая микроструя под воздействием поперечного акустического поля трансформируется в плоскую, подвержена синусоидальной неустойчивости как единое целое и расщепляется на две развивающихся независимо друг от друга струи. Большой интерес вызвал и доклад самого молодого д.ф.-м.н. ИТПМ СО РАН, лауреата Государственной премии РФ для молодых учёных М. М. Катасонова «Экспериментальное исследование локализованных возмущений в пограничном слое прямого крыла».
Получен также ряд ярких результатов (преимущественно экспериментальных) по исследованию механизмов возникновения и развития нестационарных неустойчивостей пограничных слоёв над искривлёнными поверхностями. Возникающие моды неустойчивости сходны по физической природе с классическими неустойчивостями типа Тейлора-Гёртлера, но являются существенно нестационарными (два ярких доклада, посвящённых этому кругу проблем, сделаны молодыми учёными к.ф.-м.н. Д. А. Полежаевым и к.ф.-м.н. А. Д. Мищенко).
Что касается исследования задач устойчивости и восприимчивости сверхзвуковых пограничных и гиперзвуковых ударных слоёв, здесь можно отметить доклады по результатам теоретических исследований д.ф.-м.н. С. А. Гапонова и д.ф.-м.н. Н. М. Тереховой, экспериментальные работы д.ф.-м.н. А. Д. Косинова, молодого учёного к.ф.-м.н. Д. А. Бунтина и д.ф.-м.н. А. Н. Шиплюка, численное исследование д.ф.-м.н. Т. В. Поплавской. Работы в этой области идут широким фронтом; наблюдается тенденция перехода от изучения задач линейной устойчивости к задачам нелинейной устойчивости и к исследованию механизмов возбуждения мод неустойчивости (задачи восприимчивости течений к внешним возмущениям) и управления ими.
Отмечается безусловно высокий уровень работ, представленных на подсекции «Аэродинамика и газовая динамика», и стремление к сотрудничеству между представителями академической, вузовской и отраслевой науки, что выражается в большом количестве докладов, сделанных представителями таких организаций как ЦАГИ, ЦИАМ, ЦНИИМАШ, МАИ, Институт механики МГУ, ИПМ РАН, ИВТАН РАН, ИГ СО РАН, ИТПМ СО РАН. Примером такой кооперации является доклад на тему «Пространственная структура отрывного течения в угле сжатия при высокой сверхзвуковой скорости потока», который был сделан д.т.н. В. И. Запрягаевым ИТПМ СО РАН (соавторы — его ученик к.ф.-м.н. И. Н. Кавун и коллега из ФГУП ЦАГИ д.ф.-м.н. И. И. Липатов).
В настоящее время перед механикой всё чаще встают проблемы описания и объяснения поведения веществ в условиях, когда постановка экспериментов оказывается чрезвычайно дорогой или даже невозможной. Например, физико-химическая и радиационная газовая динамика космических аппаратов, предназначенных для исследования планет солнечной системы и, в особенности, возвращаемых на Землю. При входе такого аппарата в атмосферу на высоких скоростях начинает протекать ряд процессов, в том числе сильный нагрев газа, что влечет за собой процессы радиационного излучения. Расчеты характеристик перспективного спускаемого космического аппарата при его входе в атмосферу Земли показывают, что для типичной траектории входа в плотные слои атмосферы плотность радиационных тепловых потоков оказывается соизмеримой и даже превосходит плотность конвективных тепловых потоков. Развитые методы вычислений и проведения вычислительных экспериментов, а также компьютерные технологии реализации физических моделей на современных персональных и многопроцессорных комплексах завершили формирование облика физической механики как науки, обосновывающей возможность использования достижений в описании микромира при описании макросвойств вещества.
Как отметил д.ф.-м.н. А. Н. Шиплюк, активные работы по созданию гиперзвуковых летательных аппаратов сейчас в мире ведут 13 стран. Для их успешного создания необходимо решить большое количество фундаментальных и прикладных проблем гиперзвуковой аэротермодинамики: обеспечение бесперебойной и эффективной работы гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД), интеграция планера и силовой установки, управление ламинарно-турбулентным переходом, создание теплозащитных материалов и охлаждение конструкций летательных аппаратов. Используя методы прямой численной оптимизации механикам удается обеспечить высокую эффективность как отдельных элементов, так и летательного аппарата в целом.
При высокоскоростном полете летательного аппарата происходит нагревание его поверхности до очень высоких температур (до нескольких тысяч градусов). При ламинарно-турбулентном переходе конвективные тепловые потоки увеличиваются ещё в несколько раз, поэтому необходимо стабилизировать ламинарное течение при гиперзвуковых скоростях. Численно и экспериментально показано, что применение пассивных пористых покрытий, поглощающих ультразвук, приводит к уменьшению энергии пульсаций в пограничном слое, в результате существенно увеличивается ламинарная область течения. Поэтому при гиперзвуковых скоростях предпочтительнее пористая поверхность летательных аппаратов.
В подсекции «Механика многофазных сред» необходимо отметить доклад д.ф.-м.н. В. М. Бойко на тему «Экспериментальное исследование физических особенностей вторичного аэродинамического дробления капель жидкости в градиентных потоках». Использование комплекса современных оптических методов диагностики, включая PIV-диагностику, метод лазерного ножа, метод теневой визуализации и метод высокоскоростной импульсной киносъёмки, позволило с высоким пространственно-временным разрешением детально исследовать механизмы реализации срывного типа разрушения капель. Данные о механизмах и динамике диспергирования жидкостей наиболее востребованы в приложениях, где предъявляются повышенные требования к дисперсному составу продуктов дробления жидкости, а также к производительности и эффективности тепло и массообменных процессов в двухфазных средах.
Пристальное внимание участников съезда привлекла подсекция, посвященная проблемам мезо- и наномеханики, которую открывал директор ИТПМ СО РАН академик В. М. Фомин докладом «Метод молекулярной динамики и его применение к решению задач механики сплошных сред». В своем выступлении Василий Михайлович продемонстрировал возможности применения метода молекулярной динамики к решению задач наномеханики и механики сплошных сред, показал особенности этого метода как метода расчёта дискретных характеристик системы, состоящей из взаимодействующих атомов и молекул. На конкретных примерах им были показаны особенности, которые имеют место при решении задач наномеханики и переносе этих результатов на задачи механики сплошных сред.
Значительное число докладов на секции было посвящено вопросам получения композиционных материалов с нанонаполнителями. Но это далеко не полный перечень всех интересных выступлений, прозвучавших на юбилейном Х Всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики.
Прошедшее научное мероприятие дало представителям неформальных научных коллективов, помимо прочего, уникальную возможность для общения: в Нижнем Новгороде встретились учёные из Новосибирска, Красноярска, Перми и Владивостока, выполняющие междисциплинарный интеграционный проект «Моделирование, устойчивость и оптимизация конвективных течений» (руководитель чл.-корр. В. В. Пухначёв).
Во время работы съезда специалисты из ИТПМ СО РАН обсуждали с сотрудниками из ЦАГИ, ЦНИИМАШ, ЦИАМ, а также других организаций, результаты совместных работ и перспективные исследования в интересах отраслевой науки. По мнению участников, съезды, проводимые в постсоветское время, способствуют восстановлению былых связей между научными коллективами разных организаций. Последний не стал исключением. Его название точно отражает направленность докладов, но особенно важны фундаментальные исследования, если их удается связать с приложениями.
Подготовила Ю. Александрова, «НВС»
Фото к.ф.-м.н. И.А. Беданова
стр. 6-7
в оглавление
Post a Comment