НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова
Рассматривается электромеханическая система, которая состоит из твердого тела (имеющего форму прямоугольного параллелепипеда), соединенного с помощью пружины с постоянным магнитом. Магнит и тело могут совершать возвратно-поступательное движение вдоль неподвижной горизонтальной прямой. Магнит находится внутри катушки индуктивности, а катушка включена в цепь, выходы которой замкнуты через нагрузочное сопротивление. Соответственно, при движении магнита в цепи возникает электрический ток. Система помещена в стационарный поток среды. Воздействие потока на магнит и катушку считается пренебрежимо малым.
Исследована устойчивость положения равновесия. Проведен параметрический анализ, получены достаточные условия устойчивости и неустойчивости. Путем численного моделирования были определены зависимости амплитуды и частоты колебаний тела, а также вырабатываемого тока и мощности от внешнего сопротивления и скорости потока. Показано, что в системе, поведение которой ближе к поведению системы с одной степенью свободы, амплитуда колебаний и вырабатываемая мощность меньше.
1. S. Tornincasa, M. Repetto, E. Bonisoli, F. Di Monaco. Energy harvester for vehicle tries: Nonlinear dynamics and experimental outcomes // Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 2011, vol. 23, pp. 3-13.
2. T. Massai, J. Zhao, D. Lo Jacono, G. Bartoli, J. Sheridan The effect of angle of attack on flow-induced vibration of low-side-ratio rectangular cylinders // Journal of Fluids and Strustures, 2018, vol. 82, pp. 375-393.
Азим Эдгарович Курбанов
Институт физики атмосферы им.А.М.Обухова РАН
Рис 1. Изменение турбулентной энергии при движении частиц вблизи препятствия, на наветренном и подветренном склонах эоловой структуры
Пыль на поверхности движущихся крупных частиц размером 70-300 мкм (сальтаций и перекатывания) в результате взаимодействий отделяется при трении или ударе [1]. Размер генерируемых микрочастиц определяется углами падения сальтирующих и перекатывающихся частиц, изменением направления ветра по отношению к грядам эоловых структур [2]. Исследуется влияние препятствия на движение воздушного потока со взвешенными в нем частицами над шероховатой поверхностью (при скоростях на высоте 1 м: 4,6; 5,07; 5,76; 6,22; 6,91 м/с. Используется Лагранжево-Эйлеровая модель, реализованная в открытом пакете OpenFoam. Рассмотрено влияние направления ветра по отношению к эоловой структуре, при изменении углов наклона ее поверхностей наветренного и подветренного склонов к горизонту, и, соответственно, их протяженностей.
Движение частиц над препятствием удлиняет зону рециркуляции, уменьшает высоту расположения локальной зоны увеличения турбулентной энергии, приближая ее к поверхности. Так как размеры и форма эоловой структуры, а также скорость воздушного потока влияют на протяженность и отдаленность от вершины зоны рециркуляции, то меняются траектории и скорости движения частиц разного размера над подветренным склоном. Чем больше удаленность траекторий движения частиц от центра зоны рециркуляции, тем больше дополнительный разгон и скорость их падения на поверхность. Вследствие возмущений, вызванных движениями частиц, в области за эоловой структурой возрастает турбулентная диффузия, что способствует интенсификации выноса пылевого аэрозоля за пределы слоя сальтации. Ускорение частиц приводит к усилению т.н. эффекта "разбрызгивания", а, следовательно, к увеличению числа откалываемых микрочастиц.
Само же изменение высоты эоловой структуры и ее ориентации по отношению к воздушному потоку влияет на интенсивность процессов перекатывания частиц по наветренному склону, что отражается в явлениях стирания мелкой фракции микрочастиц поверхности более крупных элементов. Соотношение типов перемещения частиц на наветренном и подветренном склонах, и, соответственно, процессов стирания и откалывания, определяется нелинейной связью углов наклона поверхности и скорости воздушного потока. Это влияет на вид функции распределения микрочастиц по размерам.
1. Liu Y., Fang H., Huang L., He G. Numerical simulation of the production of three-dimensional sediment dunes // Physics of Fluids. 2019. Vol. 31, no. 9. P. 096603.
2. Малиновская Е.А., Чхетиани О.Г., Максименков Л.О. Влияние направления ветра на распределение эоловых микрочастиц по размерам // Физика атмосферы и океана [в печати].
Елена Александровна Малиновская
Санкт-Петербургский государственный университет
Бурное развитие космической техники, энергетики, микромеханики и других современных отраслей промышленности требует разработки новых подходов к экспериментальному моделированию процессов высокоскоростного нагружения, деформирования и разрушения.
Важной представляется разработка методик, обеспечивающих контролируемое динамическое нагружение и получение условий, аналогичных хорошо изученным при статических испытаниях (одноосное растяжение, чистый сдвиг и т.п.). Также к разрабатываемым методикам предъявляются требования по экологичности, безопасности труда, ограничению энергоемкости и т.д.
В докладе освещены развиваемые и применяемые нами подходы к экспериментальному исследованию динамических процессов, основанных на различных электрофизических эффектах, включающих воздействие потоками частиц, электрический взрыв проводника, электропробой, разнообразные магнитоимпульсные эффекты.
Ольга Константиновна Зайченко
Институт вычислительного моделирования СО РАН
Принципиальная возможность поэтапной сборки наноструктуры предопределенной формы [1] порождает интерес к механике установления ориентационного равновесия для предварительно сформированной пары частиц. Как известно, под действием внешнего поля ансамбль частиц стремится занять положение, соответствующее минимуму потенциальной энергии его взаимодействия с полем. Внешнее электромагнитное поле вызывает поляризацию на каждой частице, и взаимодействие этих поляризаций имеет тенденцию выравнивать частицы вдоль направления внешнего поля, которому противодействует тепловое движение. В результате действия этих двух процессов устанавливается определенное равновесное распределение пространственной ориентации наночастиц. Оно носит статистический характер и зависит от механизма взаимодействия ансамбля с внешним полем. Ориентация частиц в переменном поле связана с определенными временами релаксации, которые зависят от вязкости и температуры среды, а также от геометрической структуры образцов.
Таким образом, работа посвящена численному анализу процесса установления ориентационного равновесия пар наночастиц в лазерном поле. Предложенная в работе методика позволяет перенести хорошо анализируемые аналитически модели, справедливые при некоторых ограничениях, на общий случай. Показано, что процесс установления ориентационного равновесия может быть описан шестью обыкновенными диффенциальными уравнениями, что позволяет как численно оценить время установления, так и предсказать положение пары через заданный промежуток времени, в том числе в отсутствии внешнего излучения. Было также получено статистическое распределение по ориентациям для частиц CdTe в поле умеренного лазерного излучения и оценено среднее время установления ориентационного равновесия.
Виктория Сергеевна Корниенко
Санкт-Петербургский государственный университет
Представлены результаты лабораторного исследования нагружения цилиндрического образца из полиметилметакрилата (ПММА) с использованием электрического взрыва проводников. Разработана математическая модель построения профилей радиального напряжения в образцах и их эволюции в процессе распространения ударноволнового импульса в среде.
Проведено сравнение расчетных профилей радиального напряжения с экспериментально измеренными профилями. Дан анализ затухания ударноволнового процесса при различных длительностях импульса нагружения.
Ольга Константиновна Зайченко
Институт вычислительного моделирования СО РАН
Для исследования динамических процессов в жидких кристаллах была предложена математическая модель [1], позволяющая описывать механические, температурные и электрические воздействия. На основе уравнений модели в [2] получена и исследована подсистема уравнений второго порядка для касательного напряжения и угловой скорости, учитывающая только механическое воздействие. В настоящей работе подсистема усложняется с целью учета возмущений жидкого кристалла электрическим полем. Электрическое поле возникает за счет появления зарядов на пластинах-обкладках конденсатора, между которыми помещен протяженный горизонтальный жидкокристаллический слой. В правые части уравнений второго порядка входят объемные силы и моменты, обусловленные воздействием электрического поля. Разработан алгоритм численного решения, на первом этапе которого вычисляются объемные силы и моменты на основе уравнений электродинамики с помощью метода прямых, а на втором этапе с использованием конечно-разностной схемы «крест» находятся распределения касательного напряжения, угловой скорости и углов поворота молекул жидкого кристалла. Исследована устойчивость схемы «крест» для некоторого фиксированного шага по времени и доказано, что схема остается устойчивой при выборе меньшего шага. Алгоритм реализован в виде параллельной программы, написанной на языке C++ с применением технологии CUDA для вычислительных систем с графическими ускорителями. Для демонстрации работоспособности алгоритма и программы проведена серия расчетов. Со временем происходит переориентации молекул жидкого кристалла в направлении действия электрического поля (рис. 1). При этом в начальный момент времени молекулы имели вертикальную ориентацию.
Работа поддержана Красноярским математическим центром, финансируемым Минобрнауки РФ в рамках мероприятий по созданию и развитию региональных НОМЦ (Соглашение 075-02-2020-1631).
1. Садовский В.М., Садовская О.В., Смолехо И.В. Моделирование динамики жидкого кристалла под действием слабых возмущений // Прикладная механика и техническая физика. 2021. Т. 62. № 1. С. 193–206.
2. Смолехо И.В., Садовская О.В., Садовский В.М. Численное моделирование акустических волн в жидком кристалле с использованием технологии CUDA // Вычислительные технологии. 2017. Т. 22. Спец. вып. 1. С. 87–98.
Ирина Владимировна Смолехо
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Пермский государственный национальный исследовательский университет»
Под воздействием ультразвука в жидкости могут образовываться инерционные и неинерционные (неактивные) кавитационные пузырьки. Активность образования пузырьков за счет процессов кавитации и коалесценции зависит от многих факторов, в результате могут наблюдаться как коллапс парогазовых кавитационных пузырьков в жидкости, так и их коалесценция и длительное существование относительно крупных пузырьков [1,2].
Проведено экспериментальное исследование активности кавитационных процессов и интенсивности коалесценции парогазовых пузырьков, возникающих в объеме жидкости при наличии ультразвукового (УЗ) воздействия в растворе соли NaCl и при различных концентрациях sodium dodecyl sulfate (SDS). Процесс образования и дрейфа пузырьков фиксировался с помощью скоростной камеры в плоскости кюветы освещенной лазерным ножом. Показано, что добавление ПАВ в водный раствор соли NaCl приводит к частичному ингибированию процесса коалесценции пузырьков миллиметрового диаметра и смене режима дегазации жидкости при наличии УЗ воздействия. Максимальная активность кавитационных процессов и образования парогазовых пузырьков наблюдалась при наличии соли и низкой концентрации SDS. Таким образом наличие ПАВ в водном растворе соли 0,1 М NaCl приводит к изменению динамики роста пузырькового ансамбля, так как мелкие пузырьки не способны всплывать на поверхность, ввиду преобладания вязких и вибрационных сил над выталкивающей силой.
На Рис. 1 представлены изображения полученные в результате объединения 500 кадров для чистой воды и при наличии 0,1 М NaCl и низкой концентрации SDS равной 0,05 мМ.
Оскар Олегович Фатталов
