Сектор аэродинамики, зав. сектором — д.ф.м.н. Чарахчьян Александр Агасиевич
(E-mail: chara@ccas.ru)
Сектор моделирования климата, зав. сектором — к.ф.м.н. Пархоменко Валерий Павлович
(E-mail: parhom@ccas.ru)
Сектор асимптотических методов, зав. сектором — д.ф.м.н. Жук Владимир Иосифович
(E-mail: zhuk@ccas.ru)
Отдел механики сплошных сред возник одним из первых в Вычислительном центре Российской академии наук. С момента образования и до 1991 года его возглавлял крупный ученый в области аэрогидродинамики профессор Ю.Д.Шмыглевский. С 1992 по 2002 год отдел возглавлял известный специалист в области механики сплошных сред Ученый секретарь института д.ф.м.н. Л.В.Шуршалов.
В отделе разрабатываются математические модели, вычислительные методы и алгоритмы для исследования физических процессов в сплошных средах.
д.ф.м.н. Ю.Д.Шмыглевский д.ф.м.н. Л.В.Шуршалов д.ф.м.н. В.М.Борисов д.ф.м.н. В.И.Жук д.ф.м.н. В.И.Зубов д.ф.м.н. И.Е.Михайлов д.ф.м.н. А.М.Тарко |
к.ф.м.н. А.В.Шипилин (1938-2003)
к.ф.м.н. Б.Н.Азаренок к.ф.м.н. В.Н.Котеров к.ф.м.н. В.М.Кривцов к.ф.м.н. В.А.Люлька (1937-2006) к.ф.м.н. В.П.Пархоменко к.ф.м.н. И.В.Савенков к.ф.м.н. А.А.Фролова |
Совместители: д.ф.м.н. В.Н.Диесперов (МФТИ), к.ф.м.н. А.А.Иванков (НПО им. С.А.Лавочкина).
Уравнения Навье-Стокса для установившихся плоскопараллельных течений несжимаемой жидкости преобразованы к однородным формам. Изучены бесконечные вихревые системы в вязкой жидкости в окрестности угловых точек границы области течения. Показана возможность любых подходов разделяющих линий тока к обтекаемому контуру в плоскопараллельном потоке вязкой жидкости. Изучены стоксовские плоскопараллельные течения в каналах с отрывом потока от их стенок. Построено аналитическое представление некоторых плоскопараллельных отрывных течений вязкой несжимаемой жидкости у границ областей течения. Найден класс точных решений уравнений Навье-Стокса в осесимметричном случае. Класс содержит произвольную функцию и определяет, в частности, системы вихревых образований типа шарового вихря Хилла.
Разработан программный комплекс «Теплозащита». С его помощью проведены расчеты теплозащиты космических аппаратов при их движении в атмосфере Венеры.
Проведено численное моделирование газодинамических явлений, которые могут развиваться в протяженных подводных газопроводах как при штатных технологических мероприятиях (например, пуск газопровода), так и при нештатных ситуациях (разрыв или значительное повреждение трубопровода). Исследование проведено на основе специально разработанной математической модели, учитывающей неидеальность перекачиваемого газа (метан+высшие углеводороды+азот+углекислый газ) и большие перепады высот залегания трубопровода. Изучен вопрос возможного обнаружения места разрыва трубопровода по изменениям газодинамических характеристик потока на контрольных участках газопровода. Работа выполнена по двум хоз. договорам ВЦ РАН № 17 от 2 февраля 1998 г. и № 18 от 5 января 2000 г. с ВНИИГАЗ (головная научная организация ГАЗПРОМ) в рамках проекта сооружения магистрального газопровода Россия-Турция через акваторию Черного моря (проект «Голубой поток»).
Разработана математическая модель и создан комплекс программ, предназначенный для расчета внутренних пространственных течений газа в многоступенчатых охлаждаемых осевых турбинах. Моделирование осуществляется путем численного интегрирования осредненных по Рейнольдсу трехмерных уравнений Навье-Стокса, дополненных полуэмпирической двухпараметрической qw-моделью турбулентности.
Разработана математическая модель, предложен вычислительный алгоритм и создан комплекс программ для проведения численных исследований влияния параметров трехмерного эжекторного сопла на его тяговые и иные характеристики при наличии внешнего обтекания данного устройства. Работа выполнена в рамках хоз. договора ВЦ РАН с ОАО «ОКБ Сухого» № 18/2002 от 11 июля 2002 г.
В рамках методологии быстрого автоматического дифференцирования получены новые формулы вычисления матрицы вторых производных сложных функций и продемонстрирована их эффективность на модельных задачах оптимального управления. Исследована задача оптимального управления процессом плавления и кристаллизации вещества по нахождению распределения мощности источника по времени, обеспечивающего минимум суммарной энергии при заданных ограничениях на массу расплавленного вещества и скорость кристаллизации. Ограничения, накладываемые на решение задачи, учитывались с помощью метода штрафных функций. Для вычисления градиента целевого функционала в дискретном случае использовалась методология быстрого автоматического дифференцирования. Выяснено влияние на оптимальное управление таких параметров задачи, как предельная скорость остывания, ширина источника, и размер области у оси симметрии, где допускается произвольная скорость остывания. Предложен новый численный алгоритм решения прямой задачи (определения температурного поля), который позволяет существенно ускорить получение решения.
Разработан алгоритм и создана программа для многопроцессорного компьютера для расчета двумерных и трехмерных течений разреженного газа на базе нелинейного уравнения Больцмана.
Численно исследовано сжатие углерода в конических свинцовых мишенях с помощью алюминиевых ударников, имеющих скорость 4 км/с. Постановка задачи включает в себя уравнения гидродинамики сжимаемых сред, полуэмпирические широкодиапазонные уравнения состояния материалов и кинетическую модель неравновесного превращения графита в алмаз, откалиброванную с учетом известных экспериментальных данных. Исследованы все стадии процесса от кумулятивного эффекта на оси симметрии мишени до разгрузки образца, вызванной приходом волны разрежения от тыльной поверхности ударника, учитывая явление откола.
Численно исследована неустойчивость границы раздела сред после выхода на нее двух ударных волн, следующих одна за другой через некоторый промежуток времени. Рассмотрены свободная граница алюминия, граница алюминий — дейтериевый лед, воздух — гелий и фреон — воздух. Показано, что если к моменту выхода на границу второй ударной волны развитие возмущений находится на нелинейной стадии, то, в отличие от линейной стадии, изменение скорости роста амплитуды слабо зависит от длины волны начального возмущения. Предложена инженерная формула, позволяющая определять воздействие второй ударной волны на скорость роста амплитуды, и показана ее хорошая точность как для синусоидального начального возмущения, так и для негладкого возмущения с точками излома. Продемонстрирована возможность определения параметров второй ударной волны, обеспечивающих эффект замораживания неустойчивости, по скорости роста амплитуды независимо от длины волны начального возмущения.
Численно исследовано бесструйное сжатие пластины на клине сильной ударной волной. Построено приближенное решение с присоединенной ударной волной, учитывающее фазовый состав материала пластины в волне разгрузки, и показана хорошая точность этого решения. Обнаружено значительное (в несколько раз) увеличение температуры за фронтом присоединенной ударной волны по сравнению с температурой за фронтом сжимающей волны. Показана принципиальная возможность инициирования термоядерной реакции при бесструйном сжатии пластины из дейтериевого льда сильной ударной волной.
Исследована задача о нагреве сжимаемой жидкости постоянным потоком тепла. Обнаружено, что начиная с некоторого момента времени давление всюду за ударной волной мало отличается от некоторого постоянного значения. Получены приближенные аналитические формулы, из которых следует независимость давления от величины коэффициента теплопроводности и некоторые закономерности зависимости давления от величины потока тепла. На ряде примеров продемонстрировано хорошее соответствие между формулами и решением задачи.
Численно исследованы течения пористых сред со сходящимися ударными волнами при наличии некоторого механизма ограничения кумуляции: ударное сжатие в конических твердотельных мишенях, одномерные сферические и цилиндрические волны с ограничением кумуляции в виде жесткого шарика или цилиндра небольшого радиуса. Обнаружено, что переход от сплошного вещества к пористому в этих течениях приводит к существенному увеличению не только температуры, но и давления. Такой характер изменения давления при изменении пористости качественно отличается от случая плоских волн постоянной интенсивности, для которых увеличение пористости всегда приводит к уменьшению давления.
Развит метод построения регулярных адаптивных конечно-разностных сеток в применении к расчету неодномерных газодинамических течений с разрывами. Развит новый метод построения регулярных сеток для течений с сильно искривленными подвижными границами. Построен алгоритм решения задачи о распаде разрыва с произвольным уравнением состояния в табличной форме; предложен способ коррекции разностной схемы типа С.К.Годунова, направленный на подавление энтропийного следа. Разработан общий способ вычисления первых вариаций функционалов разной кратности. Разработан метод псевдохарактеристик для расчета многомерных уравнений гиперболического типа. Разработан алгоритм трехмерной консервативной интерполяции на гексаэдральных сетках.
Разработаны варианты моделей циркуляции атмосферы, гидро-термодинамики океана и морского льда в арктическом регионе, эффективно аккумулирующие, адаптирующие и использующие существующие и новые данные о процессах взаимодействия атмосфера — океан — лед, конвективных и динамических процессах в океане, а также данные о структуре и эволюции морских льдов. Разработан вариант компьютерной системы для анализа, обработки и визуализации результатов численных экспериментов и данных наблюдений. Осуществлена численная реализация и создан программный комплекс для статистического анализа данных с помощью обобщенных линейных разделяющих функций.
Получены многолетние (на сроки до 70 лет) распределения характеристик морского льда в виде карт, графиков как для средних по пространству и времени величин, так и в отдельных точках. Представлены также карты расчетных распределений толщины льда в Арктике для различных сезонов в установившемся режиме. Установлены новые результаты, связанные с сильной естественной межгодичной изменчивостью ледового покрова. Проведен анализ чувствительности модельных результатов к параметрам моделей, определяющих взаимодействие атмосферы, льда и океана. Установлен существенно неоднородный по пространству характер влияния на ледовый покров этих параметров. Так, уменьшение альбедо снега и льда приводит к уменьшению в среднем толщины ледового покрова, но существуют области, где толщина увеличивается.
Проведено изучение проблемы распространения нефтяных разливов в океане при наличии морского льда для построения математических моделей. Предложены соответствующие модели.
Разработана система математических моделей для прогнозирования воздействия хозяйственной деятельности на природные системы и климат. Система моделей биосферных содержит точечные и пространственные модели биогеохимических циклов углерода и азота в системе «атмосфера — растения — почва» и «атмосфера — океан». Пространственное разрешение 0.5х0.5 и 4х5 град. георафической сетки. Получены долгосрочные прогнозы изменения количества двуокиси углерода в атмосфере и климата, а также экологических процессов в результате действия индустриальных выбросов двуокиси углерода в атмосферу, вырубки лесов, эрозии почв. Получены расчеты баланса поглощения и выделения двуокиси углерода стран и регионов при различных сценариях экономической деятельности. Сделаны расчеты последствий ограничения выбросов СО2 в атмосферу — выполнения Киотского протокола к Рамочной конвенции ООН об изменении климата и его невыполнения, в частности, США. Разработана математическая трактовка выполнения принципа Ле-Шателье в биосфере. Определена способность экосистем суши и океана компенсировать антропогенные воздействия на биосферу. В пространственной модели системы атмосфера-океан рассчитана способность различных океанов и их частей поглощать выбросы СО2, а также оценена роль биоты океана поглощении выбросов и формировании пространственной и временной картины динамики полей СО2 и неорганического азота.
Разработана система моделей действия атмосферных загрязнений на лесные экосистемы в регионе.
Изучена тонкая структура областей взаимодействия пограничных слоев с внешним потенциальным потоком (локальный и глобальный отрыв, сверхзвуковые зоны с образованием ударных волн, генерация волн Толлмина-Шлихтинга, распространение возмущений солитонного типа). Проанализированы различные аспекты неустойчивости пограничных слоев и пристеночных струй. Названные исследования нацелены на решение исключительно актуальной общей проблемы ламинарно-турбулентного перехода (вызывающей интерес на протяжении более столетия), а также математических свойств уравнений Навье-Стокса при больших числах Рейнольдса.
Подытожены исследования различных аспектов асимптотической теории неклассического пограничного слоя (монография В. И. Жука «Волны Толлмина-Шлихтинга и солитоны», М.: Наука, 2001 г.).
XXV European Conference on Laser Interaction with Matter. Formia 1998. May 4th/8th. Frascati, Italy.
XYI Международная конференция «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» (Эльбрус-2001).
3-й Международный симпозиум «Проблемы экоинформатики», РАЕН, НТОРЭС им. А. С. Попова, Москва, 1998.
XLIII научная конференция Московского физико-технического института, Долгопрудный, 2000.
Международная научная конференция «Современные проблемы цивилизации», посвященная памяти Н. Н. Моисеева — Президиум РАН, Москва, 2001.
Всероссийская научная школа «Математические методы в экологии», Петрозаводск, Карельский научный центр РАН, 2001.
Международная конференция «Биологические ресурсы и устойчивое развитие», Пущино, 2001.
Рабочее совещание экспертов «Взаимодействие главных биогеохимических циклов», SCOPE (СКОПЕ — Научный комитет по проблемам окружающей среды), Бремен, Германия, 2001.
XI Генеральная ассамблея SCOPE, Бремен, Германия, 2001.
Международная конференция по двуокиси углерода, Сендай, Япония, 2001.
Семинар «Моделирование глобальных биогеохимических циклов и глобальное потепление» группы парниковых газов по проектам «Энергия и Технология» и DYN проекта IIASA (Международный институт прикладного системного анализа), Лаксенбург, Австрия, 2002.
Научная конференция, посв. 85-летию академика Н. Н. Моисеева «Математические модели сложных систем и междисциплинарные исследования» — ВЦ им. А. А. Дордницына РАН, Москва, 2002.
Международный научный конгресс «Экоэтика — XXI век» — МГТУ им. Н. Э. Баумана Москва, 2002.
Всемирная конференция по изменению климата, Москва, 2003.
Седьмая международная конференция по гиперболическим проблемам. 1998. Февраль 9-13. Цюрих. Швейцария.
Третья международная конференция по неравновесным процессам в соплах и струях. 2000. Июль 3-7. Истра-Москва. Россия.
Десятая юбилейная международная конференция по вычислительной механике и современным прикладным программным системам, Переславль-Залесский, 7-12 июня 1999 г.
World Congress 'IMACS 2000' On Scientific Computation, Applied Mathematics and Simulation, Lausanne — Switzerland, August 21-25, 2000.
Third International Conference on Automatic Differentiation: “From Simulation to Optimization”, June 19-23, 2000, Maison du Seminaire, Nice, France.
Одиннадцатая международная конференция по вычислительной механике и современным прикладным программным системам, Москва-Истра, Россия,
12-ая Байкальская международная конференция «Методы оптимизации и их приложения», Иркутск: ИГУ, 2001.
Двенадцатая международная конференция по вычислительной механике и современным прикладным программным системам, Владимир, Россия, 30 июня — 5 июля 2003 г.
Конференция по обратным и некорректно поставленным задачам. Москва, МГУ, 16-17 июня 1998 г.
Conference on Numerical Methods for Fluid Dynamics, University of Oxford, 31.03-3.04 1998.
XII Всероссийская конференция «Теоретические основы и конструирование численных алгоритмов реш. задач мат. физ.» памяти К.И.Бабенко, 9-13 сент., 1998, Новороссийск.
Second International Symposium on “Finite Volumes for Complex Applications II-Problems and Perspectives”, July 19-22, 1999, Duisburg, Germany.
8th International Symposium on Computational Fluid Dynamics, 5-10 September, 1999, Bremen, Germany.
Ist International Conference on Computational Fluid Dynamics, 10-14 July, 2000, Kioto, Japan.
VIII Всероссийское совещание по проблемам построения сеток для решения задач математической физики, Пущино, 21-28 июля, 2000.
7th Russian-Japanese International Symposium on Computational Fluid Dynamics, July 31 — August 6, 2000, Moscow Lomonosov University.
7th International Conference on Numerical Grid Generation in Computational Field Simulation, Sept. 25-28, 2000, Whistler, Canada.
2nd International Conference Applied Mathematics For Industrial Flows, 12-14 Oct., 2000, Ciocco, Italy.
Mimisymposium on Grid Generation: New Trends and Applications in Real-World Simulations 25-29 июня 2001, Санкт-Петербургский Университет, Санкт-Петербург.
IXth International Conference on Hyperbolic Problems, Theory, Numerics, Applications, California Institute of Technology Pasadena, California, March 25-29, 2002.
Семинар по построению расчетных сеток: Теория и приложения, 24-28 июня 2002 г., ВЦ РАН, Москва.
International Conference on Scientific Computing and Partial Differential Equations, December 12-15, 2002, Hong Kong Baptist University.
III International Workshop on Scientific Computing and Applications, January 6-9, 2003, City University of Hong Kong, Hong Kong.
VII Забабахинскиe научные чтения, 8-12 сентября, 2003, РФЯЦ-ВНИИТФ, Снежинск.
X Всероссийский семинар «Современные проблемы численного моделирования», 16-19 сентября 2003, Новороссийск.
21st International Symposium on Rarefied Gas Dynamics. Marsel, France, July, 1998.
International conference on Parallel computations in fluid dynamics. Moscow. May, 2003.
2nd International conference on mathematical ecology, Alcala de Henares (Madrid) Spain. September 2003. Mеждународный коллоквиум в Англии «Euromech 384». Манчестер, 1998 г.
Международная конференция «Fluxes and Structures in Fluids». Москва, 2001 г.
Международная конференция «Progress in Nonlinear Science». Нижний Новгород, 2001 г.
Восьмой Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике. Пермь, 2001 г. (пленарный доклад).