Важнейшие результаты с 2001 года

Презентации по теме: перейти

2013


1. Предложена многомасштабная модель генерации галактического магнитного поля, которая предсказывает возникновение инверсий крупномасштабного и формирование спиральных рукавов. Подчеркивается особый вклад мелкомасштабного динамо в формирование реалистичных распределений.

аннотация

Усилия по построению модели галактического динамо делаются начиная с 80х годов, что позволило установить основные физические механизмы генерации магнитного поля. Однако детали полученных теоретических результатов в значительной степени расходятся с данными, пусть и малочисленными, но достаточно качественно выполненных наблюдений магнитных полей галактик. Даже вопрос симметрии генерируемых полей пока не имеет однозначного решения. В своем исследовании мы отказываемся попытки прямого численного моделирования трехмерных распределений магнитного, которое при всех своих достоинствах в силу больших вычислительных затрат не позволяет в достаточной мере исследовать параметрическое пространство модели на статистически представительном числе реализаций. Мы используем квазидвумерную модель среднего поля с подсеточной моделью мелкомасштабного динамо, которая и представляет основой элемент новизны. Это элемент позволяет эффективно учесть принципиально важный процесс усиления магнитного поля за счет взрывов сверхновых. Вносимое таким образом мелкомасштабное магнитное поле, динамика которого описывается каскадными моделями МГД турбулентности, подхватывается процессом динамо среднего поля и дает характерные для наблюдений неоднородности распределения. Возникающие локальные инверсии могут перерастать в глобальные и существовать на характерных временах сравнимых с возрастом галактик (см. рис. слева). С рамках предложенной концепции было естественно изучить влияния оптических спиральных рукавов, где интенсивность звёздообразования выше, на распределение крупномасштабного магнитного поля. Вопреки ожиданиям среднее магнитное поле слабо коррелирует с оптическими рукавами. Однако удалось объяснить наблюдаемый контраст регулярного магнитного поля в рукавах и между ними (см. рис. справа).

  1. Moss D., Beck R., Sokoloff D. Stepanov R., Krause M., Arshakian T. G. The relation between magnetic and material arms in models for spiral galaxies // Astronomy and Astrophysics. 2013. Vol. 556. Id.147
  2.  Moss D., Stepanov R., Arshakian T. G., Beck R., Krause M., Sokoloff D. Multiscale magnetic fields in spiral galaxies: evolution and reversals // Astronomy and Astrophysics. 2012. Vol. 537. Id

Рук. Д.ф.м.н. Степанов Р.А.


2. При помощи разработанного в 2011-2012 годах комплекса неинвазивных методов оценки состояния периферического кровообращения человека были исследованы нарушения микроциркуляции различного генеза, а именно:
     — Для больных сахарным диабетом и пациентов с нарушением теста толерантности к глюкозе получены данные о нарушении механизмов регуляции функции эндотелия.
     — Доказана эффективность предложенных методов при диагностике хронической артериальной недостаточности и указаны преимущества метода по сравнению с принятыми в широкой практике.

аннотация

Микроциркуляция крови обеспечивает транспорт биологических жидкостей на тканевом уровне. Это понятие включает в себя капиллярное кровообращение (движение крови по микрососудами капиллярного типа), обращения интерстициальной жидкости и веществ по межклеточным пространствам, ток лимфы по лимфатическим сосудами. Совокупность всех сосудов, обеспечивающих микроциркуляцию, называется микроциркуляторным руслом и включает в себя капилляры, венулы, артериолы, артериовенулярные анастомозы, лимфатические капилляры. Основная функция микроциркуляции состоит в транспорте крови и веществ к тканям и от тканей. Для исследования микроциркуляции крови применяются различные методики, так и неинвазивные. Для исследования физиологических свойств микроциркуляторного русла предпочтительны неинвазивные методики, наиболее распространенным из которых, является метод лазерной допплеровской флоуметрии (ЛДФ). Этот метод имеет следующие недостатки: 1) измерения может проводить только специально обученный персонал, 2) метод чувствителен к условиям проведения измерений, 3) дороговизна прибора. Поэтому работа коллектива сосредоточена на возможности использования для оценки функционального состояния микроциркуляции других методик, таких как фотоплетизмография и контактная термометрия. Созданный комплекс исследовательских и диагностических методик может быть широко использован в фундаментальных научных исследованиях и медицинской практике. Сочетанное применение комплекса исследовательских методик создаст базу для внедрения технологий раннего выявления и мониторинга эндотелиальной дисфункции как прогностического фактора риска сердечно-сосудистой патологии, что создаст предпосылки к совершенствованию методов лечения и позволит повысить эффективность комплекса мероприятий, направленных на улучшение качества жизни больных с нарушениями микроциркуляции.

  1. E. Smirnova, S. Podtaev, I. Mizeva, E. Loran Assessment of endothelial dysfunction in patients with impaired glucose tolerance during a cold pressor test // Diabetes and Vascular Disease Research, 2013 V 10 Issue 6 pp. 489 – 497
  2. J. Allen, C. Di Maria, I. Mizeva and S. Podtaev Finger microvascular responses to deep inspiratory gasp assessed and quantified using wavelet analysis //Physiological Measurement 2013, V. 34 N. 7 pp 769-781

Рук. к.ф.-м.н. Подтаев С.Ю., к.ф.-м.н. Мизева И.А. т.342- 2378394

2012

презентация: скачать


1. Впервые проведено экспериментальное и численное исследование формирования горизонтальных конвективных валов над неоднородно нагретой поверхностью, в замкнутой прямоугольной полости. Исследование проведено в широком интервале чисел Прандтля и Рэлея. Обнаружено, что структура вторичных течений определяется уровнем надкритичности в температурном пограничном слое и интенсивностью основного, адвективного течения. Показано наличие режимов с продольными валами, поперечными валами, а также смешанные режимы. Численные расчеты показали, что наличие вторичных структур существенно увеличивает теплообмен над нагретой областью.

аннотация

В работе осуществлено экспериментальное исследование и прямое численное моделирование течения в прямоугольной полости, в дно которой встроены два теплообменника, задающие резкий скачок температуры вблизи их границы раздела. В полости возникает адвективное течение, на фоне которого развиваются вторичные течения, которые могут иметь вид продольных или поперечных валов. Целью работы являлось изучение образования и развития вторичных конвективных течений, возникающих в пограничном слое, и их влияния на теплообмен в слое. Исследования выполнены для широкого диапазона чисел Прандтля (7 ≤ Pr ≤ 1020) и чисел Релея (300 ≤ Ra ≤ 2.8•107).
Установлено, что продольные конвективные валы появляются на некотором расстоянии от границы раздела теплообменников, и высота пограничного слоя увеличивается по мере удаления от скачка температуры. Рост вертикального размера валов происходит в основном за счет растяжения их верхней части. С ростом перепада температуры размеры валов уменьшаются, но растет скорость вращения валов.
Обнаружено, что в данной конфигурации задачи возможны режимы, как с поперечной, так и с продольной ориентацией вторичных конвективных валов. Показано, что как продольные, так и поперечные валы ведут к существенному увеличению теплопереноса. Все режимы, в которых наблюдаются продольные валы, находятся на фазовой диаграмме в плоскости Ra – Re над линией Re ≈ 2•10–4Ra0.7. Поперечные валы появляются только при условии одновременного наличия большого перепада температуры и слабого крупномасштабного течения (это возможно только при больших числах Прандтля). Полученные результаты важны для оценки влияния вторичных течений на процессы теплообмена в пограничных слоях.
Sukhanovsky A., Frick P., Teimurasov A., Batalov V. Horizontal rolls in convective flow above a partially heated surface // Eur.Phys.J. B, 2012. V.85: 9.
Рук. д.ф.-м.н. Фрик П.Г., т.342-2378322

2. Впервые выполнены одновременные прямые измерения турбулентной вязкости и турбулентной диффузии магнитного поля в турбулентном потоке проводящей жидкости при умеренных значениях магнитного числа Рейнольдса. Измерения выполнены в нестационарном турбулентном потоке жидкого натрия в тороидальном канале. Показано, что поведение коэффициента турбулентной диффузии магнитного поля определяется значениями магнитного числа Рейнольдса Rm, определенного по среднеквадратичному значению турбулентных пульсаций скорости. При Rm1 турбулентная диффузия магнитного поля становится пропорциональной турбулентной вязкости.

аннотация

В лабораторных экспериментах выполнены измерения двух коэффициентов переноса в импульсных турбулентных потоках жидкого натрия: эффективного (турбулентного) коэффициента диффузии магнитного поля и коэффициента турбулентной вязкости. Первый вычислялся по измерениям интегральной электропроводности, а второй — по измерениям локальной скорости. Поток возбуждался в быстровращающемся тороидальном титановом канале путём его резкого торможения. Коэффициент кинематической вязкости определялся как отношение квадрата плотности энергии турбулентных пульсаций к скорости её диссипации. Для нахождения указанных величин были произведены измерения двух компонент вектора скорости потока жидкого натрия двухкоординатным кондукционным датчиком и измерения вариаций индуктивности катушки, намотанной на канал с натрием. Получены законы вырождения энергии среднего течения, энергии пульсаций, коэффициента анизотропии и турбулентной вязкости. Показано, что поведение эффективной диффузии существенно зависит от магнитного числа Рейнольдса Rm, определенного по амплитуде среднеквадратичных пульсаций скорости и радиусу сечения канала. При Rm < 1 коэффициент турбулентной диффузии растет пропорционально квадрату магнитного числа Рейнольдса, а при Rm > 1 становится пропорциональным коэффициенту турбулентной вязкости.
Noskov V., Denisov S., Stepanov R., Frick P. Turbulent viscosity and turbulent magnetic diffusivity in decaying spin-down flow of liquid sodium // Physical Review E, 2012. V.85. 016303.
Рук. д.ф.-м.н. Фрик П.Г., т.342-2378322

2011

1. Впервые показано, что режимы крупномасштабной циркуляции со спонтанными инверсиями, разделенными длительными периодами квазистационарной циркуляции, возникают при турбулентной конвекции Релея – Бенара в прямоугольных полостях различной геометрии как в ограниченном диапазоне значений числа Релея, так и в ограниченном диапазоне аспектного соотношения, определяющего отношение толщины полости к стороне в плоскости циркуляции. В толстом слое устанавливается режим без инверсий, а в тонком слое возникает режим, характеризуемый многочисленными сменами направления циркуляции, не разделенными интервалами с устойчивым направлением крупномасштабного течения. Изучены спектры колебаний амплитуды крупномасштабной циркуляции. Показано, что в кубической полости в спектре колебаний появляется доминирующая частота.

аннотация

Спонтанные перебросы потока происходят в различных гидродинамических системах, включая крупномасштабные потоки в океанах, атмосфере, конвектиыных оболочках звезд или в жидком ядре Земли, где смена направления движения может приводить и к инверсии магнитного поля. Выполненные экспериментальные исследования крупномасштабной циркуляции (КМЦ) жидкости при турбулентной конвекции Релея-Бенара в прямоугольных областях различной геометрии (от тонкого слоя до кубической полости) показали, что в зависимости от значений числа Релея и аспектного соотношения могут реализоваться три различных режима КМЦ. Первый режим характеризуется устойчивой циркуляцией, интенсивность которой демонстрирует стохастические колебания, но направление циркуляции остается неизменным. Второй режим – режим с инверсиями, для которого характерно чередование интервалов с КМЦ в том или ином направлении. Длительность этих интервалов случайна, а в пределах каждого интервала КМЦ ведет себя подобно режиму 1. Третий, смешанный режим характеризуется многочисленными сменами направления КМЦ, которые не разделяются интервалами с квазиустойчивой циркуляцией в одном направлении (см. Рис.). Выявлена высокая чувствительность характера КМЦ к поперечному размеру полости (толщине слоя с квадратным в плоскости циркуляции сечением). Показано, что при в полостях с близкими размерами всех сторон инверсии не наблюдаются, а в тонком слое режим с инверсиями сменяется смешанным режимом циркуляции.

Васильев А.Ю., Фрик П.Г. Инверсии крупномасштабной циркуляции при турбулентной конвекции в прямоугольных полостях // Письма в ЖЭТФ, 2011. T.93. N.6. C.363-367.
Рук. д.ф.-м.н. Фрик П.Г., т.342-2378322

2. Разработан комплекс неинвазивных методов оценки состояния периферического кровообращения человека, основанных на вейвлет анализе сигналов лазерной допплеровской флоуметрии, фотоплетизмографии и термометрии. Проведены предварительные исследования в подгруппах здоровых и больных с нарушениями микроциркуляции (сахарный диабет, хроническая артериальная недостаточность нижних конечностей). Предложен качественно новый способ измерения скорости прохождения пульсовой волны, основанный на измерении сдвига фаз сигналов ЭКГ и фотоплетизмографии с применением вейвлет-разложения исходных сигналов. Данный способ позволяет оценить влияние «быстрых» физиологических воздействий на скорость распространения пульсовых волн.

Аннотация.

Периферическое кровообращение (ряд крупных подводящих сосудов и система мелких сосудов, называемая микроциркуляторным звеном) обеспечивает питание тканей и играет важную роль в сердечно-сосудистой системе. При ряде заболеваний страдает микроциркуляторное звено периферического кровообращения, и востребованы методы анализа его состояния. В настоящий момент не существует общепринятой методики оценки функционального состояния микроциркуляции. В ИМСС УрО РАН совместно с Пермской государственной медицинской академией разработан способ оценки состояния микрососудистого русла на основе температурной реакции организма на холодовой прессорный тест с последующим вейвлет-анализом данных. Показано достоверное отличие изменения спектрального состава колебаний кожной температуры у здоровых и больных сахарным диабетом при холодовом воздействии.

Помимо этого, изменениям при заболеваниях подвержены и крупные сосуды, что в свою очередь, сказывается и на системе микроциркуляции. Для оценки функционального состояния кровеносной системы распространены физиологические тесты, в том числе «быстрые». При проведении таких тестов изменения, происходящие за времена порядка нескольких секунд, свидетельствуют о состоянии кровообращения и его адаптационных возможностей. Для корректного описания таких реакций в ИМСС УрО РАН проведены работы по созданию программных алгоритмов для измерения динамических изменений скорости распространения пульсовых волн. Такие алгоритмы значительно расширяют возможности проводимых физиологических тестов.

  1. Попов А.В., Подтаев С.Ю., Фрик П.Г., Ершова А.И., Жукова Е.А. Исследование низкоамплитудных колебаний кожной температуры при проведении непрямой холодовой пробы // Регионарное кровообращение и микроциркуляция, 2011, № 1(37), С. 89-94.
  2. Смирнова Е.Н., Подтаев С.Ю., Мизева И.А., Жукова Е.А. Нарушение механизмов вазодилатации у больных сахарным диабетом 2 типа при проведении контралатеральной холодовой пробы// Регионарное кровообращение и микроциркуляция, 2011, (в печати)
  3. Allen J., Mizeva I., Podtaev S. Quantification of cardiovascular responses with deep inspiratory gasp using wavelet analysis// Physiological measurments, 2011, (in press).

Рук. к.-м. Подтаев С., к.-м. Мизева И. т.342- 2378394

2010

1. Впервые выполнены прямые измерения эффективной диффузии магнитного поля в турбулентном потоке проводящей жидкости при магнитных числах Рейнольдса Rm>>1. Измерения выполнены в нестационарном турбулентном потоке жидкого натрия в тороидальном канале. Максимальное значение числа Рейнольдса составило , что соответствует магнитному числу Рейнольдса . Максимальное отклонение коэффициента диффузии от его базового (ламинарного) значения составило порядка 50%.

Аннотация

Не смотря на то, что концепция турбулентной магнитной диффузии (по аналогии с турбулентной вязкостью) широко используется в моделях генерации магнитного поля турбулентными потоками проводящей среды в течение полувека, измерений значений эффективного значения коэффициента диффузии магнитного поля в турбулентной среде не удавалось реализовать до последнего времени. В ИМСС УрО РАН была предложена методика оценки коэффициента диффузии магнитного поля в нестационарном потоке жидкого металла, возбуждаемого в быстро вращающемся тороидальном канале при его торможении. Первые измерения были выполнены в потоках жидкого галлия при малых магнитных числах Рейнольдса (Rm>1 показали, что максимальное усиление диффузии магнитного поля за счет турбулентных пульсаций скорости достигает 50%.

1. Frick P., Denisov S., Noskov V., Stepanov R. Direct Measurement of Effective Magnetic Diffusivity in Turbulent Flow of Liquid Sodium // Physical Review Letters, 2010. V.105. N.18. 184502 (27 October 2010).

(Рук. д.ф.-м.н. Фрик П.Г., т.342-2378322).

2. Впервые в мировой практике изучения тропических циклонов проведено исследование спиральных свойств атмосферных движений в условиях тропического циклогенеза. На основе анализа данных «почти-облачно-разрешающего» численного моделирования показано, что интегральная спиральность вихревой системы может служить индикатором крупномасштабной вихревой неустойчивости в тропической атмосфере Земли.

Аннотация.

На основе данных «почти облачно-разрешающего» численного моделирования выполнены расчеты и анализ спиральных характеристик поля скорости в процессе формирования вихря тропической депрессии и его дальнейшего усиления до стадии зрелого урагана. Прослежена эволюция крупномасштабной вихревой неустойчивости, возникающей на фоне мощной облачной влажной конвекции. Неустойчивость развивается путем слияния мелкомасштабных спиральных конвективных структур и приводит к образованию более крупных и интенсивных спиральных вихрей.

Получены распределения спиральности, кинетической энергии и энстрофии. Обнаружено, что в этом процессе происходит нарушение отражательной симметрии трехмерной влажноконвективной турбулентности, выражающееся в генерации ненулевой средней спиральности. Отмечены важные отличительные особенности поведения средней спиральности системы по сравнению с двумя другими интегральными характеристиками – кинетической энергией и энстрофией. Обнаружены кардинальные качественные и количественные различия в эволюции средней спиральности для случая формирования вихря ураганной силы и численного эксперимента, закончившегося образованием тропической депрессии. Практическая значимость проведенных исследований связана с возможностью использования спиральности в качестве индикатора крупномасштабной вихревой неустойчивости.

1. Левина Г.В., Монтгомери М.Т. О первом исследовании спиральной природы тропического циклогенеза // Доклады Академии наук, 2010. Т. 434. N. 3. C. 401-406.

2. Доклад на конференции “29 AMS Conference on Hurricanes and Tropical Meteorology”, Tucson, Arizona, USA, 10-14 May, 2010. Levina G.V., Montgomery M.T. Helical features of tropical cyclogenesis. On-line Absract publication:

http://ams.confex.com/ams/29Hurricanes/techprogram/paper_167780.htm

(Рук. к.ф.-м.н. Левина Г.В., т.342- 2378394).

2009

1. Впервые проведены прямые измерения вариаций моменты импульса во вращающемся слое жидкости, вызванные меридиональной циркуляцией конвективной природы. Показано, что прямая циркуляция (обусловленная, нагревом на периферии слоя) приводит к существенному росту момента импульса слоя жидкости, а обратная меридиональная циркуляция – к его уменьшению.

аннотация

Экспериментально исследована эволюция крупномасштабного азимутального поля скорости во вращающемся цилиндрическом слое жидкости (радиус 150 мм, глубина 30 мм) при наличии меридиональной циркуляции. Два случая были рассмотрены: прямая циркуляция возбуждаемая нагревом на периферии и обратная циркуляция, обеспечиваемая нагревом в центре. Детальная трехмерная структура поля скорости была восстановлена с использованием метода PIV для большого интервала значений чисел Грассгофа. Показано, что зависимость энергии меридиональной циркуляции от числа Грассгофа для обоих типов ячеек подобна. Благодаря силе Кориолиса меридиональное течение формирует азимутальное движение. Меридиональная циркуляция приводит к существенному изменению интегрального углового момента слоя жидкости: прямая циркуляция приводит к росту интегрального углового момента, а обратная к его уменьшению.

Рис. 1. Слева: среднее азимутальное поле скорости для прямой (а) и обратной (б) меридиональной циркуляции, белая изолиния на рисунке показывает границу между циклоническим и антициклоническим движением. Справа: зависимость величины глобальной суперротации (отношение приращения момента импульса к его значению при твердотельном вращении) от числа Грассгофа; квадраты соответствуют прямой циркуляции, круги – обратной.

V. Batalov, A. Sukhanovsky and P. Frick. Laboratory study of differential rotation in a convective rotating layer // J. Geophys.Astrophys.Fluid Dynam. (accepted).

(Рук. д.ф.-м.н. Фрик П.Г., т.342-2378322).

2. Предложен новый вейвлет-ориентированный метод синтеза фарадеевской меры вращения поляризованного радиоизлучения, который позволяет восстанавливать распределение магнитного поля по фарадеевской глубине.

аннотация

Фарадеевская мера вращения плоскости поляризации синхротронного излучения является основной характеристикой, позволяющей определять структуру галактических магнитных полей. Метод RM-синтеза используется для определения распределения в третьем измерении – по фарадеевской глубине вдоль луча зрения. Основная идея предложенного развития метода RM-синтеза состоит в решение проблемы экстраполяции данных в область отрицательных волновых чисел, где наблюдения принципиально невозможны. При этом используется предположение о симметрии или антисимметрии поля, что вполне оправдано, например, при анализе магнитного поля галактики, имеющего симметрию относительно центральной плоскости. Аппарат вейвлет-преобразования позволяет сформулировать условия симметрии локально, т.е. для каждой выделенной структуры отдельно. Показаны, основные преимущества предлагаемого метода по сравнению с ранее известным методом синтеза, основанного на фурье-преобразовании. Удалось существенно улучшить определение, как интенсивности магнитного поля, так и его направление в плоскости наблидения. На рисунке показана действительная часть, мнимая часть и абсолютное значение тестового сигнала (a), его реконструкция стандартным методом (b) и восстановление с помощью вейвлетов (c,d).

P. Frick, D. Sokoloff, R. Stepanov, R. Beck Wavelet-based Faraday Rotation Measure Synthesis // Mon. Not. R. Astron. Soc. Lett., 2009 (принято в печать)

(Рук. к.ф.-м.н. Степанов Р.А., т.342-2378-394).

3.Разработан и изготовлен усовершенствованный безобмоточный МГД-насос наружного расположения. Насос предназначен к использованию в литейных цехах для перекачивания жидкого магния.

Аннотация

В 2009году завершены работы по доработке и усовершенствованию МГД-насоса Пуш-пул на основе опыта работы этого насоса на Соликамском магниевом заводе. МГД насос Пуш-пул является безобмоточным насосом наружного расположения для перекачивания жидкого металла). Обмотка трансформатора насоса выполнена из жаропрочного провода, сделан дополнительный тепловой экран защищающий обмотку от теплового воздействия канала, в конструкцию введен специальный теплоизоляционный металлический короб охватывающий канал насоса и дополнительно защищающий сердечник трансформатора и его обмотку от теплового воздействия горячего канала насоса. Короб так же служит фиксации канала, а рама имеет теплоизолированное днище, защищающее обмотку трансформатора от возможного теплового воздействия печи с жидким металлом на обмотку трансформатора. Рама имеет две стойки, крепящие канал насоса. Благодаря тому, что стойки электроизолированы возможно разогревать канал насоса и металлопроводные трубы перед началом работы , пропуская по ним электрический ток.

Рис. 1. Насос Пуш-пул (слева) : плоский канал (2) с входным патрубком охваченный П-образным ферромагнитным сердечником (6), плоский канал (3) с выходным патрубком (5) охваченный двумя П-образными сердечниками (7). Трансформатор (8) индуцирует электрический ток в канале. Напорно-расходная характеристика (справа).

  1. Денисов С.А., Долгих В.М., Хрипченко С.Ю. Электромагнитный насос патент № 2306659, зарегистрирован в Гос.реестре изобретений РФ 20.09.2007 изобретений РФ 20.09.2007 изобретений РФ 20.09.2007

(Рук. д.т.н. Хрипченко С.Ю., т.342-2378-306).

2008

1. Впервые рассмотрена магнитогидродинамическая турбулентность, стационарно поддерживаемая внешней силой, которая наряду с энергией вносит в поток перекрестную спиральность. Показано, что перекрестная спиральность препятствует каскадному переносу энергии и приводит к накоплению энергии в системе. Существенно, что при низком уровне вносимой перекрестной спиральности турбулентность накапливает ее – интегральный коэффициент корреляции существенно превосходит отношение вносимой спиральности к вносимой энергии. Показано, что с ростом уровня вносимой перекрестной спиральности наклон спектра постепенно возрастает от “5/3” до “2”.

Аннотация

Перекрестная спиральность характеризует уровень корреляции пульсаций магнитного поля и поля скорости и является в идеальной трехмерной магнитной гидродинамике интегралом движения наряду с полной энергией и магнитной спиральностью. Показано, что перекрестная спиральность препятствует каскадному переносу энергии и приводит к накоплению энергии в системе. Это накопление происходит до тех пор, пока интенсификация вихрей не скомпенсирует падающую эффективность нелинейных взаимодействий. Получена формула для оценки средней энергии турбулентности при заданном отношении подводимой спиральности к энергии, которая подтверждена результатами решения уравнений каскадной модели развитой МГД турбулентности. Существенно, что при низком уровне вносимой перекрестной спиральности турбулентность накапливает ее – интегральный коэффициент корреляции существенно превосходит отношение вносимой спиральности к вносимой энергии. Результаты расчетов показали, что с ростом уровня перекрестной спиральности энергия турбулентного покока может увеличиваться в десятки раз, а наклон спектра постепенно возрастает от “5/3” до “2”.

(Рук. д.ф.-м.н. Фрик П.Г., т.342-2378322).

2. Разработана методика восстановления полей скорости и распределения частиц в двухфазной струе. Методика предназначена для анализа качества работы форсунок авиационных двигателей. Проведены исследования пространственного распределения частиц по размерам в реальных форсунках. Получены гистограммы, поля концентрации, размеров и объемов частиц.

аннотация

Эффективность работы камеры сгорания авиадвигателя существенно зависит от характеристик топливно-воздушной смеси, таких как структура потока и размер капель топлива. Применявшиеся ранее методики позволяли получить только локальные измерения скорости или интегральные измерения распределения частиц по размерам. В результате данного исследования разработана методика восстановления полей скорости и распределения частиц в струе на выходе из авиационной форсунки. Проведены исследования пространственного распределения частиц по размерам в вертикальных и горизонтальных сечениях. Проведены исследования пространственного распределения частиц по размерам в вертикальных и горизонтальных сечениях. Получены гистограммы, поля концентрации, размеров и объемов частиц. Показано, что азимутальное распределение частиц является неоднородным.

(Рук. д.ф.-м.н. Фрик П.Г., т.342-2378322).

2007

1. Впервые выполнены прямые лабораторные измерения турбулентных коэффициентов переноса для уравнения индукции крупномасштабного магнитного поля. Измерения проведены в турбулентном нестационарном потоке жидкого галлия, возбуждаемом в быстро вращающемся кольцевом канале после его резкой остановки. Показано, что при возбуждении в канале винтового потока возникает кратковременная генерация магнитного поля (так называемый альфа-эффект), основанный на взаимодействии градиента турбулентных пульсаций и общей закрутки потока. Измерена также эффективная магнитная вязкость (связанная с эффективной электрической проводимостью среды) турбулентно движущегося жидкого металла. При достигнутых значениях числа Рейнольдса () отклонение от омической проводимости составило порядка 5%.

аннотация

На сегодня в динамо средних полей сложилась парадоксальная ситуация – уравнения теории динамо в течение четырех десятилетий являются базой для построения моделей МГД-динамо в разнообразных космических системах, но до последнего времени не было даже попыток прямых измерений входящих в него коэффициентов турбулентного переноса для каких-либо реальных течений. Относительно альфа-эффекта считается, что наиболее простое его проявление должно опираться на действие спиральной турбулентности. Однако, единственное лабораторное подтверждение турбулентного альфа-эффекта получено в данной работе в течение, где мелкомасштабная спиральность вклада давать не может, а альфа-эффект определяется совместным действием градиента турбулентных пульсаций и крупномасштабной завихренности [1]. Измерения выполнены в нестационарном турбулентном течении жидкого галлия, возбуждаемом в кольцевом вращающемся канале путем его резкого торможения. На этой же установке выполнены прямые измерения эффективной магнитной вязкости турбулентного потока жидкого металла при числах Рейнольдса до (магнитное число Рейнольдса при этом ) [2].

  1. Stepanov R., Volk R., Noskov V., Denisov S., Frick P., Pinton J.-F. Induction, helicity and alpha effect in a toroidal screw flow of liquid gallium // Physical Review E, 2006. V.73. 046310.
  2. Денисов С.А., Носков В.И., Степанов Р.А., Фрик П.Г. Измерения турбулентной магнитной вязкости в потоке жидкого галлия // Направлена в «письма в ЖЭТФ»

(Рук. д.ф.-м.н. Фрик П.Г., т.342-2378322).

2. Разработана математическая модель, описывающая поведение индукционных токов и магнитного поля в плоском канале с проводящей жидкостью индуцированных нормальным плоскости слоя переменным магнитным полем от внешнего источника.

Аннотация

Используя уравнения Максвелла, закон Ома и закон полного тока получены приближенные двумерные уравнения, описывающие индуцированные переменным магнитным полем от внешнего источника электрические токи в плоском канале с электропроводной жидкостью. Полученные уравнения использованы для расчета электромагнитных сил в индукционных насосах, разрабатываемых для перекачивания жидких металлов в металлургических устройствах.

(Рук. к.ф.-м.н. Хрипченко С.Ю., т.342-2378-306).

2006

1. На основе анизотропного двухмерного вейвлет-преобразования разработан метод распознавания спиральных структур. Методика позволяет определить положение, амплитуду и угол анизотропии выделенной структуры. Совместно с институтом Радиоастрономии (Бонн, Германия) метод успешно применен к анализу спиральных структур галактики М51.

аннотация

Диски галактик в большинстве случаев демонстрируют спиральную структуру в распределении звезд, газа, пыли и магнитного поля. Спиральные рукава наблюдаются как по интенсивности синхротронного радиоизлучения так и по ориентации плоскости поляризации, связанной с крупномасштабным магнитным полем (см. левый рис.) Сравнение положения и ориентации различных спиральных компонент межзвездной среды может дать важную информацию об астрофизической связи газа, пыли и магнитного поля в галактиках. Нами предложен новый метод идентификации спиральных структур с помощью анизотропных вейвлетов. Алгоритм позволяет определить положение, амплитуду и угол анизотропии выделенной структуры. Методика протестирована на искусственных объектах и была применена к распределению углекислого газа СО, инфракрасного и радиоизлучения галактики М51, обладающей ярко выраженной спиральной структурой. Было обнаружено два типа рукавов поляризованного излучения: один расположен там же где и рукав CO, с углом спирали близким к направлению магнитного поля, второй не всегда совпадает с рукавом СО и имеет угол закрутки спирали, отличный от направления магнитного поля. На месте расположения рукавов СО ориентация регулярного магнитного поля совпадает с углом закрутки спирали, но за пределами газовых облаков ориентация регулярного магнитного поля меняется значительно.

1. Analysis of spiral arms using anisotropic wavelets: gas, dust and magnetic fields in m51 / I. Patrikeev, A. Fletcher, R. Stepanov, R. Beck, E. M. Berkhuijsen, P. Frick, C. Horellou // Astronomy and Astrophysics. – 2006. – August. – Vol. 458. – Pp. 441-452.
(Рук. к.ф.-м.н. Степанов Р.А., т.342-2378-394).

2. Разработана математическая модель, описывающая поведение индукционных токов и магнитного поля в плоском канале с проводящей жидкостью индуцированных нормальным плоскости слоя переменным магнитным полем от внешнего источника.

Аннотация

Используя уравнения Максвелла, закон Ома и закон полного тока получены приближенные двумерные уравнения, описывающие индуцированные переменным магнитным полем от внешнего источника электрические токи в плоском канале с электропроводной жидкостью. Полученные уравнения использованы для расчета электромагнитных сил в индукционных насосах, разрабатываемых для перекачивания жидких металлов в металлургических устройствах.
(Рук. к.ф.-м.н. Хрипченко С.Ю., т.342-2378-306).

2005

Предложена параметризация мелкомасштабной спиральной турбулентности для использования в численных метеорологических моделях с целью диагностики и прогноза предтайфунных состояний тропической атмосферы.

аннотация

Впервые предлагается использовать параметризацию спиральной турбулентности в мезомасштабных метеорологических моделях для изучения стадии зарождения тропических циклонов с целью поиска порога генерации крупномасштабной вихревой неустойчивости. Для параметризации мелкомасштабной спиральной турбулентности предложено включить в динамические уравнения модели специальную силу, которая имеет структуру генерационного слагаемого, входящего в уравнение для среднего поля скорости в модели гидродинамического альфа-эффекта. При помощи численного эксперимента действие модельной силы изучено на классической задаче о конвекции Рэлея-Бенара. Показано, как происходит генерация интегральной спиральности течения и организуется петля положительной обратной связи между горизонтальной и вертикальной циркуляцией, приводящая к резкому возрастанию кинетической энергии течения. Обнаружена тенденция к слиянию спиральных конвективных ячеек, сопровождающемуся укрупнением горизонтального масштаба вихревых структур и значительной интенсификацией теплопереноса. Результаты моделирования показывают, как энергия дополнительного спирального источника может быть преобразована в энергию интенсивных крупномасштабных вихревых течений.

1. Levina G.V. A way to parameterize helical boundary layer turbulence in numerical modeling of tropical cyclogenesis // The American Meteorological Society’s 86th Annual Meeting, the 14th Conference on Interaction of the Sea and Atmosphere. Atlanta, GA, USA; 29 January – 2 February 2006.

(Рук. к.ф.-м.н. Левина Г.В., т.342-2378-394).

2004

1. Теоретически и экспериментально исследована неустойчивость жидкого металла в переменном магнитном поле. Предложены способы управления потоками жидкого металла, основанные на использовании обнаруженных магнитовихревых неустойчивостей.

аннотация

Теоретически и экспериментально исследованы магнитовихревые течения, возникающие в плоских слоях жидкого металла при наложении переменного магнитного поля. Теоретически и экспериментально было обнаружено явление неустойчивости возбуждаемого в плоском канале магнитовихревого течения проводящей жидкости. На основе проведенных исследований была предложена новая конструкция МГД-насоса, работающего на основе магнитовихревой неустойчивости. Построена и испытана физическая модель такого насоса.

(Рук. к.ф.-м.н. Хрипченко С.Ю., т.3422-391195).

2. Предложен новый метод анализа временных сигналов, характеризующих сложные колебательные режимы нелинейных систем, основанный на двойном вейвлет-анализе сигнала.

аннотация

Предложен новый метод анализа временных сигналов, характеризующих сложные колебательные режимы нелинейных систем. Метод назван DWA (Double Wavelet Analysis) и основан на двойном вейвлет-преобразовании данных. Предложенный метод позволил повысить точность определения периода вращения звезд по данным наблюдения за хромосферной активностью (Frick P., Soon W., Popova E., Baliunas S. Time-spectra of chromospheric activity of old solar-type stars: Detection of rotational signals from Double Wavelet Analysis // New Astronomy, 2004, V.9. P.599-609.), а также получить количественную характеристику степени негармоничности колебаний активности звезды (Baliunas S., Frick P., Moss D., Popova E., Sokoloff D., Soon W. Anharmonicity of stellar cycles: a wavelet quantification // Solar Physics, in press).

(Рук. д.ф.-м.н. Фрик П.Г., т.3422-391258).

2003

Экспериментально обнаружена возможность управления крупномасштабной вихревой неустойчивостью во вращающихся слоях конвективно-неустойчивой турбулентной жидкости путем вариации степени неоднородности распределения температуры вдоль нагревателя. (Индекс направления 2.3.1).

аннотация

Проведены эксперименты по моделированию крупномасштабного спирального конвективного вихря типа тайфуна во вращающемся слое жидкости, локально подогреваемом снизу дисковым нагревателем, и изучены возможности управления крупномасштабной неустойчивостью. Возбуждение крупномасштабного спирального вихря, вращающегося относительно системы отсчета, связанной с движущейся кюветой, происходит пороговым образом при превышении некоторого критического числа Грасгофа, соответствующего режимам турбулентной конвекции. В лабораторных экспериментах обнаружено понижение порога возбуждения вихря при создании неоднородного распределения температуры вдоль нагревателя. Исследовано влияние вариации пространственной неоднородности температуры вдоль нагревателя на порог генерации вращающегося циклонического вихря. Получены нейтральные кривые, определяющие порог возбуждения вихря в зависимости от интенсивности нагрева и фонового вращения для однородного и разных типов неоднородных распределений температуры вдоль нагревателя

(Рук. к.ф.-м.н. Левина Г.В., т.3422-391258)..

2002

1. Экспериментально показано, что при турбулентной конвекции в замкнутой полости наличие в потоке плавающего взвешенного тела, препятствующего конвективному переносу тепла, может приводить к возникновению крупномасштабных движений, имеющих вид как регулярных, так и хаотических колебаний. (Индекс направления 2.3.1).

аннотация

Экспериментально исследованы крупномасштабные течения, возникающие в горизонтальном слое подогреваемой снизу жидкости на фоне развитой турбулентной конвекции за счет свободно плавающего в слое горизонтального диска, препятствующего вертикальному переносу тепла мелкомасштабными турбулентными потоками. Показано, что характер возникающих течений определяется двумя параметрами – числом Релея, характеризующим интенсивность турбулентной конвекции в слое, и положением плавающего диска (расстоянием до дна). На плоскости параметров определена область существования регулярных колебаний, для которых обнаружена линейная зависимость безразмерной частоты колебаний от числа Релея. Обнаружены режимы колебаний с сильной временной перемежаемостью и хаотические режимы.

. (Рук. зав.лаб., д.ф.-м.н. Фрик П.Г., т.3422-391258).

2. Впервые численно исследованы сценарии развития турбулентного каскада энергии магнитного поля под влиянием эффекта Холла, действующего в сильно намагниченной среде. Расчеты проведены с помощью специально разработанной каскадной модели и показали, что при свободном вырождении развитый спектральный перенос энергии носит временный характер, а стационарный режим существует только при наличии специального вида подкачки энергии. (Индекс направления 2.3.1).

аннотация

В сильно намагниченной проводящей среде эволюция магнитного поля определяется влиянием эффекта Холла, а индукционные явления, связанные движением, становятся не существенными. Холловкий дрейф магнитного поля не дает вклада в диссипацию, однако, являясь нелинейным явлением, может приводить к перераспределению энергии между масштабами. Возможность реализации в замагниченой среде каскада энергии к малым масштабам (подобно турбулентному каскаду) активно обсуждается в литературе, посвященной магнитным полям пульсаров, нейтронных звезд и других астрофизических объектов. В данной работе исследование этого вопроса было впервые выполнено с использованием аппарата каскадных моделей, которые позволяют изучать эволюцию спектральных характеристик систем магнитогидродинамического типа. Численные расчеты каскадной модели с учетом эффекта Холла показали, что каскад магнитной энергии от крупных масштабов к мелким реализуется и приводит к эффективному увеличению скорости диссипации. Однако, его временные и пространственные характеристики существенно отличаются от гидродинамического турбулентного каскада, а стационарный каскад возможен только при наличии на макромасштабе возбуждающей силы специального вида.

(Рук. к.ф.-м.н. Р.А.Степанов, тел.3422-391258).

2001

1. Впервые определена эффективная (средняя) электродвижущая сила, возникающая в турбулентном потоке проводящей жидкости при совместном действии общего вращения и сдвига. Показано, что известные механизмы генерации магнитного поля, основанные на действии мелкомасштабной спиральной турбулентности либо крупномасштабного сдвига, могут как усиливать, так и подавлять друг друга (Индекс направления 2.3.1).

аннотация

Винтовое динамо Пономаренко является одним из самых простых примеров генерации магнитного поля ламинарным движением проводящей жидкости. Однако, при больших скоростях течения, а именно в этом случае наблюдается эффект самовозбуждения, поток становится существенно турбулентным. Взаимодействие мелкомасштабных пульсаций поля скорости и магнитного поля приводит к появлению эффективной электродвижущей силы, что дает дополнительные механизмы возникновения динамо. В рамках теории среднего поля было проведено исследование структуры электродвижущей силы, возникающей в турбулентном потоке проводящей жидкости при совместном действии общего вращения и сдвига, т.е. в потоке, аналогичном винтовому течению в трубе. Сделаны оценки основных составляющих турбулентной ЭДС. Раннее это было выполнено другими исследователями только в простейших случаях. Численно изучено поведение винтового динамо, возникающего на фоне неоднородной и анизотропной турбулентности. Показано, что в зависимости от параметров течения эти механизмы генерации могут ослаблять или усиливать друг друга. Исследование совместного действия двух механизмов динамо, за счет крупномасштабного течения и за счет мелкомасштабной турбулентности, представляет значительный интерес не только для изучения многочисленных астрофизических объектов, но также в свете лабораторных динамо экспериментов. (Рук., к.ф.-м.н. Р.А.Степанов, т.3422-391258).

2. Предложен вейвлет-метод исследования спектральных и корреляционных свойств случайных полей. Совместно с институтом Радиоастрономии (Бонн, Германия) впервые проведен корреляционный и спектральный анализ для внешних галактик, а именно, изображений спиральной галактики NGC6946, выполненных в 9 различных диапазонах волн (Индекс направления 2.3.1).

аннотация

В работе рассмотрены различные скейлинговые и автокорреляционные характеристики, а также их применение к обработке астрономических изображений: структурная функция, автокорреляционная функция, спектры Фурье и вейвлет-спектры. Традиционная техника Фурье спектров, применяемая к обработке реальных данных, дает очень зашумленные спектры, на которых затруднено разделение реальных максимумов и высоких гармоник, а структурная функция не разделяет масштабы, которые близки к доминирующим крупномасштабным структурам, что может привести к ложному обнаружению инерционного интервала. В качестве оптимального инструмента рекомендуется техника вейвлет-спектров при соответствующем выборе анализирующего вейвлета. Введена функция вейвлет корреляции, которая позволяет количественно оценить схожесть изображений при различных масштабах. Исследована зависимость коэффициента корреляции от масштаба. Показано, что классический коэффициент корреляции может быть неверно интерпретирован в случае яркой центральной части изображения. Выполнен анализ масштабных и корреляционных характеристик 9 изображений галактики NGC6946, полученных в оптическом и радиодиапазоне. Показано, что вейвлет-анализ позволяет разделить структуры с различными масштабами, например, спиральные рукава от фона. Трехмерная турбулентность колмогоровского типа была обнаружена только для изображений теплового излучения и Hα на малых масштабах (160-800 пс). Значительная корреляция на всех масштабах наблюдается между изображениями общего радиоизлучения, красного света и инфракрасного излучения пыли. Наибольшая корреляция обнаружена между общим радиоизлучения и инфракрасного излучения пыли. Тепловое радиоизлучение и Hα хорошо коррелируют на масштабах порядка 1 угловой секунды, то есть около 1.6 кпс, что соответствует типичной ширине рукава. На этих же масштабах изображения поляризованного излучения и Hα антикоррелированы, что не обнаруживается методами классической кросс-корреляции. (Рук. зав.лаб., д.ф.-м.н. Фрик П.Г., тел.3422-391258).

3. Впервые разработан и изготовлен безобмоточный погружной МГД-насос для жидкого магния, который при заводских испытаниях  обеспечил расход металла до 9 тонн в час.