Журнал «Вестник Пермского университета. Физика» публикует новые экспериментальные и теоретические результаты исследований в области физики конденсированного состояния вещества, механики жидкостей, радиоспектроскопии и автоматизации физического эксперимента, отражающие сложившиеся на физическом факультете Пермского государственного национального иссследовательского университета научные направления. Издание включено в национальную информационно-аналитическую систему «Российский индекс научного цитирования» (РИНЦ) и доступно в библиотеке elibrary. ИФ РИНЦ 2024: 0,312; ИФ РИНЦ 2023: 0,483 Журнал включен в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, по научным специальностям: 1.1.9 - Механика жидкости, газа и плазмы; 1.3.8 - Физика конденсированного состояния. Категория Перечня ВАК: К2 Журнал включен в Единый государственный перечень научных изданий ("Белый список"). Уровень Белого списка: 3 ISSN (Print): 1994-3598 Свидетельство о регистрации средства массовой информации ПИ № ФС77-66788 от 08 августа 2016 г. Материалы журнала публикуются по лицензии Creative Commons - Attribution 4.0 International (CC BY 4.0). Подписка на журнал осуществляется онлайн на сайте «Урал-пресс». Подписной индекс - 41009.
Автор предоставляет Издателю журнала (Пермский государственный национальный исследовательский университет) право на использование его статьи в составе журнала, а также на включение текста аннотации, полного текста статьи и информации об авторах в систему «Российский индекс научного цитирования» (РИНЦ). Автор даёт своё согласие на обработку персональных данных. Право использования журнала в целом в соответствии с п. 7 ст. 1260 ГК РФ принадлежит Издателю журнала и действует бессрочно на территории Российской Федерации и за её пределами. Авторское вознаграждение за предоставление автором Издателю указанных выше прав не выплачивается. Автор включённой в журнал статьи сохраняет исключительное право на неё независимо от права Издателя на использование журнала в целом. Направление автором статьи в журнал означает его согласие на использование статьи Издателем на указанных выше условиях, на включение статьи в систему РИНЦ, и свидетельствует, что он осведомлён об условиях её использования. В качестве такого согласия рассматривается также направляемая в редакцию справка об авторе, в том числе по электронной почте. Редакция размещает полный текст статьи на сайте Пермского государственного национального исследовательского университета: http://www.psu.ru и в системе OJS на сайте http://press.psu.ru Плата за публикацию рукописей не взимается. Гонорар за публикации не выплачивается. Авторский экземпляр высылается автору по указанному им адресу.
Аномалии фазовых переходов при термоциклировании нанокомпозита Co-C
Методом дифференциальной сканирующей калориметрии исследовано поведение при термоциклировании нанокомпозита Co-C, представляющего собой массив наночастиц кобальта размером 3–5 нм, инкапсулированных в графеновую оболочку с 3–5 слоями. Показано, что термодинамические характеристики фазового превращения α-Co → β-Co нанокомпозита отличаются существенно от аналогичных характеристик в образцах массивного кобальта. В последнем случае эффективная энергия активации фазового перехода в несколько раз выше по своим значениям, чем в нанокобальте, а тепловой эффект превращения на порядки ниже. Обнаружено изменение массы навески образцов вблизи температур реализации тепловых эффектов при переходе α-Co → β-Co. Данные эффекты наблюдается только при взаимодействии образца с воздухом в процессе его выдержки при комнатной температуре. При отсутствии контакта с воздухом термоциклирование нанокомпозита Co-C в атмосфере аргона не фиксирует изменения массы и тепловых эффектов превращения. При этом наночастицы Co сохраняют кристаллическую решетку β – фазы в исследованном интервале температур 20-700 °С. Отмеченные выше особенности поведения наночастиц Co следует считать неизвестной ранее спецификой поведения материала с полиморфизмом в наносостоянии.
Copyright (c) 2026 Вестник Пермского университета. Физика http://creativecommons.org/licenses/by/4.0
Концентрационная конвекция в наклонном пористом слое в условиях слабой закупорки среды
Настоящая работа посвящена математическому моделированию процесса транспорта примеси через пористую среду с учётом взаимодействия примеси со стенками пор и их последующей закупорки. Закупорка пор предполагается слабой, так что влияние адсорбированных частиц на динамику системы учитывается только через изменение проницаемости среды. Процесс фильтрации смеси описан в приближении Дарси–Буссинеска, уравнения получены из законов сохранения массы и импульса. Осаждение частиц примеси описано в рамках линейного MIM подхода. Изменение проницаемости среды связано с изменением пористости через соотношение Козени–Кармана. Модель применена для исследования концентрационной конвекции в наклонном слое пористой среды. Аналитически показано, что основное состояние системы соответствует режиму стационарной фильтрации вдоль слоя. Численно исследована устойчивость основного состояния по отношению к малым возмущениям двух типов: спиральные и плоские. Выявлено, что в зависимости от типа возмущений можно наблюдать как монотонную, так и колебательную моды неустойчивости. Установлено, что учёт слабой закупорки пор приводит к повышению устойчивости системы и уменьшению частоты колебательной моды. Также показано, что увеличение угла наклона слоя вызывает дополнительное повышение устойчивости основного состояния, причём этот эффект не зависит от типа приложенных возмущений.
Экспериментальное исследование показателей преломления тонкоплёночного ниобата лития, модифицированного методом протонного обмена
Проведено исследование показателей преломления тонкоплёночного ниобата лития (ТНЛ), модифицированного протонным обменом. С целью исследования кинетики процесса протонного обмена варьировалось время процесса. В качестве основных экспериментальных методов исследования использовались метод призменного ввода излучения и метод реактивного ионного травления. Предложен метод определения изменения показателя преломления эпитаксиального слоя HxLi1-xNbO3, формирующегося на поверхности ТНЛ после протонного обмена. Метод основан на разделении вклада в средний показатель преломления доли HxLi1-xNbO3 и доли исходной плёнки. Основным предположением является то, что показатель преломления изменяется ступенчато. С помощью метода призменного ввода излучения были получены усреднённые по толщине необыкновенный и обыкновенный показатели преломления. Для разграничения слоев определялся профиль концентрации протонов при помощи профилирования скорости реактивного ионного травления по глубине. Форма концентрационных профилей отличается от профилей, снятых для объёмного НЛ. Из концентрационных профилей была получена глубина протонного обмена и коэффициент диффузии, который составил 0.031 мкм2/час, что меньше значений, характерных для объёмного ниобата лития. Было показано, что средние показатели преломления линейно изменяются со временем протонного обмена. В то же время показатели преломления эпитаксиального слоя остаются постоянными. Изменения необыкновенного и обыкновенного показателей преломления, обусловленные протонным обменом, составили 0.8 и –0.5, соответственно, что совпадает с типичными значениями для β-фаз объёмного ниобата лития.
Продольные колебания капли в сосуде конечного объёма с неоднородными стенками
В данной работе изучается влияние свойств поверхностей подложек на колебания капли жидкости, зажатой между торцами цилиндрического сосуда конечного объёма, заполненного другой жидкостью. В равновесном состоянии капля имеет форму цилиндра и ограничена в осевом направлении торцами сосуда. Поверхности торцов неоднородные и могут отличаться друг от друга свойствами смачивания. Учитывается динамика линии контакта трёх сред (капля–жидкость–твёрдая поверхность): скорость движения контактной линии пропорциональная отклонению краевого угла от его равновесного значения. Коэффициент пропорциональности (параметр смачивания) является функцией координат поверхности подложки, что позволяет рассматривать эту поверхность как неоднородную. На сосуд действует вибрационная сила, которая направлена вдоль оси симметрии сосуда и перпендикулярна его торцам. Такие вибрации возбуждают только нечётные гармоники осесимметричных колебаний капли, но из-за неоднородности и разных свойств поверхностей будут возбуждаться как чётные гармоники, так и азимутальные моды, спектр которых определяется видом неоднородности. Исследована зависимость частот и декрементов затухания собственных колебаний от параметров задачи. Показано, что неоднородность меняет эффективный параметр смачивания, уменьшая его, и качественно меняет зависимость декрементов затухания от параметра Хокинга для вытянутых капель. При исследовании вынужденных колебаний обнаружены хорошо заметные резонансные эффекты. Показано, что присутствуют резонансные частоты азимутальных мод.
Влияние вибрации на возникновение конвекции в горизонтальном пористом слое, насыщенном трёхкомпонентной жидкой смесью
В данной работе исследуется термовибрационная конвекция трёхкомпонентной смеси углеводородов в горизонтальном слое пористой среды с учётом эффекта Соре. Вибрации предполагаются высокочастотными и малоамплитудными, ось вибраций параллельна градиенту температуры. Анализ проводится на основе уравнений термовибрационной конвекции в пористой среде, учитывающих вязкость в уравнениях для пульсаций. В первой части работы проведён линейный анализ устойчивости состояния механического равновесия. Неустойчивость по отношению к длинноволновым возмущения исследуется аналитически с помощью разложений в ряды по волновому числу, а к возмущениям с ненулевыми волновыми числами – численно методом построения фундаментальной системы решений. Установлено, что на длинноволновую неустойчивость равновесия вибрации не влияют. Получена карта устойчивости механического равновесия на плоскости отношение разделения – число Рэлея при различных значениях вибрационного числа Рэлея. Найдено, что воздействие вибрации на систему повышает порог конвекции, вместе с этим сужая диапазон существования ячеистых монотонных возмущений. При увеличении отношения разделения влияние вибраций на волновое число становится всё менее значительным. На порог ячеистой колебательной неустойчивости вибрации оказывают качественно аналогичное влияние. Наличие вибраций уменьшает частоту колебаний во всём диапазоне существования возмущений. Исследовано влияние вязкости на устойчивость механического равновесия. Во второй части работы численно методом конечных разностей исследованы нелинейные режимы конвекции. Численные данные хорошо согласуются с результатами линейного анализа устойчивости. Показано влияние конвективного движения жидкой смеси на распределение концентрации примесей по слою.
Волны намагниченности и поперечная релаксация в цепочке классических магнитных моментов
Представлены результаты численного моделирования динамики линейных цепочек классических магнитных моментов с дипольным взаимодействием, находящихся в постоянном внешнем магнитом поле, с различным числом частиц и начальными условиями, отвечающими различной степени неравновесности системы. Проанализированы структуры сигналов суммарной намагниченности и их Фурье-спектры, а также карты локальной намагниченности цепочек. Получено и качественно проанализировано уравнение динамики намагниченности в континуальном приближении. Найдено, что при малой величине начальной поперечной поляризации в системе возникают регулярные колебания с узким спектральным пиком. Картина локальной намагниченности показывает, что в цепочке устанавливается режим бегущих волн. Напротив, при высокой поперечной поляризации на начальном этапе эволюции системы происходит яркая спин-спиновая релаксация благодаря возникновению и накоплению разности фаз прецессии частиц в силу различия локального поля. Распространение возмущений по цепочке замедляется, и значения разности фаз колебаний между отдельными точками сохраняются в течение длительного времени. Таким образом, исключается возможность возврата системы к начальному состоянию, но и её термализации также не происходит.
Динамика паровоздушной смеси в зазоре между каплей и твёрдой подложкой
В работе представлены результаты численного моделирования движения воздуха и водяного пара из-под капли, находящейся в подвешенном состоянии над горячей твёрдой подложкой. Ранее подобная задача была решена в упрощенной постановке с помощью модифицированного уравнения для концентрации водяного пара с модельным учетом конвективного переноса среды. Сейчас для описания массопереноса используется полная система уравнений Навье–Стокса, которая замыкается при помощи уравнения состояния для двухкомпонентного идеального газа. Задача решается численно методом конечных разностей в осесимметричной постановке. Получены поля скорости паровоздушной смеси и концентрации пара, которые демонстрируют наличие избыточного давления под каплей за счёт интенсивного испарения вследствие нагрева от горячей подложки. Для экспериментальных значений материальных параметров показана возможность левитации капли над подложкой. Представляемые данные неплохо согласуются с результатами расчетов, которые были получены ранее в рамках более простого подхода.
Моделирование тепломассообменных процессов в горных выработках глубоких рудников в условиях частичной теплоизоляции стенок
Исследовано влияние различных режимов теплоизоляции (полной, частичной и отсутствия изоляции) на тепломассообменные процессы в горных выработках глубоких рудников. В численном моделировании в ANSYS Fluent решалась стационарная задача сопряжённого тепломассообмена в турбулентном потоке воздуха и прилегающем породном массиве; турбулентность моделировалась с использованием SST k-ω. На внутренней границе задавалось условие теплообмена между воздухом и стенкой выработки; для учёта различных стадий эксплуатации рассматривались области породного массива различной толщины, имитирующие рост зоны теплового влияния. Получено, что частичная теплоизоляция без покрытия почвы снижает коэффициент теплоотдачи на 64% по сравнению с неизолированной выработкой, а разница между полной и частичной изоляцией со временем уменьшается до 14%. Показано также, что для достоверного определения эффективного коэффициента теплоотдачи требуется учитывать длину выработки порядка 500 м (≈100 поперечных размеров). Полученные данные полезны при проектировании мер по регулированию температурного режима выработок.
Вольтамперные характеристики ионно-плазменной системы для обработки внутренней поверхности полых сердечно-сосудистых имплантатов
Создание тромборезистентных искусственных эндопротезов сосудов является актуальной проблемой кардиологии. Для её решения было предложено модифицировать поверхность полимерных сосудистых шунтов и катетеров ионно-плазменным методом. Однако внутренняя поверхность шунтов и катетеров недоступна для обработки ионным пучком при планарной геометрии электрода. Для обработки внутренней поверхности таких полимерных трубок была создана специальная ионно-плазменная система, включающая полый трубчатый высоковольтный электрод, в который помещалась обрабатываемая трубка. Через трубку проходил поток газа азота, а на электрод подавались высоковольтные импульсы, вследствие чего возникал плазменный разряд в трубе. В результате внутренняя поверхность трубки бомбардировалась ионами технологического газа до появления карбонизированного слоя. В данной работе определяются вольтамперные характеристики созданной плазменной системы в зависимости от линейных размеров трубки, приложенного напряжения и объёмного расхода газа. Для низкотемпературной пространственной плазмы характерен закон Чайлда–Ленгмюра, согласно которому кривая зависимости тока от приложенного напряжения аппроксимируется степенной функцией. Однако в данном исследовании наблюдается экспоненциальный характер вольтамперных характеристик в зависимости от приложенного напряжения. Различие в экспериментальных и теоретических данных может быть объяснено дополнительным влиянием вторичной эмиссии электронов и распылением полимерного материала в трубке. Также экспоненциальных характер зависимости тока от приложенного напряжения можно объяснить теорией электрического разряда в полом катоде. Результаты данной работы позволят создать физическую теорию ионной обработки внутренней поверхности полых полимерных изделий, таких как сосудистые шунты и катетеры.
Нестационарное неоднородное конвективное течение Куэтта
В статье найдено точное решение нестационарной системы уравнений Обербека–Буссинеска, описывающее развитие пространственно неоднородного конвективного течения вязкой несжимаемой жидкости в плоском горизонтальном слое. В отличие от известного стационарного класса решений Линя–Сидорова–Аристова, здесь поля скорости и температуры зависят от времени. Рассматриваемое решение соответствует слоистым течениям, типичным для крупномасштабных геофизических процессов: вертикальная скорость пренебрежимо мала, а горизонтальные компоненты линейно меняются с координатами. Для этого класса полей выведена замкнутая система уравнений, учитывающая нелинейное взаимодействие вихревой компоненты с поперечной скоростью. С помощью интеграла Дюамеля задача сводится к интегральным уравнениям, что позволяет получить явные выражения для нестационарных коэффициентов разложения в ряды Фурье и обеспечить высокую точность вычислений. При граничных условиях (постоянные скорость и температура на верхней границе, нулевые начальные условия) построено точное решение в виде бесконечных рядов. Численный анализ выявил немонотонное изменение зоны противотечения: на начальном этапе противотечение существует за счёт инерционных эффектов, затем пропадает при вязкой релаксации и появляется вновь под действием нелинейного члена. Определены времена выхода полей скорости и температуры на стационар, прослежено поведение касательных напряжений, смещение точки экстремума продольной скорости. Показана возможность динамической разгрузки – обращение касательного напряжения в ноль в отдельные моменты. Найденные закономерности важны для понимания динамики вихревых структур в океане и атмосфере. Полученные данные могут служить эталоном при отладке численных моделей конвекции и турбулентности, а также при интерпретации крупномасштабных геофизических течений.
Стохастическое параметрическое возбуждение тепловой конвекции в слое пористой среды
В работе рассматривается проблема стохастического параметрического возбуждения свободной тепловой конвекции жидкости, насыщающей бесконечный горизонтальный слой или прямоугольную ячейку пористой среды, при случайной модуляции силы тяжести. Используемая математическая формулировка позволяет исследовать случаи подогрева как снизу, так и сверху, а также случай условий микрогравитации. Для системы получены уравнения стохастической динамики амплитуды малых возмущений полей температуры и функции тока. Для этих уравнений выводятся условия роста среднеквадратичных значений; эти условия используются в качестве критерия возбуждения конвективных движений в системе. Проверено, что найденные моды самого быстрого роста среднеквадратичных значений при всех значениях параметров лежат в области фазового пространства, имеющей физический смысл. Выведено, что тепловой поток, характеризуемый числом Нуссельта, связан со среднеквадратичным значением возмущений температуры. Из этого следует, что порог стохастического возбуждения среднеквадратичных моментов определяет порог возбуждения конвективного теплопереноса.
О влиянии технологической маски на ионный пограничный слой в расплаве бензойной кислоты при создании канальных волноводов
Работа посвящена теоретическому исследованию влияния технологической маски, закрывающей часть поверхности кристалла ниобата лития, на формируемый вблизи него ионный пограничный слой в расплаве бензойной кислоты. В ходе протонного обмена со стороны чистой поверхности кристалла в расплав поступают ионы лития и бензоат-ионы. Их диффузия, электромиграция и рекомбинация описываются при помощи уравнений переноса. Электрическое поле, генерируемое за счет разности концентраций ионов, определялось при помощи уравнения электростатики. Как показали расчеты, наличие маски частично ограничивает направление переноса ионов в расплаве. А именно, непроницаемая маска с относительно большой толщиной не дает ионам активно распространяться в продольном к кристаллу направлении. Значительная часть ионов рекомбинирует внутри выемки, формируемой стенками маски и поверхностью кристалла. Лишь незначительная часть ионов успевает покинуть данную область до своей рекомбинации. В этом случае распределения концентрации с хорошей степенью точности являются однородными вдоль поверхности пластины ниобата лития. Помимо этого, активное распространение ионов вглубь расплава предотвращает генерируемое вблизи кристалла электрическое поле. Уменьшение толщины маски приводит к тому, что часть ионов при движении от кристалла успевает выйти из области, ограниченной стенками маски. Из-за этого распределения концентрации принимают более сложную форму. В частности, по мере уменьшения размеров маски в распределении бензоат-ионов все сильнее проявляется разреженная область в центре выемки.
О распределении частиц при конвекции коллоидов в подогреваемых снизу узких вертикальных каналах
Анализируется стационарное распределение частиц при конвекции коллоида с положительной термодиффузией в подогреваемых снизу вертикальных каналах. Перераспределение коллоидных частиц в сечении каналов, как в восходящих, так и в нисходящих потоках, происходит за счёт термодиффузии под влиянием гармонического профиля температуры, сгенерированного тепловой конвекцией. Вертикальные потоки частиц, возникающие за счёт термодиффузии под влиянием приложенного температурного градиента и гравитационного поля (седиментация) не приводят в бесконечных каналах к перераспределению частиц по вертикали и поэтому не влияют на конвекцию. Это связано с отсутствием в бесконечных каналах препятствий для частиц в виде верхней и нижней границы, где неоднородности концентрации могли бы начать свой рост.
Математическая модель начального этапа формирования гидратного слоя на границе контакта воды и гидратообразующего газа
Предложена концепция и построена соответствующее физико-математическая модель для описания начального этапа формирования гидратного слоя на границе контакта воды и гидратообразующего газа. Согласно представленной модели, этот этап (период индукции) сопровождается растворением газа в воде, а также формированием и ростом гидрата в объёмной зоне на примесных частицах вблизи границы контакта «газ-вода». Получено аналитическое решение для характерного времени (время индукции), в течение которого объёмное содержание гидратной фазы на границе контакта достигает единицы и тем самым формируются зародыши в виде плёнки, предшествующей появлению гидратного слоя на границе газ–вода. Получено, что время индукции обратно пропорционально статическому давлению, а от числа примесных частиц в единице объёма воды оно зависит по степенному закону с показателем –2/3. Установлено, что скорость роста метангидратного слоя на границе контакта вода-газ меньше, чем для гидрата углекислого газа и сероводорода.
Численное моделирование формирования дорожки Кармана в неустойчиво стратифицированном потоке
Проведено численное моделирование формирования дорожки Кармана за круговым цилиндром в неустойчиво стратифицированной жидкости. Исследуется влияние термической стратификации на характеристики вихревого следа при различных числах Рейнольдса и Ричардсона. Рассматривается система уравнений Навье−Стокса в приближении Буссинеска, учитывающая эффекты плавучести в неустойчиво стратифицированной среде. Численное решение получено методом конечных разностей с использованием схемы расщепления по физическим процессам. Показано, что при наличии неустойчивой стратификации происходит интенсификация вихреобразования и изменение геометрических характеристик дорожки Кармана по сравнению с однородной жидкостью. Выявлено, что конвективная неустойчивость, обусловленная распределением плотности, приводит к возникновению вторичных структур в вихревом следе. Показано, что с увеличением числа Ричардсона происходит качественная перестройка течения от регулярной дорожки Кармана к сложному хаотическому режиму с многомасштабными вихревыми структурами.
Copyright (c) 2025 Вестник Пермского университета. Физика http://creativecommons.org/licenses/by/4.0
Метод дифференциальной прогонки – наиболее точный метод измерения намагниченности
Сравниваются результаты измерения кривых намагничивания образцов магнитной жидкости, выполненные тремя различными методами: баллистическим, дифференциальной прогонкой и вибрационным магнетометром. Оказалось, что метод вибрирующего образца дает сильно заниженные значения намагниченности по сравнению с двумя другими методами. Занижение результатов объясняется образованием под действием поля агрегатов из частиц, которые имеют меньшую амплитуду колебаний по сравнению с контейнером. Баллистический метод дает значения намагниченности, заниженные на несколько процентов по отношению к методу дифференциальной прогонки. Занижение результатов объясняется тем, что агрегаты не успевают сформироваться за ограниченное время измерений при включении поля. Дополнительно тремя методами измерены кривые намагничивания образца магнитной жидкости на основе отверждённой эпоксидной смолы. В этом случае расхождение между результатами существенно меньше. Однако полного совпадения не наблюдалось. Точному совпадению кривых намагничивания, полученных разными методами измерений, в случае твердого образца мешает наличие в образце крупнодисперсных частиц, время релаксации намагниченности которых превышает время измерений.
Эволюция размера гигроскопических частиц после парной коагуляции
Исследование посвящено разработке и применению упрощённой одномерной модели для описания размера комплексных гигроскопических частиц, образующихся в результате парной коагуляции однокомпонентного аэрозоля. Такие частицы характерны для рудничной атмосферы калийно-магниевых месторождений. Поскольку точное моделирование формы и внутренней структуры образующихся несферических агломератов с несколькими кристаллическими ядрами чрезвычайно трудоёмко, в работе предложены три варианта их приближения, позволяющих использовать простую базовую модель, изначально созданную для одиночной сферической частицы.
Моделирование транспорта конечного объёма примеси через вертикальную пористую колонну
Задача о вертикальном просачивании (снизу-вверх) порции смеси через массив пористой среды под действием постоянного перепада давления. Транспорт примеси моделируется в рамках MIM (mobile/immobile media) подхода. Процессы сорбции описываются нелинейной MIM моделью, учитывающей предел осаждения примеси на стенках пор. Фильтрация моделируется в приближении Дарси–Буссинеска, что позволяет учитывать влияние силы тяжести и, как следствие, развитие концентрационной конвекции. Зависимость проницаемости от пористости даётся соотношением Козени–Кармана. Аналитически получено основное бесконвективное состояние. Задача о возникновении конвекции решалась численно, методом конечных разностей. Получены поля концентрации и возмущений функции тока, а также средний мгновенный профиль концентрации по направлению течения для разных моментов времени. Показано, как рост числа Рэлея–Дарси влияет на времена закачивания и выхода раствора из рабочей области, а также на кривую прорыва.
Расчет толщины ледопородного ограждения в условиях высоких внешних нагрузок
На практике, для расчёта необходимой толщины ледопородных ограждений (ЛПО) по критерию предельной прочности обычно применяются формулы, выведенные на основе критерия прочности Мора–Кулона (МК). Применение таких формул для расчёта толщины ЛПО в обводнённых горных породах на больших глубинах замораживания может быть сопряжено с существенными ошибками, связанными с влиянием нелинейности огибающей предельных кругов Мора. В рамках настоящей работы проведен анализ функционального вида нелинейных зависимостей максимального касательного напряжения (соответствующего предельному состоянию) от среднего нормального напряжения для различных типов пород, проведена классификация горных пород (песок, глина, алеврит), исходя из функционального вида аппроксимирующих формул для нелинейности огибающей предельных кругов Мора. На примере алеврита при –6°С построено численное решение задачи о предельном напряженном состоянии ЛПО при различных величинах нагрузки, действующей на внешнюю стенку ЛПО. Это решение было сопоставлено с классическим решением С. С. Вялова, в результате чего определены условия и границы применимости классических формул по расчёту толщины ЛПО на основании линейного критерия МК. Была выведена новая формула толщины ЛПО от внешней нагрузки на ЛПО, учитывающая нелинейное поведение огибающей предельных кругов Мора.
Влияние неоднородности поверхности подложки на продольные колебания капли в ограниченном объеме жидкости
В данной работе рассматривается влияние свойств подложек на динамику капли в вибрационном поле. Исследуются собственные и вынужденные колебания капли жидкости, окруженной другой жидкостью в цилиндрическом сосуде конечного объёма. В равновесном состоянии капля имеет форму цилиндра и ограничена в осевом направлении двумя параллельными твердыми поверхностями. Учитывается динамика линии контакта трех сред (капля–жидкость–твердая поверхность): скорость движения контактной линии пропорциональная отклонению краевого угла от его равновесного значения. Коэффициент пропорциональности (параметр смачивания) является функцией координат поверхности подложки, что позволяет рассматривать эту поверхность как неоднородную. На сосуд действует вибрационная сила, которая направлена вдоль оси симметрии сосуда. Такие вибрации возбуждают только осесимметричные колебания капли, но из-за неоднородности будут возбуждаться азимутальные моды, спектр которых определяется видом неоднородности. Исследована зависимость частот и декрементов затухания собственных колебаний от параметров задачи. Показано, что неоднородность качественно меняет эти зависимости по сравнению с случаем однородной поверхности. При исследовании вынужденных колебаний обнаружены хорошо заметные резонансные эффекты. Показано, что присутствуют резонансные частоты азимутальных мод.
Экспериментальное исследование механизмов гидро- и сонолюминесценции и инициирования микровзрывного распыления топлива
Работа посвящена экспериментальному исследованию явлений гидро- и сонолюминесценции при течении гидравлического масла в узком канале с применением оригинальной экспериментальной установки. Обоснованы предположения, что жидкости, являясь конденсированными средами, могут проявлять механизмы пластического переноса импульса при скоростях деформации έ > 105 с-1. Одним из проявлений локализованного сдвига в жидкостях при достижении скоростей сдвига έ > 105 с-1 в пристеночной области является гидролюминесценция. Экспериментально установлено, что существует пороговое значение скорости деформации έ ~ 105 s-1 (Re ~ 1350, ∇P ~ Гпа/м), при котором наблюдается резкое увеличение интенсивности сигналов гидро- и сонолюминесценции. Предложенные конструкции измерительных ячеек позволили разделить сигналы, характерные для проявлений гидро- и сонолюминесценции. Статистическая обработка сигналов, полученных с фотоумножителя, позволила установить различия законов распределения импульсов гидро- и сонолюминесценции, что подтверждает качественные различия исследуемых явлений. Гидролюминесценция вызвана реализацией псевдопластического механизма переноса импульса в жидкостях, сонолюминесценция связывается с механизмами кавитации. В заключении предложены рекомендации по изготовлению фильер топливных форсунок для инициации микровзрывного распыления топлива посредством активации «горячих точек», ассоциируемых с локализованными сдвигами в жидкостях.
Генерация осредненного течения полупогруженной осциллирующей сферой
В статье представлены результаты экспериментального исследования структуры осредненного течения, генерируемого полупогруженной в жидкость осциллирующей сферой. Источником осредненного движения в рассматриваемой ситуации являются (1) неоднородный вязкий погранслой на затопленной части сферы, генерирующий осесимметричное течение с ярко выраженной струей от нижнего полюса, и (2) бегущая поверхностная волна, увлекающая приповерхностный слой жидкости в направлении своего распространения. Основное внимание в статье уделено течению, создаваемому волновым механизмом, и изменению его структуры в зависимости от характеристик колебаний сферы и состояния границы раздела, связанного с наличием или отсутствием адсорбированного слоя поверхностно-активного вещества на поверхности. В ходе экспериментов исследовалась конфигурация волны и структура осредненного течения. Основная часть экспериментов проведена с изопропиловым спиртом, что исключало формирование адсорбированного слоя. Обнаружено, что бегущая цилиндрическая волна порождает на поверхности раздела осесимметричное центробежное течение, интенсивность которого увеличивается с ростом амплитуды колебаний. При достижении порогового значения амплитуды данный тип волны становится неустойчивым, в результате чего на поверхности возникает конфигурация в виде двух спиральных волн, распространяющихся во встречных азимутальных направлениях, частота которых в два раза меньше частоты колебаний сферы. Амплитуда волны, полученной в результате суперпозиции, оказывается промодулированной в азимутальном направлении, в результате чего скорость радиального течения также оказывается периодической функцией азимутальной координаты. Проведена серия качественных экспериментов с водой различной степени очистки для выяснения влияния адсорбированного слоя сурфактанта на структуру осредненного течения. Показано, что наличие сурфактанта приводит либо к полному обездвиживанию поверхности, либо формированию многовихревого течения в зависимости от содержания сурфактанта. В заключение проводится сравнение полученных результатов с данными, полученными в более ранних исследованиях рассматриваемой в статье задачи.
Движение оси крупномасштабного вихревого течения жидкого металла в дисковой ячейке, вызванное азимутальной электромагнитной силой малой интенсивности с нелинейным радиальным профилем
В работе численно изучается ламинарное течение жидкого металла, которое возникает под действием осесимметричной электромагнитной силы, нелинейно зависящей от радиуса дисковой ячейки. Электромагнитная сила определяется векторным произведением плотности электрического тока, протекающего по ячейке, и индукции ортогонального магнитного поля. Нелинейный радиальный профиль электромагнитной силы с выраженным максимумом возникает, когда ток подводится к центральной области ячейки и отводится от ее периферии, а магнитное поле создано катушками Гельмгольца, диаметр которых меньше диаметра ячейки. Проведено численное моделирование в пакете ANSYS Fluent. Обнаружено, что в определенном диапазоне параметров ось вращающегося течения жидкого металла начинает колебательное движение относительно центра ячейки. Данный эффект возникает на фоне генерации вторичных течений: экмановской подкачки, неустойчивостей Тейлора–Гертлера и Кельвина–Гельмгольца. Найдена граница на плоскости силового и геометрического параметров, которая отделяет области отсутствия и возникновения колебания крупномасштабного вихря.
Эволюция текстуры и остаточных напряжений после лазерной ударной обработки в титановых сплавах ВТ6 и ВТ1-0
В работе исследовано влияние лазерной ударной обработки (ЛУО) на эволюцию кристаллографической текстуры и остаточных напряжений титановых сплавов ВТ1-0 и ВТ6. Целью исследования являлось изучение изменений рентгеноструктурного спектра и текстуры до и после ЛУО с использованием рентгеновской дифракции и программного комплекса MTEX для анализа полных полюсных фигур (ППФ). Образцы подвергались лазерной обработке с параметрами: длина волны лазера 1064 нм, энергия импульса 1 Дж, длительность импульса 10 нс. Результаты показали, что текстура сплава ВТ1-0 характеризуется неоднородностью. Наблюдается градиент максимальной плотности полюсов, который возрастает от 2.6 в центральной части листа до 3.2 в его краевой зоне. После ЛУО на краю листа наблюдалось снижение остроты текстуры (mrd уменьшился до 2.6), тогда как в центре изменения были незначительны. Для сплава ВТ6 текстура исходно оказалась слабой (mrd ≈ 1.3), и ЛУО не вызвало ее заметной трансформации. Показано, что для сплавов ВТ6 и ВТ1-0 происходит уширение пиков дифракционного спектра, что связано с деформацией кристаллической решетки и изменения величины остаточных напряжений.
О роли химических потенциалов в процессах массопереноса в системах жидкостей с межфазной границей: случай диффузии из капли
Экспериментально изучено влияние химических потенциалов на массообмен в жидких системах с межфазной границей. Исследование выполнено на примере массообмена ПАВ между каплей и окружающей средой в условиях максимального подавления свободно конвективного движения (в тонком горизонтальном слое). Система несмешивающихся жидкостей образована водой и смесью бензола с хлорбензолом. В качестве диффундирующего ПАВ использована уксусная кислота, обладающая существенно разной энергией сольватации в контактирующих жидкостях. Визуализация течений и полей концентраций ПАВ выполнена с помощью интерферометра Физо. Определены характерные времена экстракции ПАВ в зависимости от направления его диффузии, структура и скорость распространения поля концентрации от капли в зависимости от содержания ПАВ и соотношения химических потенциалов в капле и окружающей жидкости. Для рассмотренных случаев оценена роль гравитационных эффектов и возникающей конвекции Марангони.
Апробация электромагнитной индукционной системы для измерения скорости движения жидкого металла
Проведена апробация двух конфигураций накладной индукционной системы измерения скорости трансформаторного типа, одна из которых позволяет получать информацию о линейной компоненте скорости жидкого металла, а другая – об азимутальной. Система успешно испытана на различных рабочих средах с разной проводимостью – твёрдом дюралюминии, жидком галлиевом сплаве и жидком натрии. Изучены чувствительность и погрешность измерительной системы, а также влияние перепадов температуры окружающей среды и эффекта сноса магнитного поля на её передаточную функцию. Достигнутой чувствительности достаточно для регистрации сигнала большинством современных цифровых вольтметров. Калибровка накладной измерительной системы произведена на натриевом испытательном стенде НИЦ МСС в диапазоне 0–4.42 м/с (0–120 м3/ч). Снос магнитного поля не повлиял на линейность полученной калибровочной характеристики системы. Итоговая относительная погрешность составила 6.5 % во всём диапазоне измерений. Система в линейном исполнении представляет собой практически готовый расходомер для жидких металлов. Для применения её в промышленных условиях достаточно доукомплектования защитным термокожухом с принудительным охлаждением. Накладная индукционная система измерения скорости признана эффективной и в закруглённом исполнении уже активно применяется, например, в корреляционном расходомере «ПИР».
Дефектная структура и механизмы проводимости в наноструктурированных оксидных плёнках, полученных методом спрей-пиролиза
Исследована дефектная структура и механизмы электронной проводимости в наноструктурированных плёнках прозрачных проводящих оксидов ZnO и SnO₂, полученных методом ультразвукового спрей-пиролиза при температурах 450–550°C. Комплексными методами электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), фотолюминесцентной (ФЛ) спектроскопии, рентгеноструктурного анализа и температурных измерений электропроводности в диапазоне 77–400 К выполнена идентификация основных типов точечных дефектов и проведён детальный анализ их влияния на электронные транспортные свойства. Размер кристаллитов составил 15–35 нм для ZnO и 20–45 нм для SnO₂. Концентрация носителей заряда достигает (2–8)·10¹⁷ см⁻³ для ZnO и (5–15)·10¹⁷ см⁻³ для SnO₂, подвижность электронов при комнатной температуре составляет 15–25 см²/(В·с) и 8–18 см²/(В·с) соответственно. Установлено, что проводимость плёнок определяется совокупностью трех основных процессов: внутризёренным транспортом электронов по зоне проводимости, туннелированием через потенциальные барьеры высотой 80–120 мэВ на межзёренных границах и термически активированной прыжковой проводимостью по дефектным состояниям. Впервые предложена комплексная физическая модель проводимости, учитывающая морфологические особенности наноструктурированных плёнок, размерное распределение зёрен и энергетическое распределение дефектных состояний. Методами ЭПР- и ФЛ-спектроскопии показано, что кислородные вакансии VO (g-фактор 1.959) и межузельные атомы цинка Zni (g-фактор 2.024) являются основными донорными центрами в ZnO, тогда как в SnO₂ доминируют кислородные вакансии (g-фактор 1.930) и дефектные комплексы. Квантово-химические расчеты в приближении DFT+U подтвердили энергии образования дефектов: 3.2 эВ для VO и 2.8 эВ для Zni в ZnO. Разработанная модель успешно описывает экспериментальные температурные зависимости электропроводности и позволяет количественно предсказывать электрические свойства оксидных плёнок в зависимости от условий синтеза, что открывает возможности для целенаправленной оптимизации технологических параметров получения прозрачных проводящих покрытий с заданными функциональными характеристиками.
Исследование влияния газодинамических параметров распыления на качество тонких пленок прозрачных проводящих оксидов
Прозрачные проводящие оксиды (ППО) находят широкое применение в современной оптоэлектронике благодаря уникальному сочетанию высокой электропроводности и оптической прозрачности в видимом диапазоне спектра. Метод спрей-пиролиза является одним из наиболее перспективных технологических процессов получения тонкопленочных покрытий ППО, однако качество получаемых пленок критически зависит от газодинамических параметров распыления. В работе исследовалось влияние скорости газа-носителя, давления распыления, температуры подложки и концентрации прекурсора на морфологию, кристаллическую структуру и электрофизические свойства тонких пленок оксида индия-олова (ITO) и оксида цинка, легированного алюминием (AZO). Использовались методы рентгеноструктурного анализа, оптической спектроскопии и измерения электропроводности четырехзондовым методом. Установлено, что оптимальная скорость газа-носителя составляет 2.5–3.0 л/мин при давлении 0.15–0.20 МПа для получения пленок ITO с минимальным сопротивлением (8.2·10-4 Ом·см) и максимальной прозрачностью (88% в видимом диапазоне). Увеличение температуры подложки с 350°C до 450°C приводит к улучшению кристалличности пленок и снижению удельного сопротивления на 40%. Математическая модель процесса показала корреляцию между числом Рейнольдса газового потока и однородностью толщины пленки. Полученные результаты демонстрируют критическую важность оптимизации газодинамических параметров для получения тонких пленок ППО. Разработанная математическая модель позволяет прогнозировать свойства пленок в зависимости от технологических параметров и может быть использована для оптимизации промышленных процессов производства прозрачных электродов для солнечных элементов и дисплеев.
Субгармонические режимы электроконвекции слабопроводящей жидкости в переменном электрическом поле
В слабопроводящей жидкости в переменном электрическом поле плоского горизонтального конденсатора изучены субгармонические режимы электроконвекции. Рассмотрен случай невесомости в неизотермической жидкости. Исследование проведено в рамках электрогидродинамического приближения в случае электрокондуктивного механизма зарядообразования. На основе маломодовой модели электроконвекции с применением сечений Пуанкаре и Фурье-анализа на диаграмме частота модуляции – электрическое число Рэлея определены границы областей существования различных динамических режимов. Результаты исследований для некоторого набора частот были опубликованы ранее. Новым результатом является обнаружение и исследование субгармонических режимов конвекции. В работе исследован характер отклика конвективной системы на внешнее воздействие в различных субгармонических областях. Определены сценарии перехода к хаосу для нового интервала значений управляющих параметров.
О стабилизации жидкости в тороидальном термосифоне при термотаксисе микроботов
Жидкость с включенными в неё программируемыми микроботами представляет собой новый тип среды с особыми свойствами. Такая среда может достигать таких состояний, которые в обычных условиях не наблюдаются. В данной работе мы предполагаем, что свободно плавающие микроботы обладают свойством термотаксиса, т.е. проявляют двигательную реакцию на градиент температуры, перемещаясь в направлении растущего значения. Так как плотность самих ботов является параметром, который задаётся при их производстве, то плотность роя может существенно отличаться от плотности несущей жидкости. Следовательно, перемещения роя в жидкости могут приводить к локальным изменениям суммарной плотности среды. Таким образом, коллективные действия ботов по перераспределению концентрации роя потенциально могут в реальном времени компенсировать изменения плотности нагреваемой жидкости. В данной работе мы теоретически исследуем возможность микроботов активно влиять на конвективную устойчивость системы на примере тороидального термосифона, представляющего собой узкий замкнутый канал с круглым сечением, находящийся под действием силы тяжести и заданного теплопотока на границах. Предложена простейшая математическая модель явления, которая включает в себя уравнения движения жидкости, передачи тепла и концентрации микроботов. Так как поперечное сечение термосифона много меньше его диаметра, то определяющие уравнения могут быть усреднены поперек канала. Для конкретного вида граничных условий для температуры получено аналитическое решение нелинейных уравнений в частных производных, описывающее стационарную конвекцию в термосифоне. Показано, что при определенных значениях управляющих параметров роя, которые включают плотность микроботов и скорости их перемещения в среде, движение жидкости в канале может полностью затухать.