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.
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.
Copyright (c) 2026 Вестник Пермского университета. Физика http://creativecommons.org/licenses/by/4.0
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.
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.
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.
Численное исследование обтекания наконечников костяных стрел с городища Черновское I
Статья посвящена применению вычислительной газовой динамики для исследования наконечников костяных стрел с городища Черновское I (II-VII в.н.э.) в Краснокамском городском округе Пермского края. Полученные значения коэффициентов сопротивления формы позволяют разделить наконечники на две группы: со значениями от 0.122 до 0.131 и со значениями от 0.161 до 0.221 (скорость набегающего потока – 50 м/с). Во второй группе можно выделить наконечники с видимым браком, у которых значение этого аэродинамического коэффициента больше 1.78. При этом, поскольку асимметрия и искривление (интерпретируемые как дефекты) меняются непрерывно, вышеуказанная граница не может быть точно зафиксирована. Для того, чтобы оценить влияние аэродинамического следа за наконечником (который отсутствует при его соединении с древком), была также рассчитана нормированная сила сопротивления, действующая на наконечник до миделевого сечения. Значения этой величины показывают такую же связь с наличием дефектов у наконечника, как и в случае коэффициентов сопротивления формы. В то же время деление на две группы не сохраняется. Таким образом, значение коэффициента сопротивления формы может быть использовано в основном для ранжирования наконечников по качеству их изготовления. Также в настоящем исследовании была сделана оценка ошибки определения значений коэффициента сопротивления формы, связанная с тем фактом, что точность получаемых методами вычислительной газовой динамики результатов значительно зависит от того, насколько хорошо расчетная сетка разрешает течение и поверхность обтекаемого тела; в настоящем исследовании для скорости набегающего потока 50 м/с среднее её значение было 2%, а максимальное – 7%.
Характер течения в стандартной полипропиленовой микропробирке при конвекционной ПЦР
Проведено численное моделирование гидродинамических течений при проведении полимеразной цепной реакции в стандартной полипропиленовой микропробирке объемом 0.2 мл. Для построения сетки конечных объёмов и проведения расчётов использован программный пакет OpenFOAM. Уравнения динамики несжимаемой вязкой жидкости записаны в приближении Буссинеска. Вычислительные эксперименты проводились в широком диапазоне углов наклона пробирки относительно вертикали с дополнительным разбиением на подзадачи при малых углах наклона для более детального покрытия выявленных особенностей течения. Установлено, что при угле наклона около 14° характер движения среды изменяется с образованием двойного вихря, при котором наблюдается значительное снижение средней скорости движения жидкости. Показано, что при определенных больших углах наклона пробирки как в положительном, так и в отрицательном направлениях достигается максимальная средняя скорость конвективного течения.
Исследование параметров импульсного лазера для оптимизации процессов СЛП при производстве металлических изделий с улучшенными характеристиками
Применение ультразвука (УЗ) позволяет повысить качество деталей, полученных лазерным сплавлением, и улучшить характеристики металлических поверхностей и сварочных соединений за счет уменьшения пористости и формирования мелкой зеренной структуры металла. Основной эффект воздействия УЗ на качество изделия связан с процессом кавитационного схлопывания парогазовых пузырьков, которые всегда присутствуют в зоне расплава в технологии СЛП. В данной работе исследуется вопрос о технической возможности реализовать процесс кавитационного схлопывания пузырьков за счет оптоакустических эффектов, генерируемых вторым импульсным лазером в условиях, характерных для процесса СЛП. Проведено численное моделирование физических характеристик и границ зоны расплава в условии работы двух лазеров – непрерывного и импульсного. На основании расчетов предложен режим работы лазеров, при котором достигается кавитационное схлопывание пузырьков в резонансном режиме.
Исследование влияния предварительных динамических и последующих гигацикловых усталостных нагрузок на долговечность титанового сплава ВТ-8
В работе проведено исследование циклической долговечности титанового сплава ВТ-8 в режиме гигацикловой усталости с предварительным динамическим деформированием. Актуальность постановки определяется важными приложениями – оценкой ресурса материалов и элементов конструкций авиационных газотурбинных двигателей в условиях полетного цикла при случайных динамических воздействиях. Предварительное нагружение образцов из сплава титана ВТ-8 осуществлялось динамическим растяжением на разрезном стержне Гопкинсона–Кольского при скоростях деформации до ~103 c-1, после чего образцы подвергались циклическим нагрузкам на испытательной машине резонансного типа Shimadzu USF-2000 при принудительном воздушном охлаждении сжатым воздухом. Экспериментально реализована программа циклического нагружения с применением методики «in situ» определения накопления усталостных повреждений, основанной на анализе нелинейных проявлений колебаний свободного торца образца. Образование внутренней усталостной трещины и её рост обнаруживаются с помощью методики по изменению коэффициента нелинейности, что позволит установить связь микроскопических механизмов накопления необратимых повреждений усталости с модельными представлениями, а также рассмотреть стадийность развития поврежденности в процессе циклического нагружения в режимах много- и гигацикловой усталости. Обнаружены различные закономерности изменения сигналов амплитуды второй гармоники колебаний свободного торца образцов с различной внутренней структурой, которые связаны с механизмами релаксации напряжений и накоплением повреждений. Усталостное нагружение проводилось на ультразвуковой испытательной машине резонансного типа в диапазоне напряжений 200–500 МПа. Ультразвуковая испытательная машина позволяет испытывать материалы на базе 109–1010 циклов с амплитудой от 1-го и до нескольких десятков микрон с частотой 20 кГц. Циклическое нагружение в указанных режимах обнаружило значительное снижение усталостной долговечности: при уровне напряжений 585 МПа с 2.23·109 критического количества циклов в исходном (недеформированном) состоянии до 6.38·103 для предварительно нагруженного сплава ВТ-8.
К вопросу о левитации капли за счет испарения при тепловом взаимодействии с подложкой
Рассматривается возможность левитации капли воды при наличии избыточного давления под ней за счет интенсивного испарения в результате теплового взаимодействия с твердой нагретой подложкой. Показано, что водяной пар, даже если он вытесняет воздух при навязывании условия постоянства плотности паровоздушной смеси, приводит к возникновению избыточного давления под каплей и, как следствие, может служить причиной ее левитации над подложкой. Численно методом конечных разностей найдены распределения давления, концентрации водяных паров и поле скорости паровоздушной смеси под каплей в режиме стационарного истечения. Определено расстояние между каплей и подложкой. Вычислена плотность потока пара, необходимая для удержания капли в равновесии.
Влияние фазового перехода и высокочастотных вибраций на неустойчивость Рэлея–Тейлора: одномодовый подход
Представлены результаты исследования в рамках одномодовой потенциальной модели типа Лайзера совместного влияния фазового перехода и высокочастотных вибраций на эволюцию локализованного и периодического возмущений на межфазной поверхности жидкость-пар. Описано основное состояние, когда жидкость оттесняется от нагревателя слоем непрерывно образующегося пара. На этой движущейся межфазной поверхности развивается неустойчивость Рэлея–Тейлора, которая принимает форму проникающих в жидкость «пузырей» пара, скорости которых суммируются с общей скоростью границы раздела и стремятся к определенному в настоящем исследовании асимптотическому значению. Обнаружено, что развитие возмущений слабо зависит от их выбранного типа (локализованное либо периодическое возмущения). Показано, что наличие высокочастотных вибраций имеет следствием то, что наиболее быстрорастущими на линейной стадии становятся длинноволновые возмущения, для которых выше по значению оказывается асимптотическая скорость, характеризующую всплытие пузырей пара в жидкости.
Испарение и кристаллизация капель раствора соли
В работе предложена новая математическая модель испарения и кристаллизации капель раствора соли на основе диффузионного приближения для описания процессов тепло- и массопереноса как между компонентами раствора, так и с окружающим воздухом. Использование заданного соотношения для концентрации соли в капле делает модель достаточно простой и, как следствие, привлекательной для внедрения в численные расчеты динамики аэрозолей. Введенные в модель управляющие параметры – число монокристаллов в образующейся сухой частице и отношение длин сторон монокристалла – могут быть определены по результатам эксперимента. Благодаря этому модель удобна для анализа морфологии кристаллических структур и оптимизации технологических процессов. Проведено сравнение предсказаний модели с экспериментальными данными по испарению и кристаллизации капли раствора хлорида натрия при различной влажности воздуха, которое показало хорошее качественное и количественное соответствия измеряемых и вычисленных характеристик. Вычислены закономерности изменения температуры капли от времени, которые показали возможность существования двух промежутков времени с практически постоянной температурой. В силу отсутствия аналогичных экспериментальных данных для температуры подобное поведение требует дальнейшего исследования.
Получены уравнения Шредингера и Неймана для открытых квантовых систем, типа квантовых газов, которые описывают зависимость их от температуры. Далее получены модифицированные уравнения Линдблада, описывающие экспоненциальную релаксацию и диффузионное затухание из-за медленных блужданий в конфигурационном пространстве. Единое точное уравнение Неймана содержит слагаемые из уравнения Колмогорова, которые характеризуют случайные движения квантовых частиц в импульсном пространстве. Его решение приводит к диффузионному затуханию сигналов спиновой намагниченности в импульсном пространстве по экспоненте со временем t3/3 и сложным осцилляциям произведений импульсов и координат.