ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. ФИЗИКА

Методы атомно-силовой микроскопии (АСМ) являются на сегодняшний день широко распространенным средством получения информации о трехмерной структуре, а также физико- механических свойствах поверхности. В задачах наноиндентации зонд АСМ подводится к образцу с некоторого расстояния, а затем взаимодействует с поверхностью. Точное определение точки контакта острия зонда с поверхностью в этих измерениях необходимо как для достоверного вычисления констант бесконтактных взаимодействий, так и для структурно- механических свойств материала. В экспериментах в воздушной среде контакту предшествует обусловленный силами притяжения быстрый скачок зонда к поверхности. Если жесткость балки зонда или образца не позволяют зонду деформировать поверхность, то за начало контакта обычно принимается завершение скачка зонда (минимум отклонения балки на участке сближения зонда с материалом). Если же поверхность достаточно мягкая, то контакт может наступить раньше завершения этапа быстрого сближения, т.е. острие начнет вдавливаться в поверхность до завершения скачка. В данной работе показано, что контакт острия с деформируемой поверхностью полимера наступает еще до завершения скачка острия к поверхности. За начало контакта зонда с материалом целесообразно принимать точку, соответствующую максимуму изменения изгиба балки. Значительная скорость сближения острия с поверхностью под действием сил притяжения приводит к потере экспериментальных данных на участке кривой, в окрестности перехода от бесконтактного к контактному взаимодействию. В целом, недостаточная частота регистрации данных, а также высокая скорость сближения могут являться причинами пропуска значимых точек силовой кривой, т.е. приводить к ошибкам в определении начала контакта, причем как с мягкой, так и жесткой поверхностями.

В работе рассматривается процесс удаления сферических частиц микронного размера из несжимаемой среды через кольцевую щель диафрагмы горячего выхода вихревой трубы. Оценка скорости удаления проведена при помощи анализа результатов вычислительных экспериментов в свободно распространяемом пакете OpenFOAM. Для моделирования выбран решатель denseParticleFoam, реализующий метод MP-PIC (multiphase particle-in-cell method). Метод использует подход Эйлера для несущей среды и подход Лагранжа для дисперсной фазы. В ходе вычислительных экспериментов проведено пять серий расчетов. Серии различаются между собой начальным положением частиц в подаваемом на вход в трубу потоке, в рамках каждой серии рассматривается набор различных плотностей дисперсной фазы. По результатам экспериментов построена зависимость между плотностью частиц и временем до начала удаления их из канала вихревой трубы. Показано наличие прямой зависимости между плотностью частиц и временем достижения ими противоположного конца трубы с диафрагмой горячего выхода. Описан метод обработки полученных результатов. Рассмотрена возможность использования линейной и квадратичной аппроксимаций для определения предполагаемого времени нахождения частиц в канале трубы. Для каждой серии экспериментов проведена оценка доверительных интервалов и величины среднего абсолютного процентного отклонения от предложенной аппроксимации.

Исследуется колебательная динамика капли маловязкой жидкости, окруженной другой жидкостью, при трансляционном вибрационном малоамплитудном воздействии. Капля равновесной цилиндрической формы зажата между параллельными твердыми плоскостями. Краевые углы прямые и постоянные, линии контакта трех сред свободно скользят по поверхности пластин. На поверхности раздела капля-окружающая жидкость учитывается тонкий вязкий пограничный слой. Рассмотрены собственные и вынужденные колебания капли. В главном порядке разложения по малой амплитуде вибраций получены частоты собственных колебаний невязкой цилиндрической капли. В первом порядке разложения найдена поправка к частоте, которая вызвана диссипацией энергии в вязком пограничном слое. Исследована устойчивость вынужденных колебаний по отношению к малым возмущениям. Параметрический резонанс наступал при выполнении условия синхронизма: частота вибраций равняется сумме частот двух соседних мод собственных колебаний. Найдено выражение, описывающие резонансные области. Показана, что малая вязкость приводит к появлению порога амплитуды вибраций и сдвигу области неустойчивости при сравнении с нулевой вязкостью.

Проведены экспериментальные исследования вязкоупругих свойств эластомерных нанокомпозитов на основе бутадиен-стирольного каучука и бинарного наполнителя (технический углерод и детонационные наноалмазы). Для того чтобы наиболее эффективно выявить особенности вязкоупругого поведения этих материалов (которые зависят не только от деформации, но и от ее скорости), использовали специальную программу испытаний с «вложенными циклами», разработанную в ИМСС УрО РАН. В процессе испытаний образец подвергается одноосному циклическому нагружению с уменьшающимися на каждом шаге амплитудой и скоростью деформирования. В начале и конце цикла (т.е. при минимальных и максимальных цикловых деформациях) производится остановка захватов разрывной машины на фиксированный промежуток времени для снятия релаксационных зависимостей. Такой подход позволяет за один эксперимент получить максимум необходимой информации как о вязких, так и об упругих свойствах испытываемого материала. Массовое содержание наноалмазных частиц во всех образцах было одно и то же (7 массовых частей), варьировалась доля технического углерода (23, 33 и 43 м.ч.). На основе релаксационных экспериментальных зависимостей (зависимости напряжений от времени) рассчитаны кривые равновесного деформирования материала (они очень важны для теоретиков для построения определяющих реологических уравнений). Анализ деформационных кривых нагружения позволил получить концентрационные зависимости таких механических характеристик как максимальные и минимальные цикловые напряжения, начальный, минимальный и максимальный модули для кривой первого нагружения (упругие свойства); гистерезис цикловых потерь (вязкие свойства при различных скоростях нагружения). Также был исследован эффект размягчения Маллинза (падение жесткости эластомера после первого цикла нагружения).

В работе экспериментально исследовано влияние неустойчивости Рэлея-Тейлора на процесс смешения жидкостей в микроканале проточного типа. На входе в канал при помощи Y-образного смесителя создавалась двухслойная система жидкостей, состоящих из более плотного водного раствора перманганата калия (верхний слой) и менее плотной чистой воды (нижний слой) с фиксированным перепадом плотности. Колориметрический метод, основанный на зависимости поглощения света растворами от содержания растворенного вещества, использован для восстановления двумерного поля концентрации. На основе полученных распределений проведен анализ пространственной структуры конвективных течений и степени смешения жидкостей вдоль канала. Исследования проведены при малых числах Рейнольдса, что исключает развитие турбулентного течения, и в широком диапазоне чисел Ричардсона, показывающего соотношение сил плавучести и инертных сил в формировании конвективных структур. Обнаружено, что в области больших чисел Ричардсона развитие неустойчивости Рэлея-Тейлора обеспечивает практически полное перемешивание жидкостей уже на расстоянии пяти калибров от входа в канал. Уменьшение числа Ричардсона за счет увеличения расхода через канал приводит к замедлению развития неустойчивости и, как следствие, существенному уменьшению эффективности перемешивания вдоль канала. Показано, что при оптимальном выборе параметров удается уменьшить характерную длину смешения жидкостей на порядок по сравнению с диффузионным смешением. Полученные результаты демонстрируют эффективность использования конвективных механизмов неустойчивости для управления процессами массообмена в проточных микроканальных системах.

Предложен метод разграничения в пространстве параметров областей существования периодических, квазипериодических и хаотических решений динамических систем, основанный на анализе выборки времен прохождения фазовой точки от предыдущего пересечения плоскости Пуанкаре до последующего (или от одного локального максимума до последующего). Построен алгоритм формирования выборки времен возвращения с последующим анализом гистограммы полученной выборки. Простая мера наполнения гистограммы позволяет разделить периодические и хаотические режимы, а также оценить степень хаотичности промежуточных режимов. На простых модельных сигналах показано, что распределение времен возвращения дает информацию, не содержащуюся в спектральных плотностях сигнала. Затем на примере классической системы Лоренца показано, как простая мера наполнения гистограммы времен возвращения позволяет получить наглядную карту режимов. Проведен сравнительный анализ спектральной плотности мощности и гистограмм времен возвращения для различных режимов, реализующихся в системе Лоренца при различных значениях управляющего параметра (числа Релея).

Рассмотрено движение многофазного потока в выпарной емкости аппарата погружного горения при различной дисперсности газожидкостной струи. Исследование проводилось на примере контейнера с затопленной струей и свободной поверхностью, который является модельным представлением выпарной емкости. Проведена серия численных экспериментов с различными диаметрами пузырьков газа методом конечных объёмов. Диаметр пузырьков газа выбирался таким образом, чтобы исключить их дробление. При этом были задействованы вихревая модель турбулентности и модель сопротивления Грейс, учитывающая деформацию пузырьков. В результате численных экспериментов получены данные о зависимости гидродинамического поведения в выпарной емкости от морфологии затопленной струи. Обнаружено наличие неподвижной зоны на кончике газожидкостной струи при ее ударе о выпариваемую среду. Сделан вывод о необходимости учёта морфологии потока для описания структуры течения и, как следствие, определения дальнобойности струи.