Научный архив: статьи

В работе описывается двухмерная по координатам и трехмерная по скорости нестационарная кинетическая модель плазмы в газоразрядной камере ионного двигателя, решаемая методом частица-в-ячейке (2D3V-FullPIC). Данная модель предназначена для исследования особенностей горения разряда в зависимости от различных режимов работы, геометрии разрядной камеры и топологии магнитного поля. Приводятся результаты моделирования и выполняется их сравнение с результатами эксперимента.

Определены параметры инжектора аксиального плазменного пучка, инжектируемого в плазменный ускоритель, действующий на основе гирорезонансного ускорения электронов в реверсном магнитном поле. Методом частиц в ячейке проведено численное моделирование захвата электронов пучка в режим гирорезонансного ускорения. Определено оптимальное время аксиальной инжекции пучка в магнитную ловушку пробочного типа. Найдены параметры пучка, удовлетворяющие условиям эффективного захвата частиц в режим гиромагнитного авторезонанса.

Приведены результаты численного моделирования дрейфовых траекторий частиц в стеллараторе Л-2М с помощью разработанного в ИОФ РАН нового компьютерного кода «TRAZ». Код осуществляет интегрирование уравнения дрейфового движения частицы с учетом влияния на их движение возникающих в плазме радиальных электрических полей. Моделирование показало, что радиальное электрическое поле существенно меняет траектории движения частиц в стеллараторе. Установлены зоны параметров соотношений продольной и поперечной скоростей частиц (по отношению к магнитному полю), в которых характеристики дрейфовых траекторий качественно меняются при изменении знака продольной скорости.

Численно исследован процесс формирования сильного электрического поля на металле, частично покрытом диэлектрической пленкой, в потоке плазмы с учетом автоэлектронной эмиссии с поверхности металла и вторичной электронной эмиссии с поверхности диэлектрика. Показано, что при отрицательном потенциале на металле порядка нескольких сотен вольт, плотности плазмы ~1012 см3, температуре электронов плазмы ~10 эВ и толщине пленки d  1 мкм напряженность электрического поля вблизи края пленки достигает нескольких МВ/см, что на два порядка превышает напряженность поля на открытой металлической поверхности в плазме. При умеренном дополнительном усилении поля на микронеровностях поверхности металла на уровне ~10 такая напряженность является достаточной для генерации автоэмиссионного тока с вершин выступов металла с плотностью порядка 108 МА/см2, необходимой для развития взрывной электронной эмиссии с последующим формированием микроплазменного (микродугового) разряда на краю пленки. Исследовано влияние генерируемого пучка автоэмиссионных электронов на формирование электрического поля вблизи края диэлектрической пленки при различных углах наклона среза пленки. При углах наклона  < 85 эмитированные электроны не попадают на пленку и практически не влияют на величину формируемого поля. При   90 пучок эмитированных электронов попадает на торец пленки, вызывая вторичную электронную эмиссию с поверхности диэлектрика. В этом случае напряженность электрического поля оказывается недостаточной для развития взрывной электронной эмиссии с поверхности металла, однако под действием пучка ускоренных автоэмиссионных электронов с энергией ~50 эВ и плотностью тока ~105 А/см2 торец пленки нагревается до температуры ~1000 C, что может приводить к интенсивному газовыделению с поверхности диэлектрика. Развитие микроплазменного разряда в этом случае может быть связано с формированием плотного сгустка плазмы вблизи торца пленки в результате ионизации выделившегося газа автоэмиссионным электронным пучком.

В работе предложено устройство для борьбы со снежным накатом на твердых дорожных покрытиях. Предварительно с помощью численного моделирования выполнены расчёты для определения напряженнодеформированного состояния основных узлов и элементов конструкции устройства, в том числе режущих дисков. Режущие элементы устройства, а именно диски диаметром 345 мм, расположены под определенным углом к разрушаемой поверхности, в результате движения которых создаются касательные и нормальные напряжения, что приводит к отделению снежно-ледяных фрагментов. Численное моделирование выполнялось для нескольких вариантов граничных условий и нагружения: для буксировочной тележки вместе с устройством, для вала устройства вместе с дисками, и для дисков отдельно. Представлены характеристики материалов устройства и дисков для численного моделирования. Установлено, что при фактических нагружениях и перемещениях, диски, ось и силовая рама имеют достаточный запас прочности. На основе полученных теоретических данных выбраны материалы и собрано устройство для проведения полунатурных экспериментов на испытательном полигоне. В ходе проведения экспериментов установлено, что характер разрушения наката и размер фракции отделяемых фрагментов зависит от толщины снежного наката. Уборка разрушенного наката щеточным оборудованием возможна при его толщине до 10 см. Уборка наката толщиной до 17 см может осуществляться только устройствами плужного типа.

В работе представлены экспериментальные результаты, свидетельствующие о возможности реализации авторезонансного ускорения электронов плазмы в реверсном магнитном поле в протяженной ловушке пробочного типа. Показано, что в результате гиромагнитного авторезонанса образуется электронный сгусток с энергией несколько сотен кэВ, удерживаемый длительное время в пробкотроне. Методом частиц в ячейке проведено численное моделирование реверсного режима гиромагнитного авторезонанса. Полученные на численной модели результаты полностью согласуются с экспериментальными данными.

Цель. Провести комплексный анализ современных методов исследования в баллистике, их применение в криминалистической экспертизе и оценку их эффективности для решения задач, связанных с расследованием преступлений, совершённых с использованием огнестрельного оружия. Особое внимание уделяется интеграции численного моделирования, экспериментальных методов и технологий искусственного интеллекта для повышения точности, объективности экспертных выводов.

Процедура и методы. Для достижения поставленной цели была проведена многоступенчатая процедура исследования: выполнен анализ научной литературы, изучение теоретических основ баллистики, включая внутреннюю, внешнюю и конечную баллистику, а также современные подходы к их исследованию, проанализированы работы как отечественных, так и зарубежных авторов, специализирующихся на применении баллистических методов в криминалистике. Рассмотрены реальные случаи использования различных методов исследования в судебной практике. Это позволило выявить наиболее эффективные подходы и ограничения существующих технологий. Применены численные методы для моделирования траекторий снарядов, учёта воздушного сопротивления, влияния силы Кориолиса и других факторов. Использовались программные средства, такие как Ballistic Trajectory Simulation (BTS) и Integrated Ballistics Identification System (IBIS). Проведены испытания на баллистических стендах для проверки гипотез относительно характеристик оружия и боеприпасов. Были использованы лазерная спектроскопия (LIBS), высокоскоростная съемка и другие современные технологии. Оценена эффективность алгоритмов машинного обучения для анализа баллистических данных, сравнения следов на пулях и гильзах, а также обработки видео- и фотоматериалов. Сопоставлены результаты, полученные различными методами, чтобы определить их взаимодополняемость и возможности комбинирования для повышения достоверности выводов.

Результаты. Численное моделирование показало высокую точность при расчёте траекторий снарядов и реконструкции событий преступлений. Особенно эффективно этот метод работает в сочетании с данными экспериментальных исследований. Лазерная диагностика позволила детально изучать следы порохового нагара и микроскопические частицы, оставшиеся после выстрела. Это значительно улучшило возможность установления расстояния до стрелка и типа используемого оружия. Высокоскоростная съёмка дала уникальные данные о движении пули в первые миллисекунды после выстрела, что важно для анализа характера выброса газов и формы пламени. Баллистические стенды подтвердили свою важность для имитационных испытаний и проверки гипотез относительно пробивной способности пуль и других характеристик оружия. Искусственный интеллект продемонстрировал высокую эффективность при автоматическом сравнении следов на пулях и гильзах, а также при анализе видеоматериалов. Алгоритмы машинного обучения позволяют обрабатывать большие объёмы данных за короткое время, что особенно важно в сложных делах.

Теоретическая и/или практическая значимость. Результаты исследования расширяют понимание возможностей современных технологий в области баллистической экспертизы. Разработанные подходы могут быть использованы для совершенствования учебных программ в сфере криминалистики, а также для развития новых методологий исследования баллистических процессов

В настоящей статье представлены результаты, служащие методической основой при создании цифрового двойника маслоохладителя системы смазки дизельного двигателя. На первом этапе проведена декомпозиция маслоохладителя на отдельные узлы, а также созданы математическая и компьютерная модели узлов маслоохладителя системы смазки двигателя. На втором этапе проведено численное моделирование гидродинамических и тепловых процессов при работе узлов маслоохладителя с целью верификации и валидации моделей с привлечением экспериментальных данных. На основе результатов расчетов выработаны рекомендации по повышению точности построения математической и компьютерной модели цифрового двойника маслоохладителя, а также предложены подходы к усовершенствованию конструкции.

Представлены результаты численного моделирования параметров выходного излучения и эффективности лазера на парах меди, возбуждаемого импульсно-периодическим индукционным разрядом трансформаторного типа. Такой безэлектродный способ возбуждения является новым для лазера на парах меди и на практике пока не осуществлён. Выбраны параметры макета малого масштаба для проведения экспериментов по накачке индукционным разрядом рабочей среды такого лазера. Решена тепловая задача и определена дополнительная мощность, необходимая для нагрева разрядной трубки до требуемой температуры при пониженных мощностях разряда, возбуждающего лазерную среду.

В статье представлены основные положения разработанной комплексной расчетно-экспериментальной методики описания поведения и исследование на ее основе напряженно-деформированного состояния системы «оправка – композиционная оболочка» в процессе изготовления оболочки с учетом термовязкоупругого поведения материалов. Использованы результаты экспериментального исследования релаксации материалов оправки и оболочки при нормальных и повышенных температурах и аппарат механики деформированного твердого тела. Численное моделирование осуществлено методом конечных элементов, реализованным в среде ANSYS Mechanical средствами параметрического языка программирования APDL. Стандартные механические испытания образцов материала оправки, связующего и образцов однонаправленного ПКМ проводились в Центре экспериментальной механики ПНИПУ на сертифицированной универсальной электромеханической системе Instron 5882. Расчетно-экспериментальная методика включает в себя: численную процедуру идентификации термомеханических параметров для описания поведения изотропного материала оправки с учетом реологии при нормальной и повышенных температурах; модель термовязкоупругого поведения композиционного материала в процессе намотки и термообработки, сочетающую анизотропию упругого поведения среды с одним независимым вязкоупругим оператором, реализованная в среде Ansys Mechanical APDL; алгоритм построения трехмерного конечно-элементного аналога системы «оправка – оболочка» с технологической оснасткой, который учитывает распределение начальных усилий в оболочке и фрикционный контакт со смазкой на границе сопряжения оправки со сборочным валом; алгоритм определения термовязкоупругого поведения системы «оправка – оболочка», реализованный путем последовательного решения задачи нестационарной теплопроводности и квазистатической краевой задачи механики деформируемого твердого тела. В результате проведенных исследований получены новые данные о пространственно-временном распределении интенсивностей напряжений и нормального давления на внешней поверхности оправки, установленные в результате комплексного исследования на основе вычислительных экспериментов, в том числе при отклонениях от проектных параметров технологического процесса

В данной работе представлена численная модель распространения ударной волны из однородного газа в газовзвесь - взвесь дисперсных частиц в газе. Данная тематика является актуальной в связи с различными промышленными приложениями. Несущая среда описывается как вязкий сжимаемый теплопроводный газ. Математическая модель реализует континуальную методику моделирования динамики неоднородных сред - для каждой из компонент смеси решалась полная гидродинамическая система уравнений движения, учитывался обмен импульсом и теплообмен между компонентами смеси. Система уравнений динамики несущей среды и дисперсной фазы включает в себя уравнения непрерывности плотности, уравнения сохранения пространственных составляющих импульса несущей и дисперсной фазы, уравнения сохранения энергии. Для дисперсной фазы вводится понятие средней плотности - произведения объемного содержания на физическую плотность материала. Объемное содержание является функцией временной и пространственных переменных, физическая плотность материла является постоянной величиной. Уравнения математической модели решались явным конечно-разностным методом Мак-Кормака. Для подавление численных осцилляций применялась схема нелинейной коррекции. Рассматривались два типа граничных условий в канале - однородные граничные условия Неймана на боковых поверхностях канала и однородные граничные условия Дирихле. Рассматривалась газовзвесь с мелкодисперсными частицами и большим объемным содержанием дисперсной фазы, таким образом параметры газовзвеси таковы, что дисперсная фаза оказывает существенное влияние на динамику несущей среды. Выявлено, что в случае однородных граничных условий Неймана возмущение по газовзвеси распространяется быстрее, двухмерное распределение модуля скорости несущей среды является равномерным. При задании однородных граничных условий Дирихле модуль скорости имеет параболический профиль и большее значение, возмущение по среде распространяется с меньшей скоростью, чем возмущение распространяющееся по каналу с однородными граничными условиями Неймана. Полученные результаты могут быть использованы при моделировании течений газовзвсей.

Решается задача выбора оптимальных параметров процесса вулканизации, обеспечивающая достижения требуемого качества резины. Обзор аналогичных задач показал, что решения реализуются на программной продукции зарубежного происхождения. Основная цель данного исследования - разработка эффективного отечественного программного продукта для расчета температурно-временного режима вулканизации многослойных изделий. Проведён системный анализ процесса, который показал, что неправильно подобранные параметры температуры и времени могут привести к неравномерной вулканизации слоев, тем самым к ухудшению свойств изделия или увеличению затрат на производство. В работе приведено модельное исследование процессов вулканизации, обеспечивающее завершенность процесса в центре многослойного изделия. Основными модельными компонентами являлись уравнения теплопроводности, кинетические уравнения, для которых выполнялась оценка параметров: предэкпоненциальных коэффициентов и энергии активации. Адекватность полученных результатов подтверждается численным экспериментом. На основе результатов моделирования разработано программное обеспечение для выбора управляющий параметров процесса. Архитектурные особенности программы заключаются в реализации модульного подхода. Основные модули позволяют проводить идентификацию параметров математических моделей и проводить имитационное моделирование процесса. Для реализации модуля определения кинетических параметров модели использовался язык программирования Python. Модуль реализован в виде пользовательского интерфейса, который обеспечивает взаимодействие исследователя с системой. Язык Python является кроссплатформенным и обладает большим набором библиотек для решения различных задач математического моделирования промышленных процессов. Модуль для расчета температуры и степени вулканизации для каждого слоя реализует алгоритмы, учитывающие динамику внутри изделия и кинетику химических реакций, связанных с вулканизацией. В результате моделирования, получены рекомендованные управляющие параметры процесса, которые способствуют снижению времени и ресурсов, затрачиваемых на процесс производства.