КАФЕДРА ФИЗИКИ НЕРАВНОВЕСНЫХ ПРОЦЕССОВ

КАФЕДРА ФИЗИКИ
НЕРАВНОВЕСНЫХ ПРОЦЕССОВ
ПРЕДЛОЖЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ЛАБОРАТОРИЙ
ПО ТЕМАТИКЕ ДИПЛОМНЫХ И МАГИСТЕРСКИХ РАБОТ
(более полная информация - на Интернет-сайте Института теплофизики
http://www.itp.nsc.ru и кафедры http://www.itp.nsc.ru/ksite)
Лаборатория Моделирования (6.3)
Николай Иванович Яворский, зав. Лабораторией
профессор,
доктор физико-математических наук,
пр. акад. Лаврентьева, 1, к. 309, 3-36 (внутр.).
Моделирования Института теплофизики,
тел. 3309060 (р.),
e-mail: nick@itp.nsc.ru,
Введение в проблему: Одной из важных проблем современной нелинейной физики является
проблема возникновения и самоорганизации упорядоченных структур. В рамках гидродинамики - она
связана с исследованием процессов возникновения когерентных вихревых структур, проблемами
гидродинамической устойчивости и турбулентности. Будучи открытыми физическими системами
структуры представляют некие основные, существенные элементы в различных физических
явлениях. Возникая, как правило, в результате бифуркации основного состояния, эти структуры
вносят основной вклад в процессы переноса импульса, энергии и массы. Новые физические
состояния сопровождаются, как правило, спонтанной потерей симметрии того или иного вида. Одним
из интересных вопросов является в связи с эти спонтанное возникновение вращения и т. п. Работа
имеет важное мировоззренческое значение и большое количество практических применений.
Работа: Работа в данном направлении исследований может весьма разнообразной. У нее три важных
компонента, каждым из которых можно заниматься отдельно:
1. Экспериментальное и теоретическое исследование энергоразделения в вихревой трубке
Ранка-Хилша. (Газодинамический «демон Максвелла»).
2. Экспериментальное и теоретические исследование процессов измельчения вязкоупругих
материалов в вихревой мельнице. (Измельчение пластичных материалов, которые не могут
быть измельчены иным способом, в то числе биологических сред)
3. Экспериментальное исследование тепломассопереноса в вихревых
центробежных
барботажных реакторах. (Разработка аппаратов для проведения трудно протекающих
химических реакций с целью создание новых химических технологий и биотехнологий).
4. Прямое численное моделирование магнитно-гидродинамических течений в каналах.
(Создание кода и расчет развитого турбулентного течения с целью изучения процессов
формирования нелинейных организованных гидродинамических структур).
5. Теоретическое исследование спонтанного возникновения вращения в различных
гидродинамических системах.
6. Экспериментальное и теоретическое исследование возникновение волновых организованных
структур на поверхности жидкого диэлектрика, возбуждаемых сильным переменным
электрическим полем.
Перспективы: Аспирантура, защита кандидатской диссертации. У сотрудников лаборатории
имеются хорошие зарубежные связи с разными исслеовательскими центрами Европы, США,
Австралии.
Условия жизни: Каждому студенту - персональный компьютер, возможность выхода в Интернет,
доплата к стипендии в размере стипендии и более, в зависимости от успехов работы.
Сергей Федорович Чекмарев д.ф.-м.н., профессор. тел.: 3391048 (сл.), 3303477 (дом.), e-mail:
chekmarev@itp.nsc.ru; к. 304 гл. корпуса Института теплофизики СО РАН, внутр. тел.: 3-88
Динамика кластеров и биополимеров: Теория и компьютерное моделирование
Кластеры – это наночастицы конденсированной фазы. Широкий интерес к ним объясняется
тем, что в силу промежуточного положения между молекулами и макроблоками вещества (число
поверхностных атомов в кластерах сравнимо с числом внутренних), кластеры обладают рядом
уникальных свойств, которые открывают новые возможности в наноэлектронике, создании новых
материалов, разработке лекарств, катализе, экологическом контроле и др. Одна из основных
проблем в этой области – это получение кластеров с заданными свойствами. Это непростая
задача, поскольку свойства кластеров зависят от их структуры (т.е. упаковки атомов в кластерах), а
число возможных структур растет с числом атомов в кластерах экспоненциально. Поэтому надо знать
закономерности структурных переходов в кластерах и уметь управлять их динамикой.
Эта задача очень близка к другой, очень актуальной задаче в области молекулярной
биологии – проблеме фолдинга (укладки) белков в компактные функциональные структуры
("protein folding problem"). Жизненно важно, чтобы белки сворачивались правильно (т.е. нужные
активные центры были бы на поверхности) и не "сидели" бы в долгоживущих метастабильных
состояниях. Иначе они будут функционировать не так как надо, что является причиной десятков
наследственных и инфекционных заболеваний (болезнь Альцгеймера, коровье бешенство и др.).
Несмотря на большие усилия, приложенные за последние 30 лет, до сих пор полного понимания того,
как среди астрономически большого числа возможных конформаций белок быстро находит
единственную правильную (если бы искал простым перебором конформаций, потребовалось бы 1011
лет, - так называемый парадокс Левинталя). Таким образом, так же как и в кластерах, надо понять
закономерности структурных превращений и научиться воздействовать на их динамику. Такие же
задачи возникают и при синтезе новых белков с заданными свойствами.
Очень привлекательная черта этих двух функционально различных систем – кластеров и
белков - это то, что "по физике дела" эти системы одинаковы. Они представляют собой конечные
системы атомов, связанных силами притяжения, с той лишь разницей, что в белках свой типичный
набор атомов, а в кластерах свой (строго говоря, и это не совсем так, поскольку сейчас стали активно
изучаться смешанные комплексы). Соответственно, для исследования динамики кластеров и белков
используются одни и те же методы компьютерного моделирования. Обычно это методы
молекулярной динамики, где отслеживаются положения и скорости атомов, или Монте Карло, где
генерируется случайная траектория конформаций системы. Надо также отметить, что в методическом
плане исследование таких сложных систем как кластеры и биомолекулы носит гораздо более общий
характер. Те же, или близкие подходы, используются при распознавании образов, при глобальной
оптимизации (например, с целью определения оптимального расположения чипов на
суперкомпьютерах) и в ряде других современных задач.
У нас хорошие международные связи, в частности, по исследованию фолдинга белков мы
сотрудничаем с одним из мировых лидеров в этой области - группой проф. М. Карплуса
(Гарвардский университет, США, и Университет Луиса Пастера, Страсбург, Франция). В
Академгородке наш основной партнер - лаборатория теоретической генетики чл.-корр. РАН Н. А.
Колчанова (Институт цитологии и генетики СО РАН).
Текущие проекты: "Конечные многоатомные системы: динамика и возможности управления" (гос.
бюджет); " Кинетика фолдинга белков, обладающих долгоживущими интермедиатами: Теория и
компьютерное моделирование " (грант РФФИ) и “ Protein Folding: A Kinetic Approach to the
Mechanism ” (грант CRDF, совместно с Гарвардским университетом).
В качестве конкретной темы работы (имеется в виду, с перспективой на магистратуру и
аспирантуру) можно предложить:
1. Исследование фолдинга белков, обладающих латентными состояниями (т.е.
структурами, ведущими к неправильному фолдингу).
2. Кинетический подход к исследованию фолдинга белков. Новый подход, базирующийся
на методах, разработанных нами ранее для исследования кластеров, и представляющий собой
определенную альтернативу существующему подходу, так называемой "новой точке зрения на
фолдинг".
Условия работы: несколько современных персональных компьютеров, необходимое software, в
частности пакет для моделирования биополимеров (CHARMM29). Доплата к стипендии.
Требования: мотивированность на научную работу, хорошая подготовка по физике и математике,
отсутствие антипатии к компьютерному моделированию.
Лаборатория разреженных газов (4.1)
Взаимодействие молекул с поверхностью. Определение коэффициентов аккомодации
поступательной и внутренней энергии.
Ребров Алексей Кузьмич, заведующий Лабораторией Разреженных Газов Института Теплофизики
СО РАН по адресу: Проспект Лаврентьева 1. Доктор физико-математических наук, академик.
Введение в проблему: Проблема взаимодействия молекул с поверхностью наполняется все новым и
новым физическим содержанием уже добрые 100 лет. Элементарные процессы энегообмена, полнота
энергообмена, представляемая коэффициентами аккомодации, определяют тепловое, силовое и
химическое воздействие газового или плазменного потока на поверхность, особенно в неравновесных
и быстропротекающих явлениях. Сфера приложения - газодинамика космических летательных
аппаратов, вакуумные технологии (особенно нанесение тонких пленок), исследование межфазных
процессов в биологических наноструктурах. Современное состояние эксперимента - изучаются
индикатриссы рассеяния молекул от ансамбля частиц мишени. Совремнные тенденции теории строятся модели рассеяния молекул от подложки с заданной структурой методами молекулярной
динамики.
Работа: К студентам 1-4 курса и магистрантам! Ваша работа может быть содержанием курсовой,
дипломной и в будущем кандидатской и докторской работы. Для студентов всех курсов:
 Экспериментальная деятельность. Участие в текущей программе экспериментов по
определению коэффициентов аккомодации поступательной, вращательной, колебательной
энергии молекул при их столкновении с повехностью цилиндра в гиперзвуковом потоке газа в
вакуумной газодинамической трубе. Программа экспериментов обширная, определена
международным проектом, ведется активно и напряженно. Систематическая работа научной
группы открывает Вам возможность встроиться на любом этапе, быть полезным и извлекать
пользу для себя.
 Теоретическая деятельность.
o
Освоение метода Монте Карло для моделирования обтекания цилиндра и решетки
цилиндров с целью научного обоснования экспериментальной программы и
обоснования моделей индикатриссы рассеяния молекул при столкновении с
поверхностью. (Работа вместе со ст. научн. сотр. Плотниковым М. Ю.)
o
Освоение методов молекулярной динамики для расчетов взаимодействия молекул с
поверхностью. Самостоятельная работа - изучение литературы последних 2-3 лет с
консультацией со специалистами ИТ, ИТПМ, ИНХ.
Перспективы: Выход на исследовательские границы в очень перспективной области, которая, по
моим оценкам, должна оставаться актуальной еще лет 25 или больше, пока методы молекулярной
динамики не затмят экспериментальные. Открытия ближайших лет скорее возможны в результате
понимания функционирования рецепторов (приемников) наноструктурных биологических объектов
(особенно "лохматых" вирусов). Научная карьера - обычная - диплом НГУ, диплом кандидата,
доктора и международное признание различного уровня.
Газодинамический ускоритель и исследование гипертермического взаимодействия
тяжелых молекул с поверхностью.
Ребров Алексей Кузьмич, зав. Лабораторией Разреженных Газов, доктор физ.-мат. наук, академик.
Телефоны: служ. 3308018; дом. 3300711.
E-mail: rebrov@itp.nsc.ru.
Адрес: Пр. Лаврентьева 1,
Институт Теплофизики СО РАН, комн. 104
Введение в проблему: Проблема комплексная. Одним из наиболее ярких приложений резуьтатов
исследований по названой теме является получение тонких пленок самых различных материалов на
поверхностях. Суть процессов: тяжелые молекулы в виде малой примеси к легкому газу (водороду,
гелию) разгоняются до скоростей, соответствующих энергиям 0.1-10 эв (1100-110000К), затем
сепарируются в разреженном ударном слое и взаимодействуют с поверхностью, находящейся при
низкой температуре. В заваисимости от сорта тяжелых молекул и их энерги в результате
взаимодействия может происходить конденсация молекул, внедрение их в поверхностный слой,
диссоциация молекул с осаждением труднолетучих компонентов. Спектр исследовательских задач:
 Энергобмен тяжелых молекул с газом-носителем (процессы поступательной, вращательной,
колебательной релаксации, формирование кластеров);
 Формирование ударного слоя газовой смеси у поверхности и процесс сепарации тяжелых
молекул;
 Физико-химические процессы на поверхности.
Для новых технологий перспективным является использование плоских сопел для получения
покрытий на больших поверхностях. За рубежом исследования ведутся в направлении практических
приложений примерно в 10 коллективах, в России - в одном - в Институте Теплофизики.
Работа (этапы):
 Разработка экспериментального участка с плоским соплом для вакуумной газодинамической
установки и исследование плоской сверхзвуковой струи газов низкой плотности.
 Исследование взаимодействия плоской струи легкого газа, смешанного с тяжелыми
углеводородами, в условиях осаждения алмазоподобных или карбид-кремниевых пленок.
 Построение модели течения газовой смеси низкой плотности в плоской струе. Построение
моделей взаимодействия молекул тяжелых углеводородов с поверхностью.
Перспективы: Специализация в области исследований, находящейся на стыке наук - физической
газодинамики и физики поверхностей. Квалификационный рост - курсовые работы , дипломная,
кандидатская, ... с апробацией на семинарах, национальных и международных конференциях.
Овладение знаниями физических основ использования газодинамических методов в новейших
вакуумных технологиях открывает необозримые возможности самостоятельной научной и научнопрактической деятельности в нашей стране и за рубежом.
Условия жизни: Лаборатория имеет международные гранты , гранты РФФИ. Экспериментальная
база - вакуумные газодинамические установки. Компьютерная база - 6 компьютеров. По Вашим
успехам Вам может быть обеспечена аудитория от рабочего лабораторного семинара до
Международного конгрсса. Кофе в лаборатории бесплатно. О денежной надбавке, которая может
превышать стипендию в разы, разговор персональный, с учетом того, что Вы можете быть зачислены
сотрудником на пол-ставки.
Лаборатория Молекулярной Газодинамики (4.2)
Изучение влияния возбуждения внутренних степеней свободы молекул газа на
газодинамические процессы, в частности, на процессы взаимодействия молекул с
твердой поверхностью.
Ярыгин Вячеслав Николаевич, д. т. н., профессор, зав. Лабораторией Молекулярной Газодинамики
Института теплофизики СО РАН, р. т. 330-86-15; Тимошенко Николай Иванович, к. ф.-м. н., доцент,
старший научный сотрудник Лаб. Молекулярной Газодинамики Института теплофизики СО РАН,
р. т. 339-15-46.
Введение в проблему: Возбуждение молекул в мощных газовых лазерах, химические реакции в
газовой фазе, течение газа у твердой поверхности - вот небольшой перечень процессов в которых
влияние возбуждения колебательных и электронных уровней энергии на этот процесс существенно,
но пока слабо изучено. Только системное изучение такого влияния путем постановки экспериментов
по выяснению механизмов процесса и учета влияния внутренних степеней свободы и создания
расчетных методик по определению параметров этих процессов позволит осознанно использовать эти
процессы в технологических и других устройствах, обнаружить новые эффекты.
Работа: Конкретная работа предполагает освоение большой аэродинамической трубы “ВИКА”,
методик эксперимента на этой установке, в том числе электроннопучковых и лазерных, проведения
оценок и расчетов по определению параметров изучаемых процессов.
Перспективы: В качестве перспективы предполагается работа над дипломным проектом, в
дальнейшем обучение в аспирантуре и участие в создании сверхсовременной техники, может быть,
летательного аппарата с коэффициентом трения о воздух равным нулю.
Условия жизни: Необходимым условием работы является полноценное участие во всех аспектах
деятельности лаборатории: работа на установке в качестве наладчика аппаратуры, участие в
конференциях и фуршетах, авторство в публикациях, а самое главное - наличие желания в чем-то
разобраться и что-то сделать.
Лаборатория аэродинамики энергетических установок (7.4)
Зам. директора института, д.ф.-м.н. Маркович Дмитрий Маркович,
тел. 330-90-40, e-mail: dmark@itp.nsc.ru
Ведущий научный сотрудник , к.ф.-м.н. Илюшин Борис Борисович,
тел. 330-81-28, e-mail: ilyushin@itp.nsc.ru
Уважаемый коллега!
Мы будем рады вместе с Вами продолжить нашу исследовательскую работу по
фундаментальным и прикладным проблемам турбулентности, тепломассопереноса и горения.
Уверены, что Ваш свежий взгляд, приобретенные в университете знания и кругозор внесут новую
струю в понимание и осмысление изучаемых в нашей лаборатории сложных физических явлений, а
Ваша дипломная работа даст начало новым перспективным исследованиям.
Наша лаборатория недавно отметила 15-ти летний юбилей. В ее составе плодотворно
работает более 30 человек, включая специалистов из Красноярского филиала. Примерно половина из
них в возрасте до 30 лет, выпускники НГУ. Лаборатория сотрудничает с ведущими мировыми
научными школами (Университет Гренобля, Франция; Делфтский технический университет,
Голландия; Манчестерский университет, университет г. Лидса Англия, Университет г. Салоники,
Греция, научно-исследовательские институты в Польше, Чехии, Болгарии) участвует в
международных научных проектах и контрактах, обменивается кадрами (недавно вернулся из
трехгодичной командировки в Делфтском университете наш молодой сотрудник Красинский Д.В.).
Краткосрочные (до 3-х месяцев) поездки молодых ученых, аспирантов и магистрантов в зарубежные
научные центры являются правилом в нашей лаборатории. Сотрудники лаборатории ведут активную
педагогическую деятельность в НГУ, НИИЖТе, НГ АВТ, Кембриджском университете, Делфтском
техническом университете. В нашей лаборатории Вы будете иметь возможность работать на
современных персональных компьютерах, единственном в России приборе, позволяющем получать
мгновенные поля скоростей в потоках жидкости и газа (Particle Image Velocimeter), принять участие в
совместных международных проектах с ведущими мировыми специалистами по турбулентности и
тепломассопереносу и, наконец, участвовать в увлекательных неформальных мероприятиях нашего
дружного коллектива. Традиционно в нашей лаборатории каждый студент и аспирант получает
надбавку к стипендии, пользуется правами и льготами наравне со всеми сотрудниками лаборатории.
Спектр исследований в нашей лаборатории очень широк и мы уверены, что каждый студент
найдет применение своим знаниям и интересам. Ниже мы приводим несколько примеров научных
работ, которые Вы могли бы выполнить в нашей лаборатории и успешно защитить дипломную,
магистерскую и кандидатскую работы.
Если у Вас возникли какие-нибудь вопросы, предложения или если Вы уже решили работать
вместе с нами, обращайтесь к нам в любое время!
Подавляющее большинство реально встречающихся в природе и технике течений является
турбулентными. Исследовательский интерес к ним обусловлен не только тем, что турбулентные
течения являются самой распространенной формой движения жидкостей и газов, но и с чисто
теоретической точки зрения, поскольку турбулентные течения представляют собой пример
нелинейной механической открытой системы с очень большим числом степеней свободы. В
современной науке термин «турбулентность» применяется не только в механике жидкости, но и по
отношению к другим системам, для которых характерен переход от регулярного движения к
хаотическому, определяемый нелинейными процессами. Это понятие вошло практически во все
области физики.
Несмотря на то, что первое задокументированное наблюдение турбулентности относится к
началу 16 века, проблема турбулентности до сих пор остается открытой проблемой современной
физики. Столь необычно большой срок от первых наблюдений этого явления до его теоретического
осмысления, естественно, связан со сложностью рассматриваемой проблемы. До сих пор не
существует общего подхода к описанию турбулентного движения жидкости. В нашей лаборатории
развиваются два метода численного моделирования турбулентных течений: метод статистических
моментов, основанный на численном решении осредненных уравнений Навье-Стокса, и метод с
выделением крупных вихрей (LES-method), основанный на решении отфильтрованных уравнений
Навье-Стокса с использованием параметризаций мелкомасштабной турбулентности. Ниже мы
предлагаем на Ваш выбор исследовательские дипломные работы с применением любого из
указанных методов.
Принципиальное место в процессе исследования физики турбулентных течений занимает
эксперимент. Помимо того, что именно эксперимент является критерием адекватности и
корректности всех видов математического описания, он служит источником информации и
накопления фактического знания о физических процессах. Недаром, основная масса
сформулированных во все времена физических законов и постулатов явилась следствием анализа и
обобщения материалов наблюдений и экспериментов.
В этом плане в нашей лаборатории для студентов, отдающих предпочтение специализации,
связанной с физическим экспериментом, предоставляются широкие возможности. Для диагностики
турбулентных течений используется самая современная на сегодняшний день система “Particle Image
Velocimeter” – аналог стробоскопической визуализации, позволяющая получать количественную
информацию о структуре течения жидкости или газа одновременно во всей исследуемой области.
Активно
используется
ряд
других
современных
экспериментальных
методов
–
электродиффузионный, теневой, волоконно-оптический. Вся информация, полученная в
эксперименте, проходит компьютерную обработку с применением новейших методов анализа.
В качестве объектов исследования могут быть выбраны изучаемые в лаборатории различные
типы струйных течений, течений в каналах сложной формы, течений тонких волновых пленок
жидкости, а также пленок типа «ривулет» (ручейков). Одним из факторов, объединяющих данные
течения в общую группу, является присутствие в них когерентных структур – крупномасштабных
сильнонелинейных образований, зачастую определяющих все основные физические закономерности
в этих течениях – это вихри в слоях смешения и солитонообразные волны на поверхности пленки
жидкости.
Предлагаемые ниже темы дипломных работ на соискание степени бакалавра при активной
работе могут быть в дальнейшем продолжены, а результаты – служить основой для магистерских, а
также диссертационных работ.

Численное моделирование турбулентных течений методом моделирования крупных вихрей
(LES-методом)

Применение K- модели турбулентности для описания процессов тепло массопереноса в
сложных турбулентных течениях
Изучение гидродинамической структуры импактной струи с применением метода PIV –
“Particle Image Velocimetry”
Волновые характеристики ривулетов и тонких пленок
Модуляция турбулентности в струйном слое смешения в присутствии дисперсной газовой
фазы




Устойчивость пленки жидкости в условиях воздействия турбулентного газового потока
Лаборатория низкотемпературной теплофизики (1.3).
Заведующий лабораторией д.ф.-м.н. Павленко Александр Николаевич
Тел. 330-87-00, E-mail: pavl@itp.nsc.ru.
В лаборатории низкотемпературной теплофизики студентам предлагаются следующие
направления фундаментальных исследований для прохождения преддипломной научноисследовательской практики:
 В рамках исследования теплообмена и волновых процессов при течении интенсивно
испаряющейся и кипящей пленки жидкого азота по вертикальной обогреваемой поверхности
проводится серия экспериментов по измерению локальной толщины пленки жидкости и
температуры тепловыделяющей стенки. При проведении экспериментальных исследований
применяются передовые методы измерения параметров потока. Для измерения толщины
пленки используется бесконтактный емкостный метод измерения. При измерении
распределения температуры вдоль течения испаряющейся пленки используется
последовательность тонкопленочных термодатчиков, напыленных на теплоотдающую
поверхность. С использованием статистических методов обработки экспериментальных
данных, получены амплитудно-частотные характеристики волнового течения, а так же
корреляции между пульсациями температуры тепловыделяющей стенки и волновыми
процессами, имеющими место на поверхности пленки.
 В лаборатории проводится экспериментальное и теоретическое исследование динамики
микрослоя жидкости и переходных процессов при кипении. Планируются обширные
экспериментальные исследования динамики и теплообмена при распространении фронта
смены режимов кипения на плоской горизонтальной поверхности с использованием
взаимодополняющих друг друга методик измерения нестационарных полей температуры
теплоотдающей поверхности и визуализации с помощью высокоскоростной видеосъемки.
Целью данного направления является исследование взаимосвязи между поведением
микрослоя жидкости и условиями развития переходных кризисных явлений при кипении в
режиме свободной конвекции. Исследование локальных нестационарных и интегральных
характеристик процессов смены режимов кипения, распространения фронта испарения,
проведение численного моделирования с использованием получаемой в опытах
экспериментальной информации даст возможность более детально классифицировать,
описать различные механизмы, сценарии развития переходных процессов при кипении.
Теоретические, численные и экспериментальные исследования нестационарных процессов
тепло– и массобмена при фазовых превращениях на тепловыделяющих поверхностях, проводимые в
лаборатории 1.3, открывают возможности построения новых подходов к описанию кризисных и
переходных процессов, безусловно, актуальны и, несомненно, являются достойными темами для
выполнения дипломных работ.
В лаборатории низкотемпературной теплофизики студенты регулярно получают надбавку к
стипендии и имеют реальные перспективы для продолжения обучения в магистратуре и аспирантуре.
Лаборатория термодинамики (3.3)
Зав. лабораторией д.ф.-м.н. Станкус Сергей Всеволодович
к. 217, 222, 236; тел. 3-51, 3-74, 5-14, 4-44; 39-15-41, 336-07-06
Предлагаются следующие две темы работ для студентов ФФ НГУ 3 курса:
1.
Экспериментальное исследование процессов плавления-кристаллизации и термических
свойств твердых и жидких эвтектик – перспективных теплоносителей ядерной
энергетики.
Изучение термических свойств и фазовых превращений металлических систем с фазовой
диаграммой эвтектического типа, используемых в качестве жидкометаллических теплоносителей в
атомной энергетике является актуальной задачей материаловедения, имеющей большое научное и
прикладное значение. Экспериментальные данные по плотности и коэффициентам теплового
расширения твердых и жидких фаз и объемным изменениям при плавлении – кристаллизации
необходимы для прогнозирования поведения жидкометаллических теплоносителей при различных
тепловых режимах и, особенно, при запуске контуров и в аварийных ситуациях, которые могут
сопровождаться затвердеванием расплавов.
Эксперименты по изучению кристаллизации и плавления эвтектических сплавов
предполагается провести с помощью разработанных в Институте теплофизики оригинальных
методов и экспериментальных стендов – сканирующих гамма-плотномеров, не имеющих аналогов в
мировой практике. Методы основаны на сканировании исследуемого образца сплава (находящегося в
твердом, жидком или двухфазном состояниях) узким пучком жестких гамма-квантов и определения
зависимости коэффициента ослабления излучения в сплаве от координаты (высоты). Полученные
данные позволяют восстановить высотные профили концентрации и плотности и их эволюции в
зависимости от времени, температуры, условий плавления - кристаллизации и т.п. Важной
особенностью гамма-метода, кардинально отличающей его от большинства традиционных способов
исследований, является то, что с его помощью ведется непосредственное наблюдение за состоянием
сплава в ходе фазовых переходов, нагрева-охлаждения, изотермической выдержки, перемешивания и
др. При этом в одном опыте в динамике измеряются такие параметры, как плотность твердой и
жидкой фаз, положение межфазной границы, профили плотности и концентрации в каждой из фаз,
скорость гомогенизации расплава или, наоборот, его сегрегации.
1.
2.
3.
2.
Предлагаемая работа предполагает:
освоение гамма-метода исследования термических свойств веществ;
экспериментальное исследование термических свойств сплавов систем на основе свинеца;
обобщение и анализ полученных данных, публикация результатов.
Исследование термодинамических и переносных свойств новых фторорганических
соединений в парообразном и жидком состояниях.
Фторорганические жидкости обладают уникальными свойствами. Они химически инертны и
термически устойчивы. Слабое молекулярное взаимодействие обусловливает их высокую летучесть и
низкие температуры кипения, поверхностное натяжение, скорость распространения ультразвука,
показатель преломления. Эти соединения отличаются сравнительно большой молекулярной массой,
плотностью, вязкостью, диэлектрической проницаемостью. Разработка и совершенствование
технологий синтеза фторорганических соединений, изучение их физических свойств в существенной
степени стимулировались потребностями ядерной, авиационной и ракетно-космической техники.
Фторорганические соединения нашли широкое применение как масла, диэлектрики, теплоносители,
поверхностно-активные вещества, медицинские препараты. Благодаря им удалось решить ряд
специфических проблем в химии и химической технологии, в энергетике, электротехнике,
электронике, волоконной оптике, медицине. Исследование свойств фторорганических соединений
имеет и большое научное значение. Использование фтора в качестве структурного элемента
органической химии во много раз увеличивает число возможных органических соединений, т.е.
открывает практически неограниченные перспективы для синтеза новых веществ. Сейчас
перфторированные соединения рассматриваются как новые перспективные абсорбенты для
разделения и очистки газов, озонобезопасные заменители фреонов в холодильных машинах и
тепловых насосах, новое поколение диэлектрических сред и модельных жидкостей для
гидродинамических экспериментов. Однако для того,
чтобы наиболее полно
реализовать
уникальные свойства перфторированных соединений необходимо провести комплексные
исследования физико-химических свойств, установить общие закономерности их изменения и на
этой основе указать наиболее перспективные составы для синтеза.
Предлагаемые работы предполагают:
 освоение гамма-метода измерения плотности или метода температурных волн для определения
переносных и калорических свойств веществ;
 экспериментальное
исследование
свойств
перфторатов
в
интервале
температур
-20С...+300С, включая критическую область;
 проведение расчетов других свойств на основе полученных экспериментальных данных и теории
термодинамического подобия.
Лаборатория термодинамики длительное время занимается изучением фазовых превращений и
термических свойств различных классов веществ и материалов в широких интервалах параметров
состояния (-80С…2200С, 10-8…100 бар). Все научные сотрудники лаборатории закончили
физический факультет Новосибирского госуниверситета и в настоящее время имеют ученые степени
докторов и кандидатов физико-математических наук. Зав. лабораторией является также зам.
директора Института теплофизики и членом Бюро комитета РАН по теплофизическим свойствам
веществ. Многие установки в лаборатории являются уникальными и по своим возможностям и
метрологическим характеристикам соответствуют или превосходят мировой уровень. Предлагаемые
работы являются частью проектов, которые вышли победителями конкурса интеграционных
проектов Сибирского отделения Академии наук на 2003-2005 г.г. Кроме того они финансируются
Российским фондом фундаментальных исследований и по программам Президиума РАН и
Отделений РАН. В связи с расширением объема работ лаборатория испытывает потребность в
специалистах по исследованию свойств веществ. Предполагается, что после окончания НГУ
выпускники будут продолжать обучение в аспирантуре и, при условии активной работы, закончат ее
с представлением или защитой кандидатской диссертации.
Лаборатория Многофазных Систем (1.2)
Зав. лабораторией д.ф.-м.н. Кузнецов Владимир Васильевич
Тел.: 330-71-21, вн.: 4-67
Изучение кинетики распада метастабильной жидкости.
Распад метастабильной жидкости при высоком уровне её метастабильности является
фундаментальным физическим явлением, которое интенсивно изучается в последнее время в
ведущих мировых научных центрах. При распаде метастабильной жидкости происходит
самопроизвольное преобразование запасённой тепловой энергии в работу, которая
совершается вскипающей жидкостью. Помимо большого научного интереса изучение
явления распада метастабильной жидкости важно для оптимизации работы таких
технологических устройств, как струйный принтер, микронасосы и микродвигатели,
пузырьковые камеры в ядерных технологиях, а также для адекватного предсказание
протекания парового взрыва, как результата тяжёлой аварии на АЭС, разгерметизации
сосудов высокого давления, взрывов вулканов и т.д..
В качестве дипломной работы предлагается исследование распада метастабильной
жидкости при разгерметизации сосуда с высоко перегретой жидкостью и при взрывном
вскипании жидкости на поверхности нагрева, изготовленной с использованием
нанотехнологий. Будут использованы лазерные методы регистрации быстропротекающих
процессов, малоинерционные датчики давления и температуры жидкости, высокоскоростная
видеосъёмка. Возможно как теоретическое, так и экспериментальное рассмотрение данного
явления и работа двух студентов по этому направлению.
Научный руководитель - д.ф.-м.н. В.В. Кузнецов, к.ф.-м.н. Е.С. Вассерман
Волна испарения в перегретой жидкости
Изучение явлений переноса в микроканалах.
Одним из магистральных направлений развития современных технологий является
использование микро и нанотехнологий. Они основаны на новых физических явлениях,
имеющих место в микроканалах, размеры которых сравнимы с длиной свободного пробега
молекул. Такие микроканалы изготовляются с использованием современных
микротехнологий
и
используются
в
каталитических
компактных
теплообменниках/реакторах, преобразующих хитическую энергию топлива непосредственно
в электрическую энергию, так называемые топливные элементы; в химических компактных
реакторах, позволяющих эффективно реализовывать физико-химические реакции, например
получение водорода из природного газа для истройств водородной энергетики и т.д..
Физические явления в микроканалах интенсивно изучается в последнее время в ведущих
мировых научных центрах как основа высокотехнологичных технологий.
В качестве дипломной работы предлагается экспериментальное исследование механизма
перехода к турбулентному течению в каналах размером 100 мкм и меньше, исследование
тепло и массопереноса при движении газов и жидкостей в микроканале. Будут использованы
методы скоростной видеосъёмки, лазерные измерения скорости потока, методы
визуализации течения, измерения тепловых потоков и температур, хроматографические
методы. Воможно также теоретическое рассмотрение процессов переноса в микроканале с
использованием методов молекулярной динамики и работа двух студентов по этому
направлению.
Научный руководитель - д.ф.-м.н. В.В. Кузнецов
A microchannel array produced by
Pacific Northwest National Laboratory's
microlamination process shows highaspect ratio microchannels made in
stainless steel. Channel heights are about
100 microns.
This University of Washington micropump
makes use of fixed geometry valves. The
pump has a piezoelectric driving element
and a pair of inlet and outlet valves
fabricated into a silicon die
Изучение кинетики испарения жидкости в окрестности
контактной линии жидкость-пар.
Режим течения и теплообмена в окрестности контактной линии испаряющейся
искривлённой плёнки жидкости определяет эффективность высокотехнологических
устройств, таких как компактные реакторы/теплообменники, тепловые трубы, аппараты
энергетики, использующие процессы фазового перехода (кипение, испарение и т.д.). Интерес
к этой задаче вызван тем, что тепловые потоки в окрестности контактной линии жидкостьпар стремятся к бесконечности при стремлении толщины плёнки к нулю. Это позволяет
многократно интенсифицировать тепло и массообмен при испарении и повысить
эффективность технологических аппаратов за счёт модификации поверхности тепло и
массообмена методами современной микро и нанотехнологии. Для этого важно исследовать
и выявить механизмы, ограничивающие тепловые потоки в окрестности контактной линии,
такие как молекулярные силы и вязкие напряжения, которые ограничивают подток жидкости
к области с аномально высокой скоростью испарения.
В качестве дипломной работы предлагается исследование тепло и массообмена при
растекании струи жидкости по нагреваемой поверхности и течении в окрестности
межфазного мениска, организованного возмущением межфазной границы. Необходимо
получить экспериментальные данные по искривлении поверхности жидкости при её
испарении, измерить зависимость теплового контактного угла от температурного напора и
полного теплового потока, изучить механизм локального теплообмена в окрестности
контактной линии, с использованием тепловизора, термопарных измерений и скоростной
видеосъёмки. Задачей работы является измерение скорости испарения жидкости на гладкой
поверхности и изучение изменения скорости испарения на поверхностях с нанесённой
микротекстурой и шероховатых поверхностях.
Возможно как экспериментальное, так и теоретическое рассмотрение данного явления
и работа двух студентов по этому направлению. При теоретическом анализе будет
использована схема ползущего течения с учётом капиллярного и расклинивающего давлений
на искривлённой межфазной поверхности.
Научный руководитель - д.ф.-м.н. В.В. Кузнецов, к.ф.-м.н. О.В. Витовский
Сжатие струи жидкости на вертикальной поверхности при включении нагрева.