Лаборатория механики жидкостей. Подробная информация
См. также Общие сведения о лаборатории
См. также Гидрофизический комплекс для моделирования гидродинамических процессов в окружающей среде и их воздействия на подводные технические объекты, а также распространения примесей в океане и атмосфере (ГФК)
Заведующий Лабораторией Юлий Дмитриевич Чашечкин
Течения, индуцированные диффузией в природе, лаборатории и численном моделировании (поле концентраций и компоненты градиента концентрации)
-
Теневая картина опережающего возмущения, внутренних волны, спутного течения и вихрей и лигаментов в стратифицированной течении за горизонтальным цилиндром: трансформация лигаментов в систему вихрей
-
Структуризация однородной стратификации и перестройка картины распределения взвеси в растворе при намораживании льда на вертикальном цилиндрическом холодильнике и ???? (Tb=6.2 c, <h>=1.2 см).
Теневая фотография распада тороидального краевого вихря на вращающемся в стратифицированной жидкости вертикальном диске на регулярную систему вихревых петель
Основные достижения
- Методами теории непрерывных групп впервые установлено соответствие симметрий системы фундаментальных уравнений неразрывности, переноса импульса, энергии и вещества базовым принципам физики. Симметрии редуцированных (приближение однородной жидкости, теории волн, вихрей) и конститутивных моделей (теории турбулентности) принципиально отличаются от симметрий исходных фундаментальных систем, что указывает на различия физического содержания величин, обозначаемых в разных моделях одинаковыми символами.
- Определены пространственно – временные характеристики четырех независимых механизмов передачи энергии – прямого атомно-молекулярного (быстрого и мелкомасштабного); трансляционного со скоростью потока, волнового с групповой скоростью и наиболее медленного диссипативного, одновременно действующих в капельных и других видах течений жидкостей и газов.
- Показана разрешимость системы фундаментальных уравнений переноса вещества, импульса и энергии, дополненной уравнениями состояния для термодинамических потенциалов и их производных – плотности, давления, температуры, концентрации компонентов, физически обоснованными начальными и граничными условиями единого базиса согласованного теоретического и экспериментального изучения течений в всем доступном для наблюдений диапазоне параметров процессов.
Иерархия разрешимых (левый столбец) и вырожденных моделей течений жидкостей
- По результатам анализа полных решений систем линеаризованных фундаментальных уравнений механики жидкостей, построенных методами теории сингулярных возмущений с прямым учетом условия совместности, предложена новая универсальная классификация компонентов инфинитезимальных периодических течений, включающая волны (инерционные, гравитационные, акустические, гибридные и др.) и богатое семейство лигаментов – математических образов тонких волокон и прослоек. При расширении классификация решений нелинейных систем включает компактные вихри и их системы, как изолированные, так и существующие в струях и, следах и других видах течений.
- Впервые экспериментально изучена и рассчитана картина излучения двумерных и трехмерных периодических внутренних волн и семейств сопутствующих лигаментов источниками различного типа (осциллирующая полоса, кольцо, диск). Результаты качественно и количественно согласуются с данными независимо выполненных расчетов и экспериментов.
a) |
б) |
в) |
г) |
д) |
е) |
ж) |
з) |
и) |
Теневая картина течения около вертикально колеблющегося диска диаметром D=5.0 см в жидкости с периодом плавучести Tb=7.1 c: а–з – метод Фуко, и – цветной теневой метод; период колебаний T=∞; 83.8; 37.7; 19.2; 13.0; 9.3; 7.3; 4.8; 4.8 с
- Построены полные решения линеаризованной задачи распространения внутренних волн и сопутствующих лигаментов в жидкости с произвольным распределением частоты плавучести, включающим разрывы и критические слои. Результаты ранее выполненных расчетов согласуются с данными последующих независимых экспериментов с точностью до процентов.
a) |
б) |
Картины отражения пучка периодических внутренних волн: а) – от критического слоя, на котором совпадают часты волны и плавучести, б) – от наклонной стенки
- Впервые решена самосогласованная задача расчета колебаний свободного тела на горизонте нейтральной плавучести с учетом излучения внутренних волн. Результаты расчетов согласуются с данными экспериментов.
- Впервые полностью решена двумерная задача обтекания полосы и клина потоком однородной и непрерывно стратифицированной жидкости в диапазоне параметров, соответствующим ползучим течениям (индуцированным диффузией), волновым и нестационарным вихревым режимам без привлечения дополнительных гипотез, связей и параметров.
Сравнений теневых фотографий
(визуализация горизонтальной компоненты
градиента плотности и коэффициента преломления)
и рассчитанной на основе полной системы уравнений
движения картины течения около равномерно движущейся
вертикальной полосы в непрерывно стратифицированной жидкости
в режиме ползучего, волнового и нестационарного вихревого течения
(Tb=12.5 с, h=2.5 см):
а–в) – 0.03, 0.18, 0.75 см/с
- Впервые экспериментально прослежен процесс формирования лигаментов – уединенных висящих разрывов – в поле присоединенных внутренних волн в следе за горизонтальным цилиндром и их трансформации в систему вихрей.
-
Формирование лигаментов – висящих разрывов в волновом следе за равномерно движущимся горизонтальным цилиндром и вихря на их передних кромках в следе за горизонтальным цилиндром (Tb=13 с, D=5 см, U=0.35 см/с, Fr=U/ND=0.14)
- Впервые экспериментально прослежен распад компактного маркера на поверхности и в толще составного вихря в цилиндрическом контейнере на лигаменты, образующие спиральные рукава и винтовые волокна.
-
Трансформация в спиральные рукава и филаментизация однородно окрашенного пятна в центре и на периферии составного вихря на поверхности и в толще закрученной жидкости
- Дистанционными (акустическими и оптическими) и контактными методами изучена тонкая пространственная структура опережающего возмущения и отстающего следа за пластиной, цилиндром и вихревым кольцам.
Теневая картина течения и эхограмма возмущений при движении пластины (в центре), вертикальные профили относительного уровня рассеяния w впереди (а-в: x=-3.2, -2.3, -1.8 см) и позади (г-з: x=4, 7.6, 11.2, 13.0, 14.8 см) пластины. U=0.12 см/с.
- Впервые экспериментально исследована тонкая структура поля брызг импакта свободно падающей капли, определены источники множественной генерации капель и сложные траектории движения групп капель (брызг).
Пелена и брызги первичного контакта капли с жидкостью (D=0.27 см, U=2.9 м/с, Re=7800, We=314, Fr=318, Bo=1, Oh=0.0023)
3.7 мс |
10 мс |
Эволюция венца и поля брызг при погружении капли чернил (D=0.42 см, U=3.9 м/с, Re=16800, We=930, Fr=390, Bo=2.4, Oh=0.0018, длина меток: 0.5 см)
- Впервые экспериментально зарегистрированы дискретные картины распределения вещества падающей капли в принимающей жидкости, выделены регулярные линейчатые и сетчатые структуры.
- Впервые установлена взаимообусловленность процессов генерации свободно падающими в жидкость одиночными каплями групп капиллярных волн, газовых полостей и акустических пакетов, связанных в единых комплекс тонкими течениями – энергонагруженными лигаментами.
Фонограмма гидрофона и фотографии картины течения: вставки 1 и 2 – ударный импульс I и пакет II, 3 – спектр пакета II; 4 и 5 – пакет III и его спектр; врезки (деление – 2 мм): а) – каверна, t=40.2 мс, б–д) – газовая полость при t=163.7, 165.2, 165.5, 166.2 мс; е–з) – вторичная каверна, t=186.2 мс; растущая t=200.5 мс и оторвавшаяся газовая полость t=203.5 мс – фрагмент на вставке ж (D=0.5 см, U=3.2 м/с, We=701, Re=16000, Fr=209, Oh=0.0017, Do=3.4)
- Сформулированы критерии полноты гидродинамического эксперимента.
Общая информация
Включенная в первый состав научных подразделений нового Института, Лаборатории механики жидкостей (аномальных жидкостей до 1978 г., гидродинамики до 1982 г., гидромеханики до 1991 г.) создавалась для идентификации и экспериментально-теоретического научного сопровождения актуальных научно-практических проблем. Основатель лаборатории – математически подготовленный экспериментатор Виталий Николаевич Калашников изучал эффект снижения трения в ньютоновских (воде и керосине), и в неньютоновских жидкостях с малыми добавками высокомолекулярных веществ. В лаборатории отрабатывались методики снижения турбулентного трения и уменьшения шумов при обтекании тел (внешняя и внутренняя задачи гидродинамики), управления тепло- и массопереносом, улучшения нефтеотдачи, совершенствования гидроабразивного разрушения твердых материалов, увеличения дальнобойности струй пожарных установок. Лаборатория была головной по внедрению новых методов изучения течений – термоанемометрических и лазерных доплеровских измерителей скорости.
В конце 70-х годов прошлого века, когда все большее внимание стало и уделяться проблемам гидроаэродинамики окружающей среды, произошло расширение тематики и в лаборатории гидродинамики, которую возглавил профессор (в настоящее время академик РАН) А.И. Леонтьев) и начались исследования стратифицированных по плотности жидкостей, на первом этапе – теоретические. Для развития экспериментальной базы по рекомендации академика С.А. Христиановича в Институт в 1981 г. был приглашен д.ф.-м.н. Ю.Д. Чашечкин.
Постепенно в лаборатории стали разрабатываться и строиться оригинальные стенды для изучения стратифицированных, вихревых и капельных течений, составившие Гидрофизический комплекс для моделирования гидродинамических процессов в окружающей среде и их воздействия на подводные технические объекты, а также распространения примесей в океане и атмосфере (ГФК ИПМех РАН), включенный в Каталог Уникальных научных установок Минобранауки РФ ckp-rf.ru/usu/73600/. На стендах, оснащенных высокочувствительными теневыми приборами отечественной разработки (ИАБ-451, ИАБ-458, ИАБ-463), дополненными высокоскоростными видеокамерами и фототехникой, моно- и бистатическими гидролокаторами, контактными измерителями температуры, удельной электропроводности, скорости звука, проведен широкий круг исследований динамики и структуры струй, следов, внутренних волн, многокомпонентной конвекции, компактных вихрей, вихревых систем, капельных и других типов течений в однородных и непрерывно стратифицированных средах. Анализ экспериментальных данных позволил впервые установить влияние на динамику и структуру наблюдаемых процессов четырех механизмов передачи энергии: прямого атомно-молекулярный переноса – мелкомасштабного и быстрого, со скоростью потока, с групповой скоростью волн и медленного диссипативного.
Исследовательская работа строится в тесном контакте с Высшими учебными заведениями (МИФИ, МГУ, МФТИ, МВТУ им. Н.Э. Баумана). С 1997 по 2017 г. в лаборатории функционировал филиал кафедры Физики моря и вод суши физфака МГУ им. М.В. Ломоносова, преобразованный в 2009 году в Научно-образовательный центр (НОЦ МГУ в ИПМех РАН) «Потоки и структуры в жидкостях (физика геосфер)».
Студенты различных специальностей проходят практику на уникальных установках лаборатории, выполняют студенческие и полноценные научные работы, поступают в аспирантуру ИПМех РАН, успешно защищают кандидатские – Макаров С.А. Беляев В.С., Неклюдов В.И., Сысоева Е.Я., Воейков И.В., Байдулов В.Г., Смирнов С.А., Левицкий В.В., Кистович А.В. Миткин В.В, Степанова Е.В, и докторские диссертации (Городцов В.А., Миткин В.В, Кистович А.В.) . Студенту МФТИ, аспиранту, докторанту ИПМех РАН ст. научн. сотр. лаборатории В.В. Миткину присуждена Государственная премия Российской Федерации 2002 года для молодых ученых за работу "Тонкая структура стратифицированных течений".
Лаборатория регулярно участвует в организации российских и международных семинаров, конференций, коллоквиумов, школ, как узких тематических, так и крупных интердисциплинарных Генеральных Ассамблей Европейского союза наук о Земле (European Geosciences Union) и Американского геофизического союза (EGU). Сотрудники лаборатории активно публикуют научные статьи и выступают с докладами на различных конференциях.
Наиболее значимые публикации сотрудников лаборатории
Статьи
- Chashechkin Y.D.
Conventional partial and complete solutions of the fundamental equations of fluid mechanics in the problem of periodic internal waves with accompanying ligaments generation.
// Mathematics 2021. V. 9. No. 6. Article Number 586.
DOI: 10.3390/math9060586
- Yakush S.E., Chashechkin Y.D., Ilinykh A.Y. Usanov V.A.
The splashing of melt upon the impact of water droplets and jets
// Appl. Sci. 2021. V. 11. No. 3. Article Number 909.
DOI: 10.3390/app11030909
- Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю.
Задержка формирования каверны в интрузивном режиме слияния свободно падающей капли с принимающей жидкостью
// Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки. 2021. Т. 496. № 1. С. 45-50.
DOI: 10.31857/S268674002101003X
- Прохоров В.Е.
Ударное акустическое излучение при столкновении капли изменяющейся формы с поверхностью воды
// Письма в ЖЭТФ. 2020. T. 112. № 9. C. 591-597.
DOI: 10.31857/S123456782021003X
= Prockhorov V.E.
Shock Acoustic Emission upon Collision of a Droplet of Variable Shape with the Water Surface
// JETP Letters. 2020. V. 112. No. 9. P. 543-549.
DOI: 10.1134/S0021364020210109
- Ilinykh A.Yu.
Spreading of a Multicomponent Drop in Water: Solutions and Suspensions
// Fluid Dynamics and Materials Processing. 2020. V. 16. No. 4. P. 723-735.
DOI: 10.32604/fdmp.2020.08987
- Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю.
Множественные выбросы брызг при ударе капли
// Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки. 2020. Т. 494. С. 42-46.
DOI: 10.31857/S2686740020050181
= Chashechkin Yu D., Ilinykh A.Yu.
Multiple Emissions of Splashes upon Drop Impact
// Doklady Physics. 2020. V. 65. No. 10. P. 366-370.
DOI: 10.1134/S1028335820100067
- Чашечкин Ю.Д., Прохоров В.Е.
Эволюция структуры акустических сигналов, вызванных ударом падающей капли о жидкость
// Акустический журнал. 2020. T. 66. № 4. С. 377-390.
DOI: 10.31857/S0320791920040012
= Chashechkin Yu.D., Prokhorov V.E.
Evolution of the Structure of Acoustic Signals Caused by the Impact of a Falling Drop on a Liquid
// Acoustical Physics. 2020. V. 66. No. 4. P. 362-374.
DOI: 10.1134/S1063771020040016
- Чашечкин Ю.Д., Прохоров В.Е.
Визуализация и гидролокация возмущений стратифицированной жидкости впереди и позади вертикальной пластины
// Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки. 2020. Т. 492. С. 73-78.
DOI: 10.31857/S2686740020020091
= Chashechkin Yu.D., Prokhorov V.E.
Visualization and Echo Sounding of Stratified Fluid Disturbances in Front of and Behind a Vertical Plate
// Doklady Physics. 2020. V. 65. No. 5. P. 178-182.
DOI: 10.1134/S1028335820040047
- Chashechkin Yu.D., Zagumennyi I.V.
Visualization of stratified flows around a vertical plate: laboratory experiment and numerical simulation
// International journal of computational methods and experimental measurements (CMEM). 2020. V. 8 (2). P. 148-161.
DOI: 10.2495/CMEM-V8-N2-148-161
- Левицкий В.В., Димитриева Н.Ф., Чашечкин Ю.Д.
Визуализация самодвижения свободного клина нейтральной плавучести в резервуаре, заполненном непрерывно стратифицированной жидкостью, и расчет возмущений полей физических величин, приводящих тело в движение
// ПММ. 2019. Т. 83. № 3. С. 439-451.
DOI: 10.1134/S0032823519030111
= Levitsky V.V., Dimitrieva N.F., Chashechkin Yu.D.
Visualization of the Self-Motion of a Free Wedge of Neutral Buoyancy in a Tank Filled with a Continuously Stratified Fluid and Calculation of Perturbations of the Fields of Physical Quantities Putting the Body in Motion
// Fluid Dynamics. 2019. V. 54. No. 7. P. 948-957.
DOI: 10.1134/S0015462819070115
- Чашечкин Ю.Д., Розенталь О.М.
Физическая природа неоднородности состава речных вод // Доклады Академии наук. 2019. Т. 484. № 5. С. 605-609.
DOI: 10.31857/S0869-56524845605-609
= Chashechkin Yu.D., Rosenthal O.M.
The Physical Nature of Heterogeneity of the Composition of River Water
// Doklady Earth Sciences. 2019. V. 484. No. 2. P. 194-197.
DOI: 10.1134/S1028334X19020107
- Чашечкин Ю.Д. Бардаков Р.Н.
Тонкая поперечная структура вихревого течения за кромкой вращающегося в стратифицированной жидкости диска
// Доклады Академии наук. 2018. Т. 478. № 4. С. 400-405.
DOI: 10.7868/S0869565218040060
= Chashechkin Yu.D., Bardakov R.N.
The Fine Transverse Structure of a Vortex Flow Beyond the Edge of a Disc Rotating in a Stratified Fluid V. 63. No. 2. P. 64-69.
DOI: 10.1134/S1028335818020027
- Chashechkin Yu.D.
Singularly perturbed components of flows – linear precursors of shock waves
// Math. Model. Nat. Phenom. 2018. V. 13. No. 2. Article Number 17. P. 1-29.
DOI: 10.1051/mmnp/2018020
- Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю.
Полосчатые структуры в картине распределения вещества капли по поверхности принимающей жидкости
// Доклады Академии наук. 2018. Т. 481. № 2. C. 145-150.
DOI: 10.31857/S086956520001192-4
= Chashechkin Yu D., Ilinykh A.Yu.
Banded Structures in the Distribution Pattern of a Drop over the Surface of the Target Fluid
// Doklady Physics. 2018. V. 63. No. 7. P. 282-287.
DOI: 10.1134/S1028335818070066
- Бардаков Р.Н., Чашечкин Ю.Д.
Формирование регулярной последовательности вихревых петель вокруг вращающегося диска в стратифицированной жидкости
// Известия РАН. МЖГ. 2017. № 3. С. 3-11.
DOI: 10.7868/S056852811703001X
= Bardakov R.N., Chashechkin Yu.D.
Formation of a regular sequence of vortex loops around a rotating disk in stratified fluidстатья
// Fluid Dynamics. 2017. V. 52. No. 3. P. 337-344.
DOI: 10.1134/S0015462817030012
- Chashechkin Yu.D.
Differential Fluid Mechanics – Harmonization of Analytical, Numerical and Laboratory Models of Flows
// Mathematical Modeling and Optimization of Complex Structures. Springer Series "Computational Methods in Applied Sciences" V. 40. 2016. P. 61-91.
DOI: 10.1007/978-3-319-23564-6_5
- Кистович А.В., Чашечкин Ю.Д.
Тонкая структура конического пучка периодических внутренних волн в стратифицированной жидкости
// Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2014. Т. 50. №. 1. С. 117-125.
DOI: 10.7868/S0002351514010088
= Kistovich A.V., Chashechkin Yu.D.
Fine structure of a conical beam of periodical internal waves in a stratified fluid
// Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2014. V. 50. No. 1. P. 103-110.
DOI: 10.1134/S0001433814010083
- Байдулов В.Г., Чашечкин Ю.Д.
Сравнительный анализ симметрий моделей механики неоднородных жидкостей
// Доклады Академии наук. 2012. Т. 444. № 1. С. 38-41.
= Baidulov V.G., Chashechkin Yu.D.
Comparative analysis of symmetries for the models of mechanics of nonuniform fluids
// Doklady Physics. 2012. V. 57. No. 5. P. 192-196.
DOI: 10.1134/S1028335812050011
- Васильев А.Ю., Чашечкин Ю.Д.
Трехмерные периодические течения неоднородной жидкости при колебаниях части наклонной плоскости
// ПММ. 2012. Т. 76. Вып. 3. С. 418-428.
= Vasil'ev A.Yu., Chashechkin Yu.D.
Three-dimensional periodic flows of an inhomogeneous fluid in the case of oscillations of part of an inclined plane
// J. Appl. Math. Mech. 2012. V. 76. No. 3. P. 302-309.
DOI: 10.1016/j.jappmathmech.2012.07.006
- Houcine H., Chashechkin Yu.D., Fraunie Ph., Fernando H., Gharbi A., Lili T.
Numerical modeling of the generation of internal waves by uniform stratified flow over a thin vertical barrier
// International Journal for Numerical Methods in Fluids. 2012. V. 68. No. 4. P. 451-466.
DOI: 10.1002/fld.2513
- Степанова Е.В., Чаплина Т.О., Трофимова М.В., Чашечкин Ю.Д.
Структурная устойчивость процесса переноса вещества в составном вихре
// Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48. № 5. С. 578-590.
= Stepanova E.V., Trofimova M.V., Chaplina T.O., Chashechkin Y.D.
Structural stability of substance transport in a compound vortex
// Izvestiya. Atmospheric and Oceanic Physics. 2012. V. 48. No. 5. P. 516-527.
DOI: 10.1134/S000143381205009X
- Бардаков Р.Н., Кистович А.В., Чашечкин Ю.Д.
Расчет скорости звука в стратифицированной морской среде на основе фундаментальной системы уравнений
// Океанология. 2010. Т. 50. № 3. С. 325-333.
= Bardakov R.N., Kistovich A.V., Chashechkin Yu.D.
Calculation of the sound velocity in stratified seawater based on a set of fundamental equations
// Oceanology. 2010. V. 50. No. 3. P. 297-305.
DOI: 10.1134/S000143701003001X
- Васильев А.Ю., Чашечкин Ю.Д.
Затухание свободных колебаний шара нейтральной плавучести в вязкой стратифицированной жидкости
// ПММ. 2009. Т. 73. Вып. 5. С. 776-786.
= Vasil'ev A.Yu., Chashechkin Yu.D.
Damping of the free oscillations of a neutral buoyancy sphere in a viscous stratified fluid
// J. Appl. Math. Mech. 2009. V. 73. No. 5. P. 558-565
DOI: 10.1016/j.jappmathmech.2009.11.008
- Чашечкин Ю.Д.
Лабораторное моделирование динамических процессов в океане
В кн.: Роль российской науки в создании отечественного подводного флота. Под ред акад. А.А. Саркисова. М.: Наука. 2008. С. 369-375.
- Бардаков Р.Н., Миткин В.В., Чашечкин Ю.Д.
Тонкая структура стратифицированного течения вблизи пластины
// ПМТФ. 2007. Т. 48. № 6. С. 77-91.
= Bardakov R.N., Mitkin V.V., Chashechkin Yu.D.
Fine structure of a stratified flow near a flat-plate surface
// Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2007. V. 48. No. 6. P 840-851
DOI: 10.1007/s10808-007-0108-6
Экспериментальное оборудование
УИУ "ГФК ИПМех РАН": Гидрофизический комплекс для моделирования гидродинамических процессов в окружающей среде и их воздействия на подводные технические объекты, а также распространения примесей в океане и атмосфере.
Информация на апрель 2021 г.
|