Отчет ИВМ СО РАН за 2004 год

Программы РАН

• Президиум РАН
• Проект № 17 «Разработка технологий применения нанопорошков химических соединений для повышения механических свойств металлоизделий»
• Проект № 12 «Исследование влияния крупных океанических течений на климат Сибири»
• Проект № 7 «Моделирование нестационарных процессов в упругопластических и сыпучих средах на многопроцессорных вычислительных системах»
• Отделение математических наук
• Отделение физических наук
• Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления

Президиум РАН

Программа № 8
«Фундаментальные проблемы физики и химии наноразмерных систем и наноматериалов»

Научный руководитель:
д.т.н., проф. Г. Г. Крушенко

Этап:
«Определение сплавов, технологии получения литых изделий и виды нанопорошков для проведения исследований. Разработка технологии введения нанопорошка в расплавы при литье фасонных отливок и слитков. Разработка конструкции установки для введения нанопорошков в расплавы в непрерывном режиме при литье слитков полунепрерывным способом. Разработка методики и проведение экспериментов в лабораторных и промышленных условиях. Проведение физико-механических испытаний на полученных материалах»

1. Сплавы и нанопорошки для исследований

Исследование проведено на алюминиевых сплавах и на чугунах.

Алюминиевых сплавы: 1) литейные АК7; АК7ч; АК9ч; АК11М2; АК12 и АМ5 и 2) деформируемые (Д1, Д16 и АМг6). Исследования на чугунах проводили на марках СЧ15, ИСЦ и СЧС-1С.

Применяемое в настоящее время модифицирование сплавов не всегда обеспечивает получение мелкокристаллического и однородного строения отливок и слитков по всему объему металла, что занижает механические технологические свойства.

В связи с этим проведены исследования в направлении выбора таких модифицирующих добавок, которые могут обеспечить высокий уровень измельчения структуры указанных сплавов, а, следовательно, и соответствующий уровень механических и технологических характеристик. В качестве таких добавок были выбраны нанопорошки химических соединений (нитриды, карбонитриды, карбиды, бориды, оксиды и др.) и разработаны способы их введения в расплав как при фасонном литье отливок, так и при полунепрерывном литье слитков.

Для проведения исследований были изучены НП AlN; Al₂O₃ (получен методом плазмохимического синтеза и электровзрывным способом); B₄C; B₄C (с примесью BN + Si); BN; Cr₃C₁₆N_0,4 (c примесью Cr₂O₃ + С) Cr₂O₃; HfB₂; HfN; LaB₆; SiC; SiC (с примесью SiO₂); SiC (c примесью SiO₂ + Si); Si₃N₄; TaN; TiC_xN_y; TiC_xN_yO_z; TiN; TiO₂; Ti₅Si₃: VC; VC_0,75 N_0,25 (с примесью V₂O₃); ZrB₂ и алмазно-графитовый НП (получен методом ударно волнового синтеза), все остальные НП получены методом плазмохимического синтеза.

2. Технология изготовления модифицирующей композиции

Ввиду того, что частицы нанопорошков (НП) имеют очень малые размеры (до 100 нанометров), обращение с ними и их введение в расплав вызывает трудности из-за их легкой воспламеняемости, взрывоопасности, несмачиваемости металлом. В связи с этим не представляется возможным их «прямое» введение в жидкий металл.

Был разработан надежный способ введения НП в расплав, заключающийся в следующем. В алюминиевый тонкостенный контейнер емкостью 5 л засыпали частицы алюминия и НП и закрывали его крышкой. Затем контейнер подвергали вращению в устройстве с эксцентричными осями, в результате чего частицы алюминия покрывались частицами НП. После этого контейнер подвергали на гидравлическом прессе экструзии, в результате которой получали протяженные прутки разного диаметра (от 5,0 до 9,5 мм). Такие прутки содержали до 3,0% НП.

3. Технологии введения нанопорошков в расплав

При полунепрерывном литье слитков пруток модифицирующий пруток вводили в непрерывном режиме при помощи специально разработанного устройства, которое позволяло регулировать непрерывную подачу прутка из бухты в лунку кристаллизатора со скоростью, обеспечивающей требуемое содержание НП в слитках.

Кроме того, был разработан кассетный питатель для подачи в лунку кристаллизатора плоских экструдированных фрагментов, содержащих НП.

При литье фасонных отливок в заливочный ковш перед заливкой вводили порционно такое количество прутка, которое обеспечивало содержание НП в отливках ниже уровня оговоренного технической документацией содержания примесей.

3.1. Автоматизация подачи модифицирующего прутка в алюминиевые расплавы при литье слитков полунепрерывным способом

С целью автоматизации процесса и регулирования скорости введения модифицирующего прутка, содержащего нанопорошки, в лунку кристаллизатора установки для литья слитков была сконструирована и изготовлена специальная установка. Система автоматической подачи прутка вписывается в АСУ ТП литья слитков.

Установку для автоматической подачи прутка успешно испытывана при литье прямоугольных крупногабаритных слитков сечением 400 х 1560 мм из алюминия марки А7 при максимальной скорости литья слитка (70 мм/мин).

3.2. Кассетный питатель для подачи в лунку кристаллизатора плоских отрезков модифицирующего материала содержащих нанопорошки

Кассетный питатель состоит из плоской коробчатой обоймы, в которой помещаются вертикально в один ряд параллельно друг другу плоские отрезки модифицирующей композиции. Подача отрезков в расплав осуществляется с помощью системы роликов.

Для введения НП в расплав при литье фасонных отливок было разработано устройство для «прямого» («непруткового») введения НП в расплав с использованием ультразвуковых колебаний.

Основные публикации:

1. Генерация низкотемпературной плазмы и плазменные технологии. Проблемы и перспективы / Даутов Г. Ю., Тимошевский А. Н., Урюков Б. А., Крушенко Г. Г. и др.
   - Новосибирск: Наука, СП РАН, 2004. — 406 с.

2. Krushenko G. G., Moskvichev V. V., Burov A. E.
   Strengthening of steel pieces by plasma siliconising // Proc. 12-th Int. Conf. on methods of aerophysical research (ICMAR 2004). — Novosibirsk: ITAM. — 2004. — P. 33-35.

3. Буров А. Е., Крушенко Г. Г., Москвичев В. В.
   Оценка прочности алюминиевого волокнистого композита, полученного с использованием нанопорошков // Вычислительные технологии. — 2004. — Т. 9. — Вестник КазНУ им. аль-Фараби. Сер. Математика, механика, информатика. — № 3 (42). — (Совм. выпуск. — Ч. 2). — С. — С. 353–358.

4. Буров А. Е., Крушенко Г. Г., Москвичев В. В.
   Оценка прочности алюминиевого волокнистого композита, полученного с использованием нанопорошков // Вычислительные технологии. — 2004. — Т. 9. — Вестник КазНУ. — 2004. — № 3. — С. 353–358.

5. Усков И. В., Крушенко Г. Г., Буров А. Е.
   Поверхностное легирование тонкостенных отливок // Технология машиностроения. — 2004. — № 1. — С. 6-8.

6. Юрьева Г. Ю., Крушенко Г. Г.
   Приготовление сплава типа АЛ4 с применением нанопорошка нитрида титана при литье обтекателя // Материалы VIII Всерос. науч. конф. «Решетневские чтения». — Красноярск: СибГАУ. — 2004. — С. 114–115.

(Отдел машиноведения)

Программа № 13.
«Изменения окружающей среды и климата: природные катастрофы»

Научный руководитель:
чл.-корр. РАН В. В. Шайдуров

Задача приемлемого прогноза параметров вращения Земли (прецессии, нутации, изменения координат оси суточного вращения, отклонения суточного хода) имеет исключительное значение для современной жизнедеятельности, в том числе для климатических прогнозов.

Для выяснения степени влияния гравитационных и собственных колебаний Мирового океана на параметры вращения Земли был разработан математический аппарат, в основе которого лежит гидродинамическая модель мелкой воды, сводящая трехмерное уравнение Навье-Стокса к системе нестационарных двумерных уравнений в гидростатическом приближении по вертикали с учетом сил Кориолиса.

Система полученных уравнений (часто называемая приливными уравнениями Лапласа) решалась приближенно с помощью метода конечных элементов. Для этого была построена триангуляция, аналогичная географической, в координатах «широта» — «долгота» со смещенными полюсами во избежание чрезмерного сгущения триангуляции в рабочей области и вырождения якобиана преобразования координат. Триангуляция Мирового океана выполнялась адаптивным образом с несколькими различными степенями сгущения и аппроксимации границы. В качестве конечных элементов использовались элементы, линейные на треугольниках. Глубины океана брались с пятиминутным разрешением по широте и долготе с последующей линейной интерполяцией.

Вычислительный эксперимент показал, что распространение возмущений в Мировом океане не превышает по длительности 50-ти суток. Вместе с тем, на настоящий момент времени главные компоненты погрешности определения нутации Земли имеют ярко выраженные периоды в полгода, год и более. Поэтому, на наш взгляд, гидродинамические гравитационные и свободные колебания Мирового океана вносят малоощутимый вклад в нутацию Земли и не влияют на необходимую точность ее определения, но в рамках современных требований точности влияет на суточное вращение Земли.

Для более точного прогноза взаимного положения Земли, Луны и Солнца создан программный комплекс по высокоточному прогнозу движения планет Солнечной системы, Солнца и Луны в поле тяготения как материальных точек.

Проанализированы многолетние изменения концентрации хлорофилла в поверхностном слое Мирового океана на основе анализа данных CZCS за 7.5 лет и данных SeaWiFS с 1997 по 2004 гг. Наиболее интересной выявленной особенностью является разная направленность многолетних трендов (постоянное увеличение или уменьшение), которая не может быть объяснена только крупными гидрологическими явлениями в океане (течениями, апвеллингами и т.п.). Еще одна особенность — различие трендов, обнаруженных в период работы CZCS, по сравнению с трендами, рассчитанными на основе данных SeaWiFS. Полученные результаты дают возможность выявления роли биоты океана в глобальном газообмене биосферы.

Анализ сезонной и многолетней динамики фитопигментов как индикаторной для выявления динамики вод дал большое количество дополнительного материала для выяснения стационарности распределения фронтальных зон в океане, определения локальных и региональных неоднородностей в гидрологической структуре океана.

С применением разработанной в Институте вычислительного моделирования СО РАН геоинформационной системы «История климата Сибири» проведена типизация климатических изменений на территории Сибири и Дальнего Востока. Для всех станций, расположенных на территории Сибири, рассчитаны тренды среднемесячных температур за каждый из 12 месяцев за период с 1936 по 1990 гг. Выделены основные географические зоны, внутри которых для большей части станций формы кривых, образованных значениями трендов по месяцам, более или менее сходны, что свидетельствует о едином характере климатических изменений, происходящих на этой территории.

Для анализа аномалий климата на территории Сибири были использованы результаты классификации климатических процессов. В результате классификации на территории Сибири были выделены площади, соответствующие полученным классам и проведен корреляционный анализ аномалий температуры на выделенных площадях и аномалий концентрации хлорофилла в глобальном масштабе.

Было обнаружено, что относительно высоких значений (до 0.8) коэффициент корреляции достигает при выделении весеннего и осеннего сезона: март, апрель, май, июнь, август, сентябрь, октябрь. Добавление в исходную выборку данных июля или зимних месяцев резко снижает абсолютные значения коэффициента корреляции. Также важен размер территорий, на которых рассчитываются коэффициенты корреляции. Так, исходя из результатов классификации климатических процессов на территории Сибири и априорных знаний о масштабах океанических явлений, средние значения аномалий температур рассчитывались на площади 10°×10°, а концентрации хлорофилла усреднялись на квадратах 100×100 пикселей (пиксел на экваторе представляет квадрат 9×9 км). При использовании средних значений на меньших территориях столь высоких абсолютных значений коэффициента корреляции не наблюдается.

Основные публикации:

1. Shevyrnogov A., Vysotskaya G., Shevyrnogov E.
   A study of the stationary and the anomalous in the ocean surface chlorophyll distribution by satellite data // Int. J. of Remote Sensing. — 2004. — Vol. 25. — № 7-8. — P. 1383–1387.

2. Shevyrnogov A., Vysotskaya G., Shevyrnogov E.
   Spatial and temporal anomalies of sea surface temperature in global scale (by space-based data) // Аdvances in Space Research. — 2004. — Vol. 33. — № 7. — Р. 1179–1183.

3. Shevyrnogov A., Vysotskaya G., Shevyrnogov E.
   Results of analysis of spatial and temporal long-term stability of quasistationary areas in the Atlantic Ocean based on multi-satellite measurements (CZCS and SeaWiFS data) // Аdvances in Space Research. — 2004. — Vol. 33. — № 7. — Р. 1184–1188.

(Отделы вычислительной математики, прикладной информатики)

Программа № 17
«Параллельные вычисления на многопроцессорных вычислительных системах»

Руководитель:
д.ф.-м.н., проф. В. М. Садовский

Разработан комплекс программ для численного исследования двумерных (плоских, осесимметричных) задач динамики слоистых и блочных массивов сыпучей среды с упругими и пластическими свойствами на многопроцессорных вычислительных системах. Комплекс состоит из программы-препроцессора, основной программы расчета полей скоростей и напряжений, подпрограмм реализации граничных условий и условий склейки решений на несогласованных сетках блоков и программы-постпроцессора. Препроцессор предназначен для подготовки исходных данных задачи в упакованном виде и автоматического их распределения между параллельными вычислительными процессами. Постпроцессор производит специальное прореживание больших массивов данных для обработки результатов счета с помощью математического обеспечения персонального компьютера. Программирование выполнено на алгоритмическом языке Fortran-90 с использованием библиотеки MPI по технологии SPMD. Для отладки алгоритма и программ проведены тестовые расчеты ряда задач о распространении волн напряжений в блочных средах. Сравнение результатов расчетов с точными решениями и результатами, полученными на персональном компьютере на основе последовательных программ, показало работоспособность и высокую эффективность параллельного комплекса.

Рис. 1. Волны напряжений, вызванные периодической импульсной нагрузкой.

Основные публикации:

1. Садовский В. М.
   Реологические модели разномодульных и сыпучих сред // Дальневосточный математический журнал. — 2003. — Т. 4. — № 2. — С. 252–263.

2. Садовская О. В.
   Метод сквозного счета для исследования упругопластических волн в сыпучей среде // Журнал вычислительной математики и математической физики. — 2004. — Т. 44. — № 10. — С. 909–1920.

3. Sadovski V. M., Sadovskaya O. V.
   Mathematical Modeling of the Granular Medium Dynamics on Multiprocessor Computing Systems // Abstr. VI Int. Congress on Mathematical Modeling. Book of Abstr. — N. Novgorod. — 2004. — P. 338.

(Отдел вычислительной механики деформируемых сред)