Гос.рег. №01.20.03
02941
Научный руководитель: к.ф.-м.н. А.С.Петросян
Исследована возможность применения метода крупных вихрей (LES) для изучения перемежаемых свойств турбулентных течений сжимаемой магнитной жидкости и потенциальные возможности различных параметризаций подсеточных явлений путем сравнения с результатами прямого численного моделирования (DNS). Метод крупных вихрей является эффективной альтернативой методу DNS для течений с большими числами Рейнольдса, однако использованием процедуры фильтрации фактически исключает из вычислений мелкомасштабную часть турбулентного течения, на масштабах которых и проявляется негауссовость. Именно поэтому потенциальные возможности метода LES для моделирования различных перемежаемых турбулентных течений требовали дополнительных исследований. Показано, что выбор подсеточной параметризации для пологости и асимметрии более важен, чем для магнитного поля. Продемонстрировано, что метод LES обеспечивает адекватные результаты и может быть использован для изучения функции плотности вероятности в МГД турбулентности при различных числах подобия.
к.ф.-м.н. Петросян А.С. тел.: 333-5448 Е.мэйл: apetrosy@iki.rssi.ru
Получена система сжимаемых МГД уравнений для электро- и теплопроводящей жидкости, включающая уравнение энергии в форме уравнения сохранения полной энергии. Рассмотрены три различных случая: с малым числом Маха Ms, с умеренным значением Ms и режим сверхзвукового течения. Подробно рассмотрены и предложены параметризации для принципиально новых дополнительных подсеточных слагаемых в уравнении энергии после процедуры фильтрации вследствие наличия сжимаемости и магнитного поля.
к.ф.-м.н. Чернышов А.А. тел.:
333-5448 Е.мэйл:
achernyshov@iki.rssi.ru
Проведено численное трехмерное моделирование сжимаемой МГД турбулентности локальной межзвездной среды. Показано, что флуктуации плотности являются пассивным скаляром в поле фоновой турбулентности, то есть спектр кинетической энергии и спектр флуктуаций демонстрируют спектр колмогоровского типа. Также исследована анизотропия межзвездной турбулентности и намагниченность плазмы.
к.ф.-м.н. Чернышов А.А. тел.:
333-5448 Е.мэйл:
achernyshov@iki.rssi.ru
Разработан метод крупных вихрей для сжимаемой МГД турбулентности, вынуждаемой внешней силой, в физическом пространстве. Предложена теория «линейного форсинга» на случай сжимаемой МГД турбулентности. Основная идея заключается в добавлении силы, которая пропорциональная флуктуирующей скорости. Это соответствует турбулентности с вынуждающей силой, вызванной средним градиентом скорости, то есть сдвигом. Эта сила появляется как одно из слагаемых в уравнении для флуктуирующей скорости, которое соответствует члену генерации турбулентности в уравнении для турбулентной кинетической энергии. Данный подход обобщен на случай сжимаемого МГД течения электропроводящей жидкости. Получены формулы для внешней силы в уравнении сохранения количества движения и в уравнении магнитной индукции для моделирования МГД турбулентности в физическом пространстве.
к.ф.-м.н. Петросян А.С. тел.: 333-5448 Е.мэйл: apetrosy@iki.rssi.ru
Численно
исследованы масштабно-инвариантные спектры сжимаемой МГД турбулентности
космической плазмы. Получены результаты расчетов сжимаемых турбулентных МГД течений методом крупных вихрей при различных начальных
условиях. Изучены два случая: в начальный момент времени кинетическая
энергия намного больше магнитной энергии и случай равенства магнитной и
кинетической энергии. Для первого случая получен спектр колмогоровского
типа для полной энергии, в то время как во втором случае наблюдается спектр Ирошникова-Крайчнана при моделировании сжимаемой МГД
турбулентности (Рис.1).
Рис.1 Временная
динамика кинетической и магнитной энергии, спектр для
полной энергии. Слева графики для случая 
, справа для случая 
к.ф.-м.н. Карельский К.В. тел.: 333-5448 Е.мэйл: kkarelsk@iki.rssi.ru
Разработан конечно-объёмный метод решения уравнения Власова для случая 6-мерного фазового пространства для исследования кинетической турбулентности космической плазмы и плазмы термоядерного реактора. Предложенный метод позволит решать задачи со сложной геометрией и не отслеживать разрывы.
к.ф.-м.н. Карельский К.В. тел.: 333-5448 Е.мэйл: kkarelsk@iki.rssi.ru
Разработан
метод решения системы уравнений Власова-Максвелла, основанный на пошаговом
решении уравнения Власова и использовании его результатов для решения системы
Максвелла и наоборот.
к.ф.-м.н. Карельский К.В. тел.: 333-5448 Е.мэйл: kkarelsk@iki.rssi.ru
В
линейном приближении методом Бубнова-Галеркина решена
задача о возникновении термохалинной конвекции в слое
слабосжимаемой жидкости на фоне линейного профиля
температуры и солености. Получена нейтральная кривая, которая согласуется с
решением задачи в приближении Буссинеска.
к.ф.-м.н. Петросян А.С. тел.: 333-5448 Е.мэйл: apetrosy@iki.rssi.ru
Для
исследования турбулентных движений несжимаемой магнитной жидкости использовался
метод быстрых искажений (Rapid Distortion Theory,
RDT). Используя
полученные ранее уравнения для флуктуаций поля скорости и магнитного поля, получена система уравнений для нахождения
спектров МГД-турбулентности в случае наличия
однородного сдвигового течения и постоянного магнитного поля. Получены графики
изменения спектров МГД-турбулентности как функции
времени в зависимости от различных параметров: величины внешнего магнитного
поля, параметра сдвига, плотности жидкости. Обнаружено, что в приближении
нулевой вязкости (бесконечное число Рейнольдса) и
отсутствии внешнего магнитного поля спектр турбулентности возрастает, начиная с
некоторого момента времени и до временных пределов применимости RDT. В то же время, наличие
внешнего магнитного поля, перпендикулярного плоскости сдвига, стабилизирует
спектр, вызывая лишь незначительное его возрастание для малых волновых чисел k.
к.ф.-м.н. Петросян А.С. тел.: 333-5448 Е.мэйл: apetrosy@iki.rssi.ru
Предложено
конечно-разностное представление, описывающее силу Кориолиса в численных
методах Годуновского типа для течений вращающейся
мелкой воды. Предложены конечно-разностные схемы для моделирования течений, как
на ровной подстилающей поверхности, так и для подстилающей поверхности
произвольного профиля. Влияние силы Кориолиса моделируется введением фиктивной
нестационарной границы. Разработанные численные алгоритмы основаны на
представлении произвольной подстилающей поверхности и силы Кориолиса
комплексной нестационарной ступенчатой границей. Для
численной аппроксимации источниковых слагаемых
вследствие неоднородности подстилающей поверхности и влияния силы Кориолиса
применена квазидвухслойная модель течения жидкости
над ступенчатой границей, учитывающая гидродинамические особенности течений
мелкой воды в ее окрестности. Это позволяет дать наглядную интерпретацию
нелинейных процессов, вызванных неоднородностью дна и фиктивной нестационарной
границей, описывающей силу Кориолиса. Использование квазидвухслойной
модели обеспечивает лучшее приближение к исходным уравнениям Эйлера при наличии
источниковых членов. Осуществлен сравнительный анализ
с известными конечно-разностными схемами, описывающими вращение и
неоднородность профиля дна, и выполнены расчеты, показывающие эффективность
предложенного метода.
к.ф.-м.н. Славин А.Г. тел.: 333-5448 Е.мэйл: slavin@iki.rssi.ru
Предложен
численный метод для изучения течений жидкости над сложным профилем дна в
присутствии внешней силы. Произвольный профиль дна аппроксимируется
кусочно-постоянной функцией, разбивающей его на конечное число областей со
ступенчатой границей. Для реализации указанного метода и для учета влияния
внешней силы использована квазидвухслойная модель
течений жидкости над ступенчатой границей с учетом особенностей течения
вблизи ступеньки. На основе предложенного алгоритма осуществлено
численное моделирование различных физических явлений, таких как падение
прямоугольного столба жидкости над наклонной плоскостью, крупномасштабное
движение жидкости (газа) в поле силы тяжести в присутствии силы Кориолиса над
подстилающей поверхностью в виде горы (Рис.2). Проведены расчеты и выполнено
сравнение с лабораторным экспериментом задачи о разрушении двумерной дамбы над
наклонной подстилающей поверхностью (Рис.3).
Рис. 2.Эволюция течения жидкости под влиянием силы
Кориолиса над горой; верхние графики – поля скоростей, нижние – свободная
поверхность.
Рис.3. Зависимости глубины жидкости от времени в
различных контрольных точках. Прерывная линия – результат, полученный WAF методом, серая сплошная линия – результат измерений в
лабораторном эксперименте. Черная жирная линия – результат расчета квазидвухслойным методом.
к.ф.-м.н. Славин А.Г. тел.: 333-5448 Е.мэйл: slavin@iki.rssi.ru
Тема ДИАГНОСТИКА Диагностика поверхностей объектов Солнечной системы по
изучению вторичных эффектов,
возникающих под активным воздействием искусственного или природного
происхождения
Гос.рег. № 0120.0
501195
Научный руководитель: д-ф.-м.н.
Манагадзе Г.Г.
Плазменные и столкновительные процессы метеоритного удара и предыстория
жизни.
Создана новая концепция о возникновении условий, необходимых для формирования первичных форм живой материи в плазменных и стоолкновительных процессах, сопровождающих сверхскоростной удар метеоритов по поверхности Земли.
Результаты лабораторных опытов по моделированию процессов удара однозначно показывают, что в плазменном факеле, генерируемого в ударных воздействиях одновременно с процессом синтеза происходит упорядочение молекулярных структур органических соединений.
В экспериментах по исследованию физических полей факельной плазмы отчетливо наблюдаются признаки нарушения симметрии в локальных хиральных физических полях и под воздействием спонтанных процессов, которые способны привести к сильным нарушениям зеркальной симметрии при зарождении энантиомеров.
Концепция позволяет объяснить механизмы синтеза органических соединений в газопылевых облаках в процессе сверхскоростных соударений частиц пыли, а так же возможность возникновения внеземных форм жизни в недрах небесных тел с экстремальной поверхностной и умеренной температурой на глубине при наличии воды.
Концепция основана на реальных процессах, происходящих при ударных взаимодействиях, на материальных свидетельствах, наблюдаемых в условиях природы и достоверной информации возникновения новых соединений в плазмохимических процессах.
Экспериментально показано, что плазменный факел, возникающий в процессе сверхскоростного метеоритного удара, обладает исключительными свойствами, которые ранее не были известны. В лабораторных опытах, моделирующих процессы взрывоподобного разлета факела, плазменная среда обеспечивает синтез органических соединений, их сборку и упорядочение. Опытным путём были обнаружены физические свойства плазменной среды факела. Они позволяют предложить гипотетическую модель механизма нарушения симметрии возникающей в образованной в процессе разлёта плотной, горячей и неравновесной плазме. Согласно этой модели и неравновесные электрические и магнитные поля, генерируемые в факельной плазме, изначально асимметричны, и однонаправлены, Они отвечают основным требованиям локальных хиральных физических полей, и могли обеспечить умеренное нарушение зеркальной симметрии продуктов синтеза. Однако эти поля могли являться также «удерживающими» полями для спонтанных процессов приводящих к сильному нарушению симметрии плазменной среды и обеспечить условия для сборки гомохиральных молекулярных структур. Более того, они могли определить и «знак» асимметрии биоорганического мира. Показано, что сочетание этих важнейших свойств факельной плазмы могли способствовать возникновению условий для появления первичных форм живой материи обладающих способностью репликации, и наделённых примитивным генетическим кодом.
Показано, что в результате падения крупного метеорита в его ударном кратере могли возникнуть начальные условия необходимые для выживания и эволюционного развития простейших форм жизни на многие сотни тысяч и миллионов лет и заключающиеся в наличии воды при умеренной температуре и высокой концентрации органических соединений.
Обосновано предположение, что наличие простых органических соединений в межзвёздных газово-пылевых облаках также может быть объяснён процессами их синтеза в плазменном факеле, возникающем при сверхскоростных соударениях частиц пыли.
Предложенная концепция основана на реальных событиях, протекающих в природе, и на существующих представлениях об условиях, царивших на ранней Земле. Кроме того, она подтверждена материальными свидетельствами, обнаруженными в результате исследований проведёнными в последнее время.
Новая концепция возникновения первичных форм живой материи преимущественно опирается на плазмохимические процессы в факеле. Известно, что плазменная среда обладает очень высокой каталитической активностью, поэтому её наличие могло существенно сократить время, необходимое для возникновения простейшего живого существа. И это могло происходить причем без наличия атмосферы и участия энергии Солнца.
Основные идеи новой концепции подтверждены результатами лабораторных экспериментов, моделирующих процессы, происходящие в плазменном факеле ударной природы, с помощью лазерного воздействия
Экспериментально показано, что факел, возникающий под воздействием лазерного излучения, является полным аналогом факела, генерируемого в процессе сверхскоростного удара. Показано, что плазменный факел ударной природы точно и корректно воспроизводится в лабораторных экспериментах с помощью воздействия лазера, работающего в режиме импульсной добротности. Это создает условие для всестороннего исследования плазмы ударного факела.
Г. Г. Манагадзе. «Плазма метеоритного удара и добиологическая эволюция». Книга издана при поддержке гранта РФФИ в 2009 году.