All issues

Данная работа посвящена численному исследованию высокоскоростных слоев смешения сжимаемых потоков. Рассматриваемая задача имеет широкий спектр применения в практических задачах и, несмотря на кажущуюся простоту, является достаточно сложной в плане моделирования, потому что в слое смешения в результате неустойчивости тангенциального разрыва скоростей поток от ламинарного течения переходит к турбулентному режиму. Поэтому полученные численные результаты рассмотренной задачи сильно зависят от адекватности используемых моделей турбулентности. В представленной работе данная задача исследуется на основе двухжидкостного подхода к проблеме турбулентности. Данный подход возник сравнительно недавно и достаточно быстро развивается. Главное преимущество двухжидкостного подхода — в том, что он ведет к замкнутой системе уравнений, тогда как известно, что давний подход Рейнольдса ведет к незамкнутой системе. В работе представлены суть двухжидкостного подхода для моделирования турбулентной сжимаемой среды и методика численной реализации предлагаемой модели. Для получения стационарного решения поставленной задачи применен метод установления и использована теория пограничного слоя Прандтля, которая ведет к упрощенной системе уравнений. В рассматриваемой задаче происходит смешение высокоскоростных потоков. Следовательно, необходимо моделировать также перенос тепла и давление нельзя считать постоянным, как это делается для несжимаемых потоков. При численной реализации конвективные члены в гидродинамических уравнениях аппроксимировались против потока вторым порядка точности в явном виде, а диффузионные члены в правых частях уравнений аппроксимировались центральной разностью в неявном виде. Для реализации полученных уравнений использовался метод прогонки. Для коррекции скорости через давления использован метод SIMPLE. В работе проведено исследование двухжидкостной модели турбулентности при различных начальных возмущениях потока. Полученные численные результаты показали, что хорошее соответствие с известными опытными данными наблюдается при интенсивности турбулентности на входе $0,1 < I < 1 \%$. Для демонстрации эффективности предлагаемой модели турбулентности представлены также данные известных экспериментов, а также результаты моделей $k − kL + J$ и LES. Показано, что двухжидкостная модель по точности не уступает известным современным моделям, а по затрате вычислительных ресурсов является более экономичной.

This work is devoted to the numerical study of high-speed mixing layers of compressible flows. The problem under consideration has a wide range of applications in practical tasks and, despite its apparent simplicity, is quite complex in terms of modeling. Because in the mixing layer, as a result of the instability of the tangential discontinuity of velocities, the flow passes from laminar flow to turbulent mode. Therefore, the obtained numerical results of the considered problem strongly depend on the adequacy of the used turbulence models. In the presented work, this problem is studied based on the two-fluid approach to the problem of turbulence. This approach has arisen relatively recently and is developing quite rapidly. The main advantage of the two-fluid approach is that it leads to a closed system of equations, when, as is known, the long-standing Reynolds approach leads to an open system of equations. The paper presents the essence of the two-fluid approach for modeling a turbulent compressible medium and the methodology for numerical implementation of the proposed model. To obtain a stationary solution, the relaxation method and Prandtl boundary layer theory were applied, resulting in a simplified system of equations. In the considered problem, high-speed flows are mixed. Therefore, it is also necessary to model heat transfer, and the pressure cannot be considered constant, as is done for incompressible flows. In the numerical implementation, the convective terms in the hydrodynamic equations were approximated by the upwind scheme with the second order of accuracy in explicit form, and the diffusion terms in the right-hand sides of the equations were approximated by the central difference in implicit form. The sweep method was used to implement the obtained equations. The SIMPLE method was used to correct the velocity through the pressure. The paper investigates a two-liquid turbulence model with different initial flow turbulence intensities. The obtained numerical results showed that good agreement with the known experimental data is observed at the inlet turbulence intensity of $0.1 < I < 1 \%$. Data from known experiments, as well as the results of the $k − kL + J$ and LES models, are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed turbulence model. It is demonstrated that the two-liquid model is as accurate as known modern models and more efficient in terms of computing resources.

В работе проводятся моделирование смеси газов в многокаскадном микронасосе и оценка его эффективности при разделении компонентов смеси. Рассматривается устройство в виде протяженного канала с последовательностью поперечно расположенных пластин, различие температур сторон которых приводит к радиометрическому течению газа внутри. Скорость течения газов зависит от их масс, что приводит к разделению смеси. Моделирование основывается на численном решении кинетического уравнения Больцмана, для чего используется схема расщепления, при которой поочередно осуществляются решения уравнений переноса и задач релаксации. Вычисление интеграла столкновений осуществляется с помощью консервативного проекционного метода, при использовании которого строго выполняются законы сохранения массы, импульса и энергии, и важное асимптотическое свойство — равенство интеграла от максвелловской функции нулю. Для решения уравнения переноса используются явная разностная схема первого порядка точности и TVD-схема второго порядка. Расчеты проводятся для смеси неона и аргона в модели твердых сфер с реальным отношением молекулярных диаметров и масс. Разработана программно-моделирующая среда, которая позволяет проводить расчеты как на персональных компьютерах, так и на многопроцессорных кластерах. Использование распараллеливания приводит к ускорению вычислений относительно последовательной версии и постоянству времени одной итерации для устройств разных размеров, что позволило моделировать системы с большим числом пластин. Подобраны геометрические размеры устройства, при которых разделения смеси оказывается наибольшим. Обнаружено, что величина разделения смеси, то есть отношение концентраций на концах устройства линейно зависит от числа каскадов в устройстве, что дает возможность оценить разделение для многокаскадных систем, компьютерное моделирование которых невозможно. Построены изображения и проведен анализ течений и распределений концентраций газов внутри устройства во время его работы. Показано, что устройства такого вида при достаточно большом числе пластин подходят для разделения газовых смесей, притом что они не имеют движущихся частей и, соответственно, достаточно просты в изготовлении и мало подвержены износу.

The paper simulates a mixture of gases in a multi-stage micro-pump and evaluates its effectiveness at separating the components of the mixture. A device in the form of a long channel with a series of transverse plates is considered. A temperature difference between the sides of the plates induces a radiometric gas flow within the device, and the differences in masses of the gases lead to differences in flow velocities and to the separation of the mixture. Modeling is based on the numerical solution of the Boltzmann kinetic equation, for which a splitting scheme is used, i. e., the advection equation and the relaxation problem are solved separately in alternation. The calculation of the collision integral is performed using the conservative projection method. This method ensures the strict fulfillment of the laws of conservation of mass, momentum, and energy, as well as the important asymptotic property of the equality of the integral of the Maxwell function to zero. Explicit first-order and second-order TVD-schemes are used to solve the advection equation. The calculations were performed for a neon-argon mixture using a model of solid spheres with real molecular diameters and masses. Software has been developed to allow calculations on personal computers and cluster systems. The use of parallelization leads to faster computation and constant time per iteration for devices of different sizes, enabling the modeling of large particle systems. It was found that the value of mixture separation, i. e. the ratio of densities at the ends of the device linearly depends on the number of cascades in the device, which makes it possible to estimate separation for multicascade systems, computer modeling of which is impossible. Flows and distributions of gas inside the device during its operation were analyzed. It was demonstrated that devices of this kind with a sufficiently large number of plates are suitable for the separation of gas mixtures, given that they have no moving parts and are quite simple in manufacture and less subject to wear.

В работе исследуется процесс самосогласованной релаксации области возмущений, созданных в разреженной бинарной низкотемпературной плазме неподвижным заряженным шаром или цилиндром с абсорбирующей поверхностью. Особенностью подобных задач является их самосогласованный кинетический характер, при котором нельзя отделить процессы переноса в фазовом пространстве и формирования электромагнитного поля. Представлена математическая модель, позволяющая описывать и анализировать состояние газа, электрическое и тепловое поле в окрестности тела. Многомерность кинетической формулировки создает определенные проблемы при численном решении, поэтому для задачи подобрана криволинейная система неголономных координат, которая минимизирует ее фазовое пространство, что способствует повышению эффективности численных методов. Для таких координат обоснована и проанализирована форма кинетического уравнения Власова. Для его решения использован вариант метода крупных частиц с постоянным форм-фактором. В расчетах применялась подвижная сетка, отслеживающая смещение в фазовом пространстве носителя функции распределения, что дополнительно уменьшило объем контролируемой области фазового пространства. Раскрыты ключевые детали модели и численного метода. Модель и метод реализованы в виде кода на языке Matlab. На примере решения задачи для шара показано наличие в возмущенной зоне существенного неравновесия и анизотропии в распределении частиц по скорости. По результатам расчетов представлены картины эволюции структуры функции распределения частиц, профилей основных макроскопических характеристик газа — концентрации, тока, температуры и теплового потока, характеристик электрического поля в возмущенной области. Установлен механизм разогрева притягивающихся частиц в возмущенной зоне и показаны некоторые важные особенности процесса формирования теплового потока. Получены результаты, хорошо объяснимые с физической точки зрения, что подтверждает адекватность модели и корректность работы программного инструмента. Отмечаются создание и апробация основы для разработки в перспективе инструментов решения и более сложных задач моделирования поведения ионизированных газов вблизи заряженных тел.

Работа будет полезной специалистам в области математического моделирования, процессов тепло- и массообмена, физики низкотемпературной плазмы, аспирантам и студентам старших курсов, специализирующимся в указанных направлениях.

The work investigates the process of self-consistent relaxation of the region of disturbances created in a rarefied binary low-temperature plasma by a stationary charged ball or cylinder with an absorbing surface. A feature of such problems is their self-consistent kinetic nature, in which it is impossible to separate the processes of transfer in phase space and the formation of an electromagnetic field. A mathematical model is presented that makes it possible to describe and analyze the state of the gas, electric and thermal fields in the vicinity of the body. The multidimensionality of the kinetic formulation creates certain problems in the numerical solution, therefore a curvilinear system of nonholonomic coordinates was selected for the problem, which minimizes its phase space, which contributes to increasing the efficiency of numerical methods. For such coordinates, the form of the Vlasov kinetic equation has been justified and analyzed. To solve it, a variant of the large particle method with a constant form factor was used. The calculations used a moving grid that tracks the displacement of the distribution function carrier in the phase space, which further reduced the volume of the controlled region of the phase space. Key details of the model and numerical method are revealed. The model and the method are implemented as code in the Matlab language. Using the example of solving a problem for a ball, the presence of significant disequilibrium and anisotropy in the particle velocity distribution in the disturbed zone is shown. Based on the calculation results, pictures of the evolution of the structure of the particle distribution function, profiles of the main macroscopic characteristics of the gas — concentration, current, temperature and heat flow, and characteristics of the electric field in the disturbed region are presented. The mechanism of heating of attracted particles in the disturbed zone is established and some important features of the process of formation of heat flow are shown. The results obtained are well explainable from a physical point of view, which confirms the adequacy of the model and the correct operation of the software tool. The creation and testing of a basis for the development in the future of tools for solving more complex problems of modeling the behavior of ionized gases near charged bodies is noted.

The work will be useful to specialists in the field of mathematical modeling, heat and mass transfer processes, lowtemperature plasma physics, postgraduate students and senior students specializing in the indicated areas.

В статье исследуется возможность обнаружения следов опасных веществ (взрывчатых и наркотических) на основе детекции их паров в воздухе. Актуальность работы обусловлена задачами противодействия террористическим угрозам и наркотрафику, где критически важно определять даже следовые количества веществ. Основное внимание уделено математическому моделированию испарения тонкого слоя вещества с поверхности, основанному на молекулярно-кинетической теории. Предложена универсальная модель, учитывающая физико-химические свойства веществ, температуру окружающей среды, адгезию к поверхности и начальную массу слоя. На основе уравнений Герца – Кнудсена – Ленгмюра и Клаузиуса – Клапейрона получены аналитические выражения для времени полного испарения, предельной массы паров и динамики процесса. Выявлен безразмерный параметр $\gamma$, определяющий предельные условия испарения. Показано, что адгезия вещества (коэффициент $\alpha$) влияет на скорость испарения, но не на конечную массу паров. Проведены расчеты для шести модельных веществ (TNT, RDX, PETN, амфетамин, кокаин, героин) с широким диапазоном свойств. Установлено, что при комнатной температуре и поверхностной концентрации 100 нг/см2 большинство веществ испаряются полностью, за исключением RDX, который остается на поверхности на 84%. Время испарения варьируется от долей секунды (амфетамин) до нескольких часов (героин). Для веществ с низкой летучестью определена максимальная масса, способная испариться при заданных условиях. Новизна работы заключается в разработке универсальной модели, применимой для широкого класса опасных веществ, и в выявлении ключевых параметров, определяющих процесс испарения. Полученные результаты позволяют оценить пределы обнаружения следов веществ методами, основанными на регистрации паров, и могут быть использованы при проектировании систем безопасности.

The article investigates the possibility of detecting traces of hazardous substances (explosives and narcotics) based on the detection of their vapors in the air. The relevance of the study stems from the need to counter terrorist threats and drug trafficking, where identifying even trace amounts of substances is critical. The focus is on mathematical modeling of the evaporation of a thin substance layer from a surface, based on molecular kinetic theory. A universal model is proposed, accounting for the physicochemical properties of substances, ambient temperature, adhesion to the surface, and the initial mass of the layer. Using the Hertz – Knudsen – Langmuir and Clausius – Clapeyron equations, analytical expressions are derived for the complete evaporation time, maximum vapor mass, and process dynamics. A dimensionless parameter, $\gamma$, is identified, determining the limiting conditions for evaporation. It is shown that substance adhesion (coefficient $\alpha$) affects the evaporation rate but not the final vapor mass. Calculations were performed for six model substances (TNT, RDX, PETN, amphetamine, cocaine, heroin) with a wide range of properties. At room temperature and a surface concentration of 100 ng/cm2, most substances evaporate completely, except for RDX, which remains on the surface at 84%. Evaporation times range from fractions of a second (amphetamine) to several hours (heroin). For low-volatility substances, the maximum mass capable of evaporating under given conditions is determined. The novelty of the work lies in the development of a universal model applicable to a broad class of hazardous substances and in identifying key parameters governing the evaporation process. The results enable the estimation of detection limits for trace substances using vapor-based methods and can be applied in the design of security systems.

Групповое движение малоразмерных подводных аппаратов — важная прикладная задача. В работе приводятся результаты исследования влияния формации группы на характер ее движения. Оценка лобового сопротивления подводных аппаратов и обтекания потоков вокруг них — традиционная и хорошо известная область исследований. Однако выводы, сделанные для единичного робота, не всегда применимы к группе однотипных устройств из-за появляющихся при совместном движении физических эффектов, например волновой тени. Исходя из этого были исследованы гидродинамические характеристики определенных формаций роботов, движущихся как единое целое. В ходе работы изучались гидродинамические параметры систем с двумя основными типами движителей: локомоторными (аналогами рыбьих хвостов) и гребными винтами. Из соображений природоподобия рассматривались формации, аналогичные по структуре рыбьим косякам, затем оценивалась их применимость для роботов разных видов. Была определена связь между скоростью движения группировки и лобовым сопротивлением каждого из ее участников. Математическое моделирование обтекания группировки роботов проводилось при помощи метода конечных объемов двумя программными комплексами (FlowVision и OpenFoam). Показано, что роботы с винтовым движителем при размещении в тесных формациях мешают друг другу, а для локомоторного случая нахождение в зоне возмущения, наоборот, предпочтительно. Также при плохо обтекаемых корпусах отрывающиеся от поверхности потоки могут превращаться в узкие струи, сильно мешающие задним роботам. Установлено, что эффект водяной тени снижает затраты энергии только при малых скоростях движения — около 5 см/с; при больших скоростях движение в колоннах затрудняется для задних роботов. Кроме того, для рыбоподобного движителя не было выявлено большой разницы в лобовом сопротивлении между одиночным роботом и группой. Таким образом, программное моделирование позволило выработать и обосновать рекомендации по оптимизации построений роботов при групповом движении. Полученные результаты могут оказаться полезными для разработки подводных аппаратов, способных работать в группах, и средств управления ими.

The objective of this study is to determine the best formations for the joint movement of a group of small robots in an aquatic environment. Estimation of drag of the flow is a traditional and well-known area of research, but it is not always valid to extend the conclusions made for a single robot to a group of similar devices due to the physical effects that appear during joint movement, such as a wave shadow. For these reasons, it is necessary to study the hydrodynamic characteristics of certain robot formations as a stable structure. The hydrodynamic parameters of systems with two main types of propulsion were studied: locomotive (fishtails) and propellers. Formations similar in structure to schools of fish were mainly considered, and then their applicability for robots of different types was assessed. The relationship between the speed of movement of the group and the drag of each of its participants was also studied. Mathematical modeling of the flow around a group of robots was performed using the finite volume method using two software packages (FlowVision and OpenFoam). Robots with a screw propeller interfere with each other when packed into tight formations, and for the locomotive case, being in the disturbance zone, on the contrary, is preferable. Also, with poorly streamlined bodies, flows separating from the surface can turn into narrow turbulent jets that greatly interfere with the rear robots. It has been established that wake effect reduces energy costs only at low speeds of movement — about 5 cm/s; at high speeds, movement in columns becomes difficult for the rear robots. No large difference in frontal resistance was found between a single robot and a group for a fish-like tail. The studies made it possible to develop and substantiate recommendations for optimizing robot designs for group movement.

В результате численного моделирования впервые определен механизм инициированного кавитацией подъема уровня жидкости в трубках и капиллярах, известного как лазерно-индуцированный светокапиллярный эффект, а также его аналоги — звукокапиллярный и плазмокапиллярный эффекты. Показано, что ключевым условием возникновения подъема жидкости является асимметричное схлопывание относительно крупного одиночного кавитационного пузырька внутри вертикально ориентированной трубки или капилляра. Близость границ (стенки трубки, торца оптоволокона и другие) нарушает сферическую симметрию пузырька при его коллапсе, что приводит к появлению потока жидкости, который замыкается в долгоживущее тороидальное вихревое кольцо (тороидальный вихрь). Вихрь за счет вязкого увлечения окружающей среды генерирует направленное течение жидкости вверх, а также обеспечивает всасывание новой порции жидкости через открытый нижний конец трубки. Результаты моделирования показывают, что характерное время жизни тороидального вихря значительно превышает время стадий роста и схлопывания кавитационного пузырька, который его породил. Показано, что подъем уровня жидкости в трубке начинается не в момент расширения пузырька, а после его полного исчезновения и за счет инерции вихревого движения продолжается на протяжении относительно длительного промежутка времени. Этот результат полностью согласуется с экспериментальными данными, что подтверждает достоверность предложенного механизма. В работе исследована практически значимая конфигурация лазерно-индуцированного светокапиллярного эффекта с использованием оптоволокна. Такая конфигурация открывает широкие перспективы для технических и медицинских приложений, в частности в лазерной хирургии. Исследованный механизм может быть использован для создания кавитационных насосов — эффективных инструментов очистки технических поверхностей и поверхностей ран, где процесс удаления поврежденных тканей и инородных тел в результате температурного воздействия будет сопровождаться удалением продуктов очистки через трубку, что существенно повышает эффективность и безопасность процедуры. Полученные результаты представляют собой первое непротиворечивое объяснение класса кавитационно-индуцированных капиллярных явлений и создают основу для их контролируемого применения в биомедицинских и микрофлюидных технологиях.

For the first time, numerical modeling has determined the mechanism of the initiated-by-cavitation rise of the liquid level in tubes and capillaries, known as the laser-induced optocapillary effect, as well as its analogues — the acoustocapillary and plasmocapillary effects. It is shown that the key condition for the occurrence of the liquid rise is the asymmetric collapse of a single relatively large cavitation bubble inside a vertically oriented tube or capillary. The proximity of boundaries (the tube wall, the fiber optic tip, and others) disrupts the spherical symmetry of the bubble during its collapse, leading to the appearance of a liquid flow that rolls up into a long-lived toroidal vortex ring. Due to viscous entrainment of the surrounding medium, the vortex generates a directed liquid flow upward and also ensures the suction of a new portion of liquid through the open lower end of the tube. The simulation results show that the characteristic lifetime of the toroidal vortex significantly exceeds the duration of the growth and collapse stages of the cavitation bubble that generated it. It is demonstrated that the rise of the liquid level in the tube does not begin at the moment of bubble expansion, but after its complete disappearance, and continues over a relatively long period due to the inertia of the vortex motion. This result is in complete agreement with experimental data, confirming the validity of the proposed mechanism.

The study investigated the practically significant configuration of the laser-induced optocapillary effect using an optical fiber. This configuration opens broad prospects for technical and medical applications, particularly in laser surgery. The investigated mechanism can be used to create cavitation pumps — effective tools for cleaning technical surfaces and wound surfaces, where the process of removing damaged tissue and foreign bodies due to thermal exposure will be accompanied by the removal of debris through the tube, significantly increasing the efficiency and safety of the procedure.

The obtained results represent the first consistent explanation for a class of cavitation-induced capillary phenomena and create a foundation for their controlled application in biomedical and microfluidic technologies.

Для квантового описания поведения двуядерных систем на начальной стадии околобарьерного слияния тяжелых ядер использованы численные методы нахождения коллективных и одночастичных состояний. Коллективные возбужденные состояния в таких системах представляют собой согласованные колебания поверхностей сферических ядер. Одночастичные состояния внешних нейтронов аналогичны состояниям валентных электронов двухатомных молекул.

Numerical methods of obtaining collective and one-particle states were used for the quantum description of two-nuclear systems behavior at the initial stage of near-barrier heavy nuclei fusion. The collective exited states in such systems represent concordant oscillations of surfaces of spherical nuclei. The one-particle states of the external neutrons are similar to the states of valence electrons of diatomic molecules.

Построена математическая модель эволюции микробных популяций при длительном непрерывном культивировании на протоке. Модель представляет собой обобщение целого ряда известных математических моделей эволюции, в которых учитываются такие факторы генетической изменчивости как хромосомные мутации, мутации плазмидных генов, перенос плазмид между клетками микроорганизмов, потери плазмид при делении клеток и др. Для общей модели эволюции построена функция Ляпунова и на основании теоремы Ла-Салля доказано существование в пространстве состояний математической модели ограниченного, положительно инвариантного и глобально притягивающего множества. Дано аналитическое описание этого множества. Обсуждаются перспективы применения численных методов для оценки числа, местоположения и последующего исследования предельных множеств в математических моделях эволюции на протоке.

A mathematical model for the evolution of microbial populations during prolonged cultivation in a chemostat has been constructed. This model generalizes the sequence of the well-known mathematical models of the evolution, in which such factors of the genetic variability were taken into account as chromosomal mutations, mutations in plasmid genes, the horizontal gene transfer, the plasmid loss due to cellular division and others. Liapunov’s function for the generic model of evolution is constructed. The existence proof of bounded, positive invariant and globally attracting set in the state space of the generic mathematical model for the evolution is presented because of the application of La-Salle’s theorem. The analytic description of this set is given. Numerical methods for estimate of the number of limit sets, its location and following investigation in the mathematical models for evolution are discussed.

Представлен метод моделирования микроструктуры компактной костной ткани. Модельный образец рассматривается как совокупность структурных элементов, содержащих армирующий элемент – остеон и матрицу. Форма структурных элементов определяется расстояниями до соседних остеонов и направлениями расположения соседних остеонов. Проведен расчет напряженно-деформированного состояния модельного образца при растяжении в программном комплексе ANSYS. Результаты расчета показали, что гаверсовы каналы являются концентраторами напряжений.

The method of modelling of a compact bone tissue microstructure is presented. The modelling sample is considered as set of the structural elements containing reinforcing element – osteon and a matrix. The form of structural elements is defined by distances to next osteons and directions of next osteons arrangement. Calculation of the stress and strain state of the modelling sample is carried out at tension in program complex ANSYS. Results of calculation have shown, that haversian canals are stress concentrators.

В работе предложен новый метод моделирования плотных материалов на основе алгоритма упаковки сферополиэдров, описана математическая модель сферополиэдра и обсуждены результаты вычислительных экспериментов на различных упаковках сферополиэдров. Результаты экспериментов показали сходимость метода. Проведенные эксперименты включают исследования упаковок сферополиэдров различной формы, полидисперсных и ориентированных структур. Метод может быть применен для виртуального проектирования плотных материалов, имеющих в составе несферические частицы.

The paper presents a new dense material modeling method based on spherepolyhedra packing algorithm, describes mathematical model of spherepolyhedra and discuss the results of computation experiments on different spherepolyhedra packs. The results of experiments show convergence of proposed method. Experiments include investigations of spherepolyhedra packs with different shapes, polydisperse and oriented structures. Presented method would be applied to virtual design of dense materials composed of non-spherical particles.