All issues

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.

Преобразование Фурье является основным инструментом для оценки спектральных характеристик турбулентного течения. Применение преобразования Фурье (как правило, дискретного) к первой степени пульсационной продольной или поперечной компоненты вектора скорости позволяет оценить спектральную плотность энергии (ESD) или мощности (PSD). Для оценки ESD и PSD турбулентного сигнала, полученного по результатам численного моделирования обтекания тела, создается массив значений сигнала с дискретизацией во временной или пространственной области. Референтное распределение спектральной характеристики ESD (закон масштабирования) в области волновых чисел инерциального поддиапазона следует из двух гипотез А.Н. Колмогорова и определяется законом $−\frac{5}{3}$. Закон $−\frac{5}{3}$ используется также в большинстве работ для оценки распределения ESD и PSD в частотной области. При этом распределение спектра мощности PSD получается из распределения спектра энергии ESD нормировкой к времени сканирования сигнала. Альтернативная спектральная характеристика энергии (ESS) пульсаций скорости может быть определена преобразованием Фурье для квадрата пульсаций скорости. Размерность ESS в пространственной области совпадает с размерностью закона $−\frac{5}{3}$ А.Н. Колмогорова в области волновых чисел. При дискретизации сигнала во временной области для ESS ранее получен закон масштабирования $−2$ в частотной области. В настоящей работе вводится альтернативная оценка спектра мощности сигнала (PSS), полученная с использованием преобразования Фурье для третьей степени пульсаций скорости. Из гипотез А.Н. Колмогорова следует, что в частотной области закон масштабирования спектра PSS определяется степенью $−\frac{5}{2}$. В качестве приложения рассматривается нестационарное обтекание отсека цилиндрической 3D-поверхности при числе Рейнольдса 3900. Численное моделирование выполнено с использованием пакета ANSYS Fluent на базе решения уравнений Навье – Стокса в несжимаемой постановке. Пространственно-временные характеристики вектора скорости турбулентного потока анализируются с применением правильной ортогональной декомпозиции (POD). Для оценки ESS и PSS используется преобразование Фурье с дискретизацией сигнала по времени.

The Fourier transformation is the basic tool for evaluating the spectral characteristics of a turbulent flow. The Fourier transform (usually discrete) of the first power of the longitudinal or transverse component of the velocity vector pulsations allows estimation of the energy spectral density (ESD) or power spectral density (PSD). To estimate the ESD and PSD of a turbulent signal obtained from numerical simulation, an array of signal values with discretization in the time or spatial domain is generated. The reference distribution of the ESD spectrum (scaling law) within the wave number domain of the inertial subrange is derived from two hypotheses proposed by A.N. Kolmogorov and is characterized by the $−\frac{5}{3}$ law. The $-\frac{5}{3}$ law is also used in most references to estimate the ESD distribution in the frequency domain. The distribution of the power spectrum PSD is derived from the distribution of the energy spectrum ESD by normalizing to the signal scanning time. An alternative energy spectral characteristic (ESS) of velocity fluctuations can be determined by the Fourier transform of the square of the velocity fluctuations. In the wave numbers domain, the dimension of ESS in the spatial domain coincides with the dimension of A.N. Kolmogorov's $−\frac{5}{3}$ law. When considering a signal sampled in the time domain, a scaling law of $−2$ for ESS was previously obtained in the frequency domain. An alternative estimate of the Power Signal Spectrum (PSS) is discussed in this paper based on the Fourier transform of the third-order velocity pulsations. Based on the hypotheses proposed by A.N.Kolmogorov, it can be inferred that in the frequency domain, the scaling law of the PSS spectrum is characterized by the power of $−\frac{5}{2}$. Unsteady incompressible flow around a 3D cylindrical surface section at the Reynolds number of 3900 is considered as an application. The numerical simulation is performed using ANSYS Fluent commercial code and based on the Navier – Stokes equations. The spatio-temporal characteristics of the turbulent flow velocity vector are analyzed using the Proper Orthogonal Decomposition (POD). The Fourier transform is used to estimate the ESS and PSS of a time-sampled signal.

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.

Работа посвящена аэродинамическим свойствам системы тел, обтекаемой сверхзвуковым потоком. Рассматривается вопрос об уменьшении взаимного влияния с увеличением размера, характеризующего разлет элементов системы. Для моделирования течения применен метод построения сетки из набора сеток. Одна из сеток, регулярная с прямоугольными ячейками, отвечает за интерференцию между телами и служит для описания внешнего невязкого течения. Другие сетки связаны с поверхностями обтекаемых тел и позволяют описать вязкие слои около обтекаемых тел. Эти сетки накладываются на первую, без совмещения каких-либо узлов. Граничные условия реализуются через интерполяцию функций на границах с одной сетки на другую.

The given work is devoted aerodynamic properties of system of the bodies which are flowed round by a supersonic stream. The question on reduction of mutual influence with increase in the size characterising scattering of elements of system is considered. The method of construction of a grid is applied to current modeling from a set of grids. One of grids, regular with rectangular cells, is responsible for an interference between bodies
and serves for the description of an external nonviscous current. Other grids are  connected with surfaces of streamline bodies and allow to describe viscous layers about streamline bodies. These grids are imposed on the first, without combination of any knots. Boundary conditions are realized through interpolation of functions on borders from one grid on another.

В данной работе представлены результаты численного моделирования распределения магнитного поля некоторых модификаций спектрометрического магнита СП-40, используемого в экспериментальной установке НИС ОИЯИ. Основной особенностью такого магнита является прямоугольная апертура, следовательно, и область, в которой решается краевая задача, имеет всюду гладкую границу, за исключением угловой области ферромагнетика. В таких случаях решение задачи или производные решения могут иметь особенность. Изучено поведение магнитного поля в окрестности угловой области ферромагнетика и численным путем выбрана конфигурация магнита, для которой ширина области однородности (т. е. с $\Delta B/B < 1\,\%$) магнитного поля увеличилась с 0.5 м до 1.0 м, т. е. в два раза.

In this work, we propose a method of the numerical solution of the magnetostatic problem for domains with boundaries containing corners. With the help of this numerical method, the magnetic systems of rectangular configuration were simulated with high accuracy. In particular, the calculations of some modifications of the magnetic system SP-40 used in the NIS JINR experimental installation, are presented. The basic feature of such a magnet is a rectangular aperture, hence, the area in which the boundary-value problem is solved, has a smooth border everywhere, except for a finite number of angular points in the vicinity of which the border is formed by crossing two smooth curves. In such cases the solution to the problem or derivatives of the solution can have a special feature. A behavior of the magnetic field in the vicinity of an angular point is investigated, and the configuration of the magnet was chosen numerically. The width of the area of homogeneity of the magnetic field increased from 0.5 m up to 1.0 m, i. e. twice.

Проведен численный анализ влияния формы и размеров локального источника постоянной температуры на нестационарные режимы термогравитационной конвекции в квадратной полости с изотермическими вертикальными стенками. Рассматривался источник энергии прямоугольной, треугольной и трапециевидной формы. Краевая задача, сформулированная в безразмерных преобразованных переменных «функция тока – завихренность скорости – температура» в приближении Буссинеска, была реализована численно методом конечных разностей. Получены распределения изолиний функции тока и температуры, а также временные зависимости для среднего числа Нуссельта на поверхности источника энергии в широком диапазоне изменения определяющих параметров.

Numerical analysis of the effects of the local heat source shape on transient natural convection in a square enclosure has been carried out. The local heat source has rectangular, triangular and trapezoidal shape. The boundary value problem formulated in the dimensionless variables such as stream function, vorticity and temperature by using the Boussinesq approximation has been solved by means of finite difference method. Distributions of streamlines and isotherms and time dependences for the average Nusselt number along the heat source surface in a wide range of governing parameters have been obtained.

При численном решении краевой задачи магнитостатики в области с негладкой границей возникает вопрос о точности получаемого решения в окрестности угловой точки ферромагнетика [Zhidkov, Perepelkin, 2001]. В окрестности «угловой точки» возможен существенный рост модуля магнитного поля, что приводит к необходимости построения специальных численных алгоритмов при решении краевой задачи. В данной работе предложен алгоритм построения адаптивной сетки в окрестности угловой точки ферромагнетика, учитывающий характер поведения решения краевой задачи. Приводится пример расчета модельной задачи в области, содержащей угловую точку.

At numerical solving of the boundary-value problem of magnetostatic in a domain with a boundary corner point, a question of accuracy of the obtained solution near the corner point of ferromagnetic arises [Zhidkov, Perepelkin, 2001]. Near the corner point an essential growth of the module of the magnetic field can take place, which leads to the necessity of constructing special numerical algorithms when solving the boundary-value problem. This work represents an algorithm of constructing an adaptive mesh in the domain with a boundary corner point of ferromagnetic taking into account the character of behaviour of the solution of the boundary-value problem. An example of calculating a model problem in the domain containing a corner point is given.

В химической технологии для получения очищенного конечного продукта часто используется процесс десублимации. Для этого используются охлаждаемые жидким азотом или холодным воздухом емкости. Смесь газов протекает внутри емкости и охлаждается до температуры конденсации или десублимации некоторых компонентов газовой смеси. Конденсированные компоненты оседают на стенках емкости. В статье представлена математическая модель для расчета охлаждения емкостей для десублимации паров охлажденным воздухом. Математическая модель основана на уравнениях газовой динамики и описывает течение охлажденного воздуха в трубопроводе и воздушном теплообменнике с учетом теплообмена и трения. Теплота фазового перехода учитывается в граничном условии для уравнения теплопроводности путем задания потока тепла. Перенос тепла в теплоизолированных стенках трубопровода и в стенках емкости описывается нестационарными уравнениями теплопроводности. Решение системы уравнений проводится численно. Уравнения газовой динамики решаются методом С. К. Годунова. Уравнения теплопроводности решаются по неявной разностной схеме. В статье приведены результаты расчетов охлаждения двух последовательно установленных емкостей. Начальная температура емкостей равна 298 К. Холодный воздух течет по трубопроводу, через теплообменник первой емкости, затем по трубопроводу в теплообменник второй емкости. За 20 минут емкости остывают до рабочей температуры. Температура стенок емкостей отличается от температуры воздуха на величину не более чем 1 градус. Поток охлажденного воздуха позволяет поддерживать изотермичность стенок емкости в процессе десублимации компонентов из газовой смеси. Приведены результаты аналитической оценки времени охлаждения емкости и разности температуры между стенками емкости и воздухом в режиме десублимации паров. Аналитическая оценка основана на определении времени термической релаксации температуры стенок емкости. Результаты аналитических оценок удовлетворительно совпадают с результатами расчетов по представленной модели. Предложенный подход позволяет проводить расчет охлаждения емкостей потоком холодного воздуха, подаваемого по трубопроводной системе.

For the production of purified final product in chemical engineering used the process of desublimation. For this purpose, the tank is cooled by liquid nitrogen or cold air. The mixture of gases flows inside the tank and is cooled to the condensation or desublimation temperature some components of the gas mixture. The condensed components are deposited on the walls of the tank. The article presents a mathematical model to calculate the cooling air tanks for desublimation of vapours. A mathematical model based on equations of gas dynamics and describes the movement of cooled air in the duct and the heat exchanger with heat exchange and friction. The heat of the phase transition is taken into account in the boundary condition for the heat equation by setting the heat flux. Heat transfer in the walls of the pipe and in the tank wall is described by the nonstationary heat conduction equations. The solution of the system of equations is carried out numerically. The equations of gas dynamics are solved by the method of S. K. Godunov. The heat equation are solved by an implicit finite difference scheme. The article presents the results of calculations of the cooling of two successively installed tanks. The initial temperature of the tanks is equal to 298 K. Cold air flows through the tubing, through the heat exchanger of the first tank, then through conduit to the heat exchanger second tank. During the 20 minutes of tank cool down to operating temperature. The temperature of the walls of the tanks differs from the air temperature not more than 1 degree. The flow of cooling air allows to maintain constant temperature of the walls of the tank in the process of desublimation components from a gas mixture. The results of analytical evaluation of the time of cooling tank and temperature difference between the tank walls and air with the vapor desublimation. Analytical assessment is based on determining the time of heat relaxation temperature of the tank walls. The results of evaluations are satisfactorily coincide with the results of calculations by the present model. The proposed approach allows calculating the cooling tanks with a flow of cold air supplied via the pipeline system.