ПЕРМСКАЯ МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА [3]— фрагменты ее истории
Во время недавнего визита в Пермь Министр науки и высшего образования РФ В.Н. Фальков ознакомился с работой Института механики сплошных сред УрО РАН. Министр осмотрел лабораторию Технологической гидродинамики. Здесь ему показали Натриевый испытательный стенд, на котором проводятся приемочные испытания аппаратов для Белоярской АЭС и продемонстрировали результаты работ с жидкими металлами. Достижения пермских ученых были высоко оценены. Наш рассказ — о развитии и становлении в Перми магнитной гидродинамики. Продолжение. Начало здесь: ПЕРМСКАЯ МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА [1]- фрагменты ее истории https://ok.ru/permnewru/topic/157206950111457 ПЕРМСКАЯ МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА [2]- фрагменты ее истории https://ok.ru/permnewru/topic/157206950373601 ТЕХМИНИМУМ ДЛЯ ГУМАНИТАРИЕВ [2] Очень грубо говоря, ученые решают уравнения. Такие же, какие каждый решал в свое время на уроках математики. Например, уравнения движения, которые в школе называли задачками на время-скорость-расстояние. Правда, с некоторыми усложнениями. Движение может быть неравномерным, и тогда скорость уже не будет постоянной, а станет зависеть от времени, то есть, появится ускорение. Движение может быть криволинейным, тогда появится еще одна разновидность ускорения. Захочется еще определить силы, которые действуют на движущееся тело, например, на автомобиль: сопротивление воздуха, сопротивление трения, профиля дороги (идет он на подъем или катится с горки). А если это не автомобиль, а ракета, то надо учесть, что не будет постоянной и масса, которая ежесекундно меняется по мере расхода топлива. Мало того, будет меняться и ускорение свободного падения, по мере удаления от Земли. А если автомобиль или ракета будут не твердым телом, а жидким, то вступают в действие еще множество параметров, меняющихся не только в зависимости от какого-то одного фактора, но и в зависимости друг от друга. В гидродинамике уравнения движения жидкости определяются системой дифференциальных уравнений в частных производных (уравнения Навье-Стокса), в которой переменные (физические величины, такие как плотность, вязкость, температура и т.д.) меняются как по времени, так и в зависимости друг от друга. Аналитического решения (путем преобразования с помощью ручки или карандаша на бумаге) эти уравнения пока еще не имеют. Поиск такого решения является одной из семи математических проблем тысячелетия, которые определил Математический институт Клэя (США) в 2000-м году. За решение каждой из семи проблем обещано вознаграждение в размере 1 млн долларов. И это внушает некоторый оптимизм. Поскольку из 23 проблем, выдвинутых Гилбертом в 1900 году, к концу столетия 22 оказались решены, и только одна - Гипотеза Римана - вошла в список задач тысячелетия. Несмотря на отсутствия аналитических решений, ученые всего мира широко используют в своей деятельности уравнения Навье-Стокса. Выход из безнадежной ситуации заключается в том, что для каждой конкретной задачи эти уравнения преобразовываются, некоторые составляющие исключаются, как незначительно влияющие или вообще не влияющие на конечный результат. В магнитной гидродинамике к уравнениям Навье-Стокса добавляются еще уравнения электродинамики. Все это надо решать совместно. Полученная таким образом система уравнений представляет собой математическую модель конкретного процесса или явления. Решается она численными методами, алгебраически, путем сложных и зачастую длительных вычислений по специальным программам на мощных компьютерах. Полученный результат называют цифровым двойником процесса или явления. Вот, собственно говоря, это и есть упрощенный ответ на вопрос: «Что они там считают?» Но если у кого-то «душа жаждет просвещения» (Н. Гоголь, «Ревизор») он может продолжить акт познания. И поинтересоваться. КАК они считают. КАК СЧИТАЮТ УЧЕНЫЕ* Звездочкой (*) отмечен фрагмент материала, в принципе доступный для понимания. И.В. Колесниченко, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией технологической гидродинамики Отдела физической гидродинамики ИМСС УрО РАН: - Время бежит. Прогресс развивает какие-то чудовищные темпы. Компьютерная техника в то время, когда я только приходил в науку, была на том еще уровне. Но нам-то казалось, что это настолько здорово, что и мечтать о лучшем невозможно. Появилась возможность реально что-то посчитать. А сейчас есть возможность не что-то посчитать, а хоть что. Абсолютно все. Инструменты есть. Надо только освоить их «до глубины души». Это, конечно, не просто. Они настолько сложны, что перед каждым стоит выбор: либо ты специализируешься и уметь считать одну-две задачи, но зато прекрасно считать. Либо ты осваиваешь весь программный расчетный комплекс хотя бы до уровня понимания, как он работает. Это нелегкий выбор, он диктует всю твою жизнь на несколько лет вперед. При этом, выбор может быть правильным. А может и неправильным. - Будем считать ваш выбор правильным. Но все же - о том, как вы считаете? С чего все начинается? - Ну, условно говоря, приезжает представитель металлургического завода. Ему надо достать из тигля расплавленный металл, например, магний, и разлить его в слитки. Первый способ - переливать черпаками - мы рассматривать не будем. Хотя, может быть, именно он побудил представителя обратиться к нам: ковш черпака в процессе переливания растворяется и загрязняет магний. И вот представитель ставит нам задачу. Допустим, жидкий металл надо поднять на высоту в два метра и обеспечить расход (скорость перекачивания) 500 килограммов в час. У нас есть идея. Выглядит она так. Насос - это труба, заполненная жидким металлом. С помощью тех или иных устройств в этой трубе создается сила. Нам необходимо рассчитать ее. Она должна быть больше, чем перепад давления, который надо преодолеть, чтобы поднять металл. И есть другая сила, которая мешает этому процессу. Это сила трения металла о стенки канала, гидравлическое сопротивление. При медленных течениях она слабая, но с повышением производительности - возрастает. И, например, в насосах, которые мы делаем для Росатома, силы сопротивления играют значительную роль. Дальше надо подобрать материал трубы, ее диаметр, толщину стенки. И поскольку мы делаем не механический, а электромагнитный насос, надо подобрать параметры индуктора - устройства, создающего переменное магнитное поле, которое создает (индуцирует) в жидком металле переменный ток. В результате взаимного воздействия магнитного поля и электричества возникает электромагнитная сила, которая и движет металл. - Все просто. Что дальше? - Нет, это еще не все. Если нас не ограничивать, мы можем создать нечто грандиозное, большое. И оно, скорее всего, будет работать. Но окажется не нужным предприятию. В первую очередь, надо думать о себестоимости продукции, то есть, потребляемая мощность должна быть наименьшей, насколько это возможно. Поскольку на предприятиях принято напряжение 380 вольт, то снижать мощность можно только уменьшением тока. Меньше ток - меньше электромагнитная сила, значит, и производительность насоса. Есть и другие ограничения - по массе, по габаритам. Очень существенны тепловые ограничения. И еще множество других. И вот когда мы сложим все эти ограничения, то у нас получится что-то не такое грандиозное, даже совсем небольшое, которое может и не справиться с задачей. И вот тогда надо начинать считать. Выбор параметров делается с помощью математического моделирования. Таких параметров набирается около десяти. Мы знаем, в каком диапазоне можно менять каждый из них. Задача - найти наиболее эффективное их сочетание. Это называется многокритериальный поиск. Или по-научному: поиск по многомерному пространству решений. Мы уже знаем, что каждый электромагнитный насос - это труба. Я задаю сначала параметры этой трубы - радиусы, внешний и внутренний, длина. Программа рисует этот цилиндр. Затем следуют новые параметры - труба изготовлена из нержавеющей стали, вводятся ее свойства: плотность, теплопроводность, электропроводность. Внутри трубы находится жидкий металл, допустим, магний. Это цилиндр, длина которого совпадает с трубой, а диаметр равен внутреннему диаметру трубы. У него свои свойства: электропроводность, теплопроводность, вязкость. Получилась простейшая конструкция - внутри жидкий металл, а снаружи нержавеющая сталь. С таких параметров я и стартую, используя так называемые решатели. Раньше считал сам, а сейчас использую коммерческие решатели. Решатели - это программы, которая приобретается за деньги. Они настолько сложны, что их под силу создать только коллективам ученых или даже научным институтам. - Что делает решатель? - Для начала он рисует объемное изображение. Это позволяет увидеть, как это все выглядит, проверить себя. Потом решатель превращает объемное изображение в чертеж. Это дает возможность проверить, что все размеры правильны, убедиться в том, что программа тебя поняла. А дальше, собственно говоря, и вступает в дело решатель. Тут начинает работать механика или электродинамика сплошных сред. Механика - это набор математических инструментов, которые позволяют изучить процессы в таких системах. Более сложных, конечно. Но мы-то взяли самую простую систему. Труба, и по ней течет металл. Сколько втекает, столько и вытекает. И процесс непрерывный. Для такой простой задачи есть и аналитические решения. Они работают до тех пор, пока я не начал учитывать шероховатость стенок. Пока я не сказал, что у нас не чистый магний, а магний с какой-то грязью, с примесями и окислами. Пока не сказал, что у нас труба не прямая, а изогнутая. Тогда аналитика пасует. Но вернемся для понимания к простой трубе. Следующий шаг после рисования и черчения следующий. Компьютер разбивает систему на очень маленькие кубики. Как говорят, разбивает ее на «конечные элементы». Наподобие лего-конструктора. То есть создает сетку. Разбивается и труба и текущий в ней магний. От автора. Вспоминая о наиболее благородной, но не отягощенной физикой и математикой части моей читательской аудитории, на всякий случай, считаю необходимым уточнить: трубы и текущего в ней магния пока нет. Все делается мысленно, если возможно такое слово отнести к работе компьютера. А теперь вернемся к увлекательному монологу И.В. Колесниченко. - Итак, тубу и магний покрошили на кубики. Но мы забыли, что кроме гидродинамической задачи, мы решаем еще и эдектромагнитную. Поэтому я создаю вокруг трубы из нержавейки еще одну внешнюю трубу, которая заполнена воздухом. В воздухе вокруг нержавеющей трубы, ну, и сквозь нее, распространяется магнитное поле. Воздушная труба тоже разбивается на кубики. А теперь немного поговорим о началах науки о сплошных средах. Суть в том, что условно внутри каждого кубика все свойства одинаковы. Они меняются скачком по мере перехода от одного кубика к соседнему. Чем мельче произведено разбиение на кубики, тем меньше будет скачок. Тем плавнее будет описан процесс. И дальше изучается то, что мы хотим изучить. В нашем случае - течение жидкого металла. Этот процесс описывается дифференциальными уравнениями в частных производных. То есть мы можем написать связь между электромагнитной силой, давлением и скоростью для каждого кубика. Плюс к этому, можем написать, как связаны эти параметры между соседними кубиками. И дальше, очень упрощая, компьютер перебирает все кубики и, зная уравнения, связывающие кубики между собой, может находить решения - то есть, к какой скорости и к какому давлению данная электромагнитная сила приведет. Так, перебирая один за другим ряды кубиков, компьютер добирается от одного торца до другого. Параллельно он перебирает кубики и в поперечном направлении. И он получает результат, что в торцах при заданном расходе мы получаем скорости, допустим, по 1 метру в секунду. В поперечном направлении - у стенок ноль, а на центральной оси трубы тоже 1 метр в секунду. Все прекрасно. Компьютер получает параболу распределения скоростей в поперечном сечении. Это известная парабола пуазейлевского течения. То есть, ламинарного, спокойного. Но в реальности там будет турбулентное течение. Это процесс архисложный, с кучей всяких колебаний, вихрей и вихорьков. Но при этом все движется в одном направлении. И этот сложный хаос мешает движению. Из-за него повышается вязкость. Ее называют турбулентной вязкостью. Это не свойство материала, то есть, магния, а свойство течения. Течение настолько быстрое, что оно разбивается на мелкие вихри, которые бегут вперед, обгоняя друг друга и, перемещаясь, мешают друг другу. И это тоже описывается с помощью специальных уравнений, с помощью специальных подходов моделирования для каждого кубика. Здесь в каждом кубике турбулизация даст какую-то добавку к вязкости. И дальше расчет идет эволюционно. Мы берем время и разбиваем его. Допустим, нам надо сосчитать 1 час работы. Мы разбиваем его на 3600 частей и получаем шаг по времени в 1 секунду. То есть наши кубики будут еще по времени меняться. Это необходимо, потому что в любом уравнении, которое описывает процесс изменения чего-то, есть производная по времени (даже в простом законе Ньютона). И вот мы производим разбиение времени на шажочки - это называется шаг по времени. (Ребро кубика - это шаг по координате). То есть сетка у нас получается и по пространству и по времени. И мы считаем, что произойдет за секунду (как изменится скорость и давление). Потом - за следующую секунду, и так далее. И у нас плавные и непрерывные в реальности поля заменяются дискретным набором точек. Но в силу того, что все разбито на очень мелкие частички, то получится, что как будто бы все плавно. Так и решает задачу компьютер. Я могу руками написать это решение, то есть написать программу. Да и писал раньше. Но сейчас уже есть программы, которые реализуют это на очень высоком уровне. При этом они распараллеливают решение на много процессоров для уменьшения машинного времени. МУКИ ПОИСКА - Интересно, сколько же раз компьютер решает систему дифференциальных уравнений? - Например, для трубы квадратного сечения в 10 сантиметров, длине в 1 метр и шаге по координате 1 миллиметр количество кубиков будет 10 млн штук. При шаге по времени в 0.1 секунду для процесса, происходящего в течении 10 секунд - получается 10 млрд. Так очень грубо можно оценить количество расчетов. - И на этом - все? - Нет, все только начинается. Когда программа посчитала, она вам скажет, допустим, что после действия насоса в потоке на входе канала давление было 2 атмосферы, а на выходе стало 1. Куда делась одна атмосфера? - Она ушла на преодоление турбулентного трения и трения жидкого металла о стенки трубы. Тогда программе задается команда найти такой радиус канала и параметры насоса, чтобы давление на выходе было требуемые, например, полторы атмосферы. Программа перебирает варианты и получает решение. Все это - упрощенная версия. На самом деле поиск идет по многим параметрам, не по одномерному, а по многомерному пространству. Там уже решение находится разными подходами. Есть такой метод деформируемого многогранника. Есть метод градиентного спуска. Эти многомерные поиски разработаны еще в 19 веке. Есть еще такой раздел науки, как стохастическая оптимизация. То есть мы говорим, что параметры не просто точные, а как в квантовой механике, точные, но с некоторым доверительным интервалом. Положим, давление чуть больше или чуть меньше. Или ток может скакать, меняться, от 10 до 15 ампер... Не будем вдаваться в подробности, это все в принципе не считаемое никакими аналитическими средствами. Это только компьютерное моделирование. Дальше я составляю программу для поиска правильных параметров. То есть, размеров, силы тока, количества витков, если есть какие-то обмотки, толщины железных элементов ферромагнетиков. Иногда учитываются и температурные изменения. Это важно, потому что «ползут» свойства, зависящие от температуры. Плотность, например. Мы прекрасно знаем, что зависят от температуры электрическая проводимость, теплопроводность. И это отражается на всех процессах. И это, если представляете, достаточно большой длительный поиск. Это называется многовариантные расчеты. Длительный поиск - это не меньше двух недель машинного времени. Все зависит от сложности рассчитываемого аппарата и от мощности компьютера. ВЕРИТЬ ИЛИ НЕ ВЕРИТЬ Тут в объяснения включается Р.И. Халилов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории: - После всего этого мы сидим, смотрим друг на друга и на результаты и говорим, что теперь мы верим этим параметрам. Или не верим. Говорим, что риск есть, но деваться некуда - берем эти. И дальше начинается конструкторская работа. Теперь нам нужна реальная труба. Ее надо купить, но продаются трубы далеко не всех тех размеров, которые мы захотим. Есть стандартные наборы разных диаметров. То есть, в процесс научного поиска внезапно включается снабженец. Он и сообщает, какие трубы выпускает промышленность. Затем подключаются институтские мастерские. Ты их спрашиваешь. можете ли вы вот тут сделать так, а вот тут сяк. Они отвечают - не можем. У нас станок трубу диаметром больше 200 миллиметров не зажимает. И ты начинаешь раздумывать: искать ли подходящий станок на стороне, либо еще раз все пересчитать на другой диаметр, но сэкономить на этом несколько сотен тысяч рублей. После решения подобных вопросов начинается настоящий поиск, в прямом смысле этого слова. Когда с трубой мы определились, начинаются закупки. А закупки - это часто длительный процесс. К тому времени, когда их привезут, надо иметь чертежи. И вот после этого, когда определились из чего все будет делаться, начинается конструкторская проработка. Нужна не просто труба, а труба с фланцами, с держателями, которые надо к ней приварить. Теплоизоляция должна как-то удерживаться, в каких-то чехлах, кожухах. Все это на какой-то раме. А рама может быть стальная, по ней еще может, не дай Бог, ток замкнуться, значит нужны электроизоляторы. И от той эталонной математической конструкции в реальности остается нечто похожее на нее. Естественно, все конструкторские доработки могут повлиять на результат. И их не всегда можно даже учесть в расчетах, и поэтому все расчеты делаются с запасом, А какой нужен запас - это определяется опытом. Самая главная ценность опытного специалиста - определить, каким должен быть запас. Чтобы при конструировании и изготовлении... А изготовление тоже неточное. Трубу заказали такую, а в результате она пришла немного овальная, внутри не все идеально, это тоже повлияет на результат. Для этого делаются длительные фундаментальные изучения подобных процессов. Как влияют разные там отклонения, оснастка. Овальность, кстати, - самый простейший пример. Это все решается. Причем, это не самые сложные задачи. Это можно сказать, простые задачи. - Ну, вот вы получили цифровой двойник насоса и его реальное воплощение. Насколько совпадают расчетные результаты с реальными? - Всякий раз - по-разному. Бывает, мы укладываемся в 5 процентов отличия. Это блестяще, прекрасно просто. Чаше всего - в 10 процентов. Это тоже хорошо. 20 - похуже, но и с этим тоже можно жить. 30 - уже многовато. 50 - совсем плохо. Но тут мы будем знать, что модель завышает в 2 раза. И что-то предпримем. «МОЛОДЫЕ» И «ВЗРОСЛЫЕ» Обратимся опять к хронологии. В соответствии со Стратегией научно-технического развития Российской федерации и директивой Министерства науки и высшего образования России по всей стране с 2016 года стали создаваться молодежные лаборатории. Большую часть коллективов в лабораториях должны составляли молодые исследователи в возрасте до 39 лет. Это аспиранты, инженеры-исследователи, научные сотрудники, студенты и выпускники вузов. «Молодежное научное поветрие» захватило и Пермь. И на базе лаборатории физической гидродинамики такая лаборатория была создана. Спустя пару лет (директор ИМСС в то время) академик РАН, научный руководитель Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН, член Президиума УрО РАН доктор физико-математических наук Валерий Павлович Матвеенко сказал, что из десятка созданных в Перми молодежных лабораторий наиболее успешной и понятной, работающей эффективно, результативно и неформально, стала молодежная лаборатория технологической гидродинамики Института механики сплошных сред. Чем это можно объяснить? Наверное, тем, что в ИМСС не пришлось искусственно, руководствуясь только возрастными параметрами, создавать новый коллектив. Он уже был сформирован, был молодым и достаточно подготовленным. И еще, конечно, тем, что молодежная лаборатория была создана на базе серьезной научной школы Пермской гидродинамики, о которой мы так подробно рассказали выше. Возглавили работу Илья Колесниченко и Руслан Халилов. - Они в паре очень хорошо работают, - говорил П.Г. Фрик. - У них все получается, пусть так и будет. Руководство «на пару» - способ не совсем обычный. Но они демонстративно такой способ подчеркивали и упрямо придерживались. Так лучше для дела. Пока один в командировке у заказчика, текущая работа не останавливается. Все станет понятно, если заменить понятие «Единоначалие» на понятие «Взаимозаменяемость». Шло время, и вскоре лаборатория переросла свою первую молодость. В структуре ИМСС пришлось вносить изменения. Лаборатория физической гидродинамики, в составе которой была «молодежка», превратилась в Отдел физической гидродинамики. А молодежная лаборатория обрела «взрослый» статус и теперь занимает место в структуре Отдела как «Лаборатория технологической гидродинамики». Возглавил ее Илья Колесниченко. Руслан Халилов стал заместителем директора ИМСС по связям с промышленными предприятиями, не оставляя при этом и работу в лаборатории. - Что отличает Илью Колесниченко, так это обстоятельность, - говорит П.Г. Фрик. - Это его стремление обрести весь комплекс знаний и умений, необходимый для работы. Он овладел не только математическим моделированием, это у нас многие умеют делать, но и конструированием. Он когда-то успел освоить конструкторские пакеты. И все устройства, которые от нас обычно уходят на конструкторскую проработку, он делает сам. И еще, по части обстоятельности. Его, например, бесполезно просить быстренько дать для отчета короткую справку с прикидочными сроками исполнения работ. Он запрется у себя. и через неделю принесет отчет на пятидесяти страницах с точным указанием сроков. Вы посмотрите на его сто. И, скажем, на мой. У меня, вы видите, гора всяческих бумаг. Я их не прячу из боязни что-то забыть. Он ничего не забывает. У него - стол с чистой столешницей, на которой лежит один листок бумаги - тот, с которым он сейчас работает. Предыдущие листки сочинения лежат в ящике. А в другом - чистые, которые займут место текущего, когда тот будет заполнен. Думается, такая обстоятельность и обожествление точности как нельзя кстати пришлись в работе с предприятиями Росатома, у которого именно такие жесткие требования к исполнителям, такие жесткие, что не каждый это выдерживает. - Молодежи у нас по-прежнему много, - рассказывает И.В. Колесниченко. - Приходя и аспиранты, и студенты. Даже первокурсники. Осваиваются, привыкают, а потом и подключаются к исследованиям. Студенты затем защищают дипломы, аспиранты - диссертации. У нас уже несколько кандидатов, защитившихся по нашей тематике. Некоторые, правда, защитившись, уходят. - Почему? - Сложный вопрос. Ну, вот есть такое движение: Slow life», «Медленная жизнь». Оно призывает своих последователей сознательно отказаться от суеты и беготни, найти золотую середину между делами и необходимыми для человека удовольствиями, такими как, например, приятная прогулка по городу или посиделки в хорошей компании. Все хотят так жить. А у нас жизнь напряженная. Чтобы хорошо зарабатывать - ну, на уровне того, что может предложить человеку IT-сфера - надо работать непрерывно, много, и в выходные, и на износ даже. Не все так могут, не все хотят. КАК УХВАТИТЬ ЗВЕЗДУ С НЕБА Рассказывали, что приходящие в лабораторию студенты время от времени, тяжело вздыхая, задают вопрос: « Илья Владимирович, ну, когда же мы будем заниматься звездами и галактиками!» - Что вы им отвечаете? - спрашиваю у И.В. Колесниченко. Он усмехается и говорит: - Когда научитесь считать гидродинамику изогнутого канала. - Выходит, чистой наукой вы не занимаетесь? Только прикладными задачами? - Смотря что считать чистой наукой. Есть прикладные задачи, которые тесно связаны с фундаментальными. Часто возникают неразрешимые ситуации, сложные явления, которые мы не понимаем. Всегда есть возможность обратиться к Петру Готлобовичу Фрику. Это ученый с мировым именем, заведующий Отделом физической гидродинамики ИМСС, руководитель международной научной конференции. Когда нужны его компетенции, его опыт и знания, он подключается. - Когда идет поиск конструкции, мы углубляемся внутрь тех процессов, которые там сидят, - продолжает И.В. Колесниченко. - Вот, например, большой проект, который может вылиться в создание важной прикладной задачи - отделение примесей от жидкого металла-теплоносителя атомной станции, в частности. Чтобы уметь отделять, примеси, мы тщательно изучаем, что происходит вокруг таких частичек. Для прикладной задачи это не нужно, но когда мы знаем, что происходит, можем написать сложную математическую модель, которая учитывает все эти микропроцессы. А изучать на микроуровне - это уже фундаментальная задача. Или взять пульсации скорости. Поток движется, мы начинаем его возмущать. И изучаем, как эти пульсации движутся дальше по потоку, как рассеиваются, насколько быстро затухают, меняется ли форма этих пульсаций. Это все фундаментальные задачи. Но они имеют и прикладное значение, Если мы сумеем отлавливать эти пульсации, мы можем бесконтактно измерить скорость металла в канале. А это бесконтактная расходометрия для тех же самых теплоносителей. Фундаментальные и прикладные науки тесно взаимосвязаны, так как в прикладных исследованиях используются закономерности, открытые в фундаментальных науках. А они, в свою очередь, подкрепляют на практике утверждения, разработанные в ходе фундаментальных исследований. Так что поглядывать на звезды - это детская болезнь. Она проходит, когда человек убеждается, сколько интересного может содержаться в земных вещах. Или не проходит. Но тут уже надо говорить о высоком уровне теоретических компетенций, который нарабатывается долгими годами и упорным трудом. ЭПИЛОГ С ПРОЛОГОМ Если спросить, чем интересным сейчас занимаются в этой лаборатории, то ответ может показаться совсем не таким, как ожидается. Есть задачи практические, есть фундаментальные. Задачи настолько сложные, что целиком их решить кому-то одному невозможно. Их надо разбивать на кирпичики и разложить эти кирпичики по разным людям. И если каждого спросить, чем он занимается, то ответ будет неинтересным. Но нам все же составили неполный список глобальных задач. Жидкометаллические батареи. Это задача хорошая, нужная, но опять же тут куча проблем. Любой специалист из этой отрасли скажет, что тут только научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ лет на десять. Одних наших усилий не хватит, чтобы довести идеи даже до лабораторного образца. Тут нужны узкие специалисты, они есть, но заняты другими работами. Вся проблема в том, чтобы делать что-то новое - нужна воля сверху. Чтобы верх заинтересовать, нужен опытный образец, который хоть какие-нибудь характеристики выдает. Свинцовый теплоноситель. Сейчас разрабатывается и строится реактор на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем. Он строится в Сибири, в городе Северск рядом с Томском. Мы встречались с потенциальными заказчиками. Там есть подзадачи, которые мы можем решить. И какие-то уже решаем. Разница по сравнению с натрием колоссальная. Первое - температура. У натрия 200-300 градусов, при ней нержавеющая сталь вполне комфортно чувствует себя. И медные обмотки индуктора работают в безопасном режиме. Там уже другое - рабочая температура до 500 градусов. там и канал перегревается, и нет возможности электромагнитными устройствами приблизиться как можно ближе к свинцу. При всем при этом свинец более чем в 10 раз тяжелее. И в несколько раз хуже проводит электрический ток. От всего этого растут габариты. *** Не будем перечислять все. Тем более, что у автора остался один вопрос, который так и вертится на языке. Если честно, вопрос этот был сформулирован и задан И.В. Колесниченко на защите его докторской диссертации: «Чему вы больше доверяете, цифровому двойнику или натурной модели?» Мне он ответил так: - О, это такая глубокая и непознанная философия. Ответ зависит от всего. От уровня компетенции, от личных пристрастий, от состояния здоровья, от настроения и даже, не поверите, от семейного положения. Я лучше приведу пример. Мы сделали некую экспериментальную установку для изучение частных задач. При решении одной из них в математической модели у меня получились два непонятных, странных вихря, которых не должно было быть. Я подумал: наверное, ошибка. Тем более, что при переходе на более интенсивный режим эти два вихря исчезли. На этом и успокоился. А спустя время на этой экспериментальной установке сотрудник лаборатории Андрей Мамыкин воспроизвел тот первоначальный режим. Он приходит ко мне и сообщает: «Вихря-то обнаружились. Две штуки!» Что тут сказать? Факты подтверждают теорию. А если факты не согласуются с теорией - тем хуже для фактов. #ИМСС #Пермь #УрОРАН Александр Куличкин Читать на сайте — https://permnew.ru/news?post_id=26768
ПЕРМСКАЯ МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА [1]— фрагменты ее истории
Во время недавнего визита в Пермь Министр науки и высшего образования РФ В.Н. Фальков ознакомился с работой Института механики сплошных сред УрО РАН. Министр осмотрел лабораторию Технологической гидродинамики. Здесь ему показали Натриевый испытательный стенд, на котором проводятся приемочные испытания аппаратов для Белоярской АЭС и продемонстрировали результаты работ с жидкими металлами. Достижения пермских ученых были высоко оценены. Наш рассказ — о развитии и становлении в Перми магнитной гидродинамики КОМПАС ВРАТЬ НЕ БУДЕТ 205 лет назад, зимой 1820 года, профессор Копенгагенского университета Ханс Кристиан Эрстед демонстрировал студентам нагрев проволоки электричеством от «вольтова столба». Один из проводов гальванической цепи проходил поверх крышки морского компаса, который среди всего прочего находился на демонстрационном столе. Что случилось дальше - покрыто мраком неизвестности. В тот момент, когда Эрстед замкнул цепь, кто-то (кто именно - в этом и таится неопределенность) заметил, что магнитная стрелка компаса отклонилась. Говорят, что это был аспирант («Але, шеф! Тут стрелка прыгает!»). Говорят, что это был просто студент. Самое смелое предположение - университетский швейцар, помогавший профессору. Кто бы он ни был, а честь открытия взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями принадлежит не ему, а Эрстеду. Для начала Эрстед повторил свой демонстрационный опыт, затем стал его видоизменять. Он установил, что с увеличением расстояния между стрелкой и проводом ее отклонение становится меньше, что если провод расположить вертикально, то стрелка будет указывать не на него, а расположится по касательной к окружности, центром которой является провод, и что стрелки, расположенные на противоположных концах диаметра этой окружности, будут направлены в разные стороны. Наконец, он сформулировал правило, позволяющее определить направление действия магнитных сил. Опубликованные результаты были признаны всем научным миром. Единица измерения магнитной индукции в действовавшей тогда системе измерений СГС (сантиметр-грамм-секунда) - Эрстед - была названа в честь его вклада в науку электромагнетизма. Взволнованные этим открытием, теоретики и экспериментаторы того времени занялись его изучением. В частности, заменили твердый проводник жидким - вода, растворы солей, ртуть, расплавы металлов. В один из дней 1832 г. лондонцы, оказавшиеся на мосту Ватерлоо, были заинтересованы необычным зрелищем (Петрушин А.А., Альперович К.Д.). Группа людей, среди которых можно было увидеть знаменитого физика Фарадея, занималась тем, что погружала в воду Темзы два медных листа, подключенных проводами к гальванометру. Фарадей считал, что если воды реки, текущей с запада на восток, пересекают, хотя бы частично, линии магнитного поля Земли, то они подобны проводникам, пересекающим магнитное поле магнита. А в этом случае, как доказал сам Фарадей, в проводнике возникает электрический ток. Медные листы, между которыми текла вода Темзы, должны были соединить эти водяные проводники с гальванометром и передать на него возникающий ток. Однако, опыт не удался. Тем не менее, 1832 год, когда Фарадей задумал и обосновал этот опыт, с полным основанием стали считать годом рождения магнитогидродинамического генератора. Название этого генератора состоит из трех слов - магнит, гидро (вода) и динамика (движение) - и означает получение электричества при движении воды в магнитном поле. Опыт Фарадея не удался прежде всего потому, что вода Темзы оказалась не таким уж хорошим проводником электричества, а также были использованы приборы с низкой чувствительностью. А разность потенциалов действительно существовала. Однако в научном обороте термин «магнитная гидродинамика» (МГД) впервые появился лишь спустя сотню лет, в сороковых годах прошлого века. Ввел его шведский физик Ханнес Альфвен, занимавшийся исследованиями влияния магнитных полей на процессы, происходящие в Космосе. Он впервые сформулировал основные понятия этой науки и в 1970 году был удостоен за это Нобелевской премии. ГЕРШУНИ, ЖУХОВИЦКИЙ И ПОСЛЕДОВАТЕЛИ В Перми школа гидродинамики, породившая впоследствии и магнитогидродинамический раздел этой науки, образовалась в середине прошлого века. Считается, что из всего того, что вышло из Пермского государственного университета (если точнее, физического факультета) гидродинамика - один из самых успешных проектов. Сложилось так, что в 1945 году оказался на физфаке Георгий Андреевич Остроумов. До этого, в 1938 году, он, уже известный ученый, получил пять лет за контрреволюционную агитацию, в 1943 году по окончании срока заключения был освобожден, но оставлен на работе в лагере, затем был откомандирован в трест «Сталинуголь», где работал начальником электромеханического цеха. С помощью ректора Романа Викторовича Мерцлина он был переведен в Пермский университет, где возглавил кафедру общей физики. В 1948 году Остроумов получил степень доктора физико-математических наук, став первым доктором на физфаке. Стоит отметить, что на защите диссертации на Совете Физического института Академии наук СССР (ФИАН) одним из оппонентов соискателя стал академик Лев Ландау. В это же время в Пермь приехал молодой и очень активный профессор Иван Григорьевич Шапошников В 1949 году им была создана кафедра теоретической физики, которой он и заведовал, став впоследствии последним деканом физико-математического факультета и создателем и первым деканом физического факультета Пермского госуниверситета. Первые гидродинамические работы в Пермском университете принадлежат Остроумову. В 1952 году в центральном издательстве он опубликовал монографию «Свободная конвекция в условиях внутренней задачи», обобщив в ней результаты проводимых в университете экспериментов по конвекции (перенос тепла течением жидкости, образованным из-за разности температур).Таким образом, он положил начало новому научному направлению Пермского университета - физической гидродинамике. В это же время появился в университете молодой ассистент кафедры теоретической физики Григорий Зиновьевич Гершуни. В 1944 году в возрасте 15 лет он поступил в университет и блестяще закончил его в 1949 году. - Вот, собственно, тогда пермская гидродинамическая школа и началась, - говорит заведующий Отделом физической гидродинамики Института механики сплошных сред (ИМСС) УрО РАН доктор физико-математических наук профессор Петр Готлобович Фрик. - Гершуни в паре с Ефимом Михайловичем Жуховицким (красный диплом ПГУ в 1952 году) организовал гидродинамический семинар. Он начинался с того, что они поручали друг другу почитать статьи, которые они находили в научных журналах, и друг другу же их пересказывали и обсуждали. Постепенно семинар набирал обороты, круг участников расширялся. Вокруг Гершуни и Жуховицкого сформировался большой коллектив молодых исследователей. Пермская гидродинамическая школа специализировалась на проблемах конвекции в жидкостях и постепенно стала знаменитой работами по конвективной устойчивости. Появилась монография Гершуни и Жуховицкого «Устойчивость конвективных течений». В 1963 году упомянутый выше семинар был преобразован в Пермский городской гидродинамический семинар, его сопредседателями стали Григорий Зиновьевич Гершуни и Ефим Михайлович Жуховицкий. «И, собственно, эти два человека, формально работающие в разных учебных заведениях (Е.М Жуховицкий перешел в Пермский педагогический институт, где впоследствии возглавил кафедру теоретической физики), создавали некое сообщество, которое было, безусловно, очень важно, как для Перми, так и для всего гидродинамического сообщества страны, - вспоминали на семинаре в Пермском педуниверситете, посвященном памяти Е.М. Жуховицкого. - Пройти тестирование своей работы или рассказать о каких-то новых публикациях на гидродинамическом семинаре было высшим событием в жизни любого человека, который мог считать себя причастным к этой школе. Ефим Михайлович в основном вместе с Григорием Зиновьевичем, выпустили сотни великолепных работ. Им принадлежат совершенно пионерские вещи, в частности, вибрационная конвекция в условиях микрогравитации, которой сейчас занимаются многие ученые. Это работы 1979 года, которые создали целое направление. Безусловно эти два человека в значительной степени сформировали и оформили в виде трех классических книг теорию конвективной устойчивости, которая всегда будет связана с их именами и с Пермской школой». Что касается семинара, то он существует и по сей день, проводят его ученики и последователи этих двух талантливых людей, 11 апреля 2025 года состоялось очередное заседание под номером 1597. - То есть, это была серьезная научная школа, - продолжает П.Г. Фрик. - Школа фундаментальная, теоретическая. - Чего только ей не хватало, так это прикладной направленности, то есть, использования полученных научных знаний и достижений для практических целей. АКАДЕМИК КАК ВОЗМУТИТЕЛЬ СПОКОЙСТВИЯ [1] Спокойное и плавное (ламинарное) течение теоретической мысли было взбудоражено появлением в 1972 году в Перми академика Латвийской Академии наук Игоря Михайловича Кирко, единственного тогда академика в городе. С его появлением связывают возникновение магнитной гидродинамики в Перми. В свое время, в конце 40-х годов, И.М. Кирко организовал с нуля и возглавил Институт физики АН Латвийской ССР, был одним из создателей и редактором журнала «Магнитная гидродинамика», авторитетнейшего в этой области науки издания в СССР. Однако после какой-то заграничной командировки по рапорту сопровождавшего делегацию «гидродинамика в штатском» попал в суровую опалу, лишился руководящих должностей и работал в качестве преподавателя в Латвийском университете и Рижском военном училище. В Перми в это время создавалось первое в городе академическое научное учреждение - Отдел физики полимеров Уральского научного центра АН СССР (впоследствии - ИМСС). По приглашению пермяков Игорь Михайлович возглавил созданную в рамках Отдела лабораторию физической гидродинамики. Лабораторию предстояло создавать. Не было помещений, оборудования, простейших инструментов. Начал Игорь Михайлович с того, что организационно выделил в лаборатории несколько групп: прикладная, теоретическая, группа конвекции под руководством Валерия Дмитриевича Зимина, конструкторская группа. Отдельная группа располагалась в Березниках на территории титано-магниевого комбината и занималась проблемами, связанными с восстановлением титана. Руководить этим коллективом И.М. Кирко пригласил ученого из Донецка Эдуарда Адамовича Йодко. - Когда Кирко приехал, - продолжает рассказ П.Г. Фрик, - он, что было совершенно нетипично для физиков университета, сразу настроился на контакты с предприятиями и на поиск каких-то прикладных задач. Он стал объезжать основные промышленные предприятия региона в поисках технических/технологических задач, требующих научного подхода к их решению. Был и забавный, но характерный случай на гидродинамическом семинаре у Гершуни, рассказывает П.Г. Фрик. Кирко внимательно прослушал все выступления и привел в изумление углубленных в фундаментальность теоретиков вопросом: «Вот вы тут рассуждаете о тепловой конвекции, о том, как тепловая энергия превращается в механическую. А какой КПД? Какая часть вашей тепловой энергии переходит в механическую?» Гершуни от неожиданности едва не лишился дара речи: «Это что, коэффициент полезного действия? То, что в школе изучают? У нас, знаете ли, другие задачи...» - «Как это так? - не унимался Кирко. - Разве это не интересно? Вы задачу решили - хорошо. Но, как всякому физику, вам должно быть интересно, что можно полезного из этого получить...» Если быть объективным, надо сказать, что прикладные задачи были отнюдь не чужды Григорию Зиновьевичу Гершуни. Одной из побочных научных задач, решённых Гершуни, стало нахождение оптимального угла (80°) при гравировке декоративного стекла, при котором оно не просвечивало бы, а отражало свет. При строительстве Ленинградского метро проектировщики столкнулись с проблемой: при создании колонны сквозь стекло просвечивала бетонная основа. Учёный вычислил угол огранки стекла, при котором бетонная основа перестаёт быть видной, и колонны кажутся стеклянными монолитам. Но это - к слову. Рейды по предприятиям, организованные Игорем Михайловичем Кирко, продолжились. Он брал с собой молодых специалистов и внушал им, что без контактов с промышленностью и понимания насущных нужд предприятий, происходящих там технологических процессов они ничего в науке не добьются. Одним из сопровождавших академика в поездках стал Станислав Юрьевич Хрипченко, недавний выпускник физфака университета по специальности «Гидродинамика», впоследствии - ведущий научный сотрудник ИМСС УрО РАН, профессор, доктор физико-математических наук. - Из нашей учебной гидродинамической группы в 12 человек половина попала по распределению в лабораторию к Кирко, - рассказывает С.Ю. Хрипченко. - Меня взяли стажером-исследователем, это очень маленькая зарплата, еле-еле концы с концами сводили даже в те времена. Но мы тогда на деньги не смотрели, а хотели заниматься наукой. ТЕХМИНИМУМ ДЛЯ ГУМАНИТАРИЕВ [1] Возвратимся к опытам Фарадея на лондонском мосту Ватерлоо через Темзу. Опуская в воду реки медные пластины, он рассчитывал получить (и получил, но не смог измерить в силу малой электропроводности Темзы и недостаточной чувствительности своих приборов) электрический ток. Другими словами, он попытался заставить Темзу и магнитное поле Земли работать как генератор электрической энергии. Разумеется, эта идея в дальнейшем была воплощена в виде разнообразных МГД-генераторов, где в качестве электропроводных движущихся масс использовались расплавы металлов или ионизированный газ (плазма), а магнитное поле Земли замещалось мощными электромагнитами. Но магнитная гидродинамика умеет не только генерировать электроэнергию. Здесь напрашивается полная аналогия с электрическими машинами, которые в большинстве своем обратимы: если вращать ротор такой машины механическим способом (скажем, двигателем внутреннего сгорания), то она работает как генератор и обеспечивает электричеством, например, дачный дом. Если подать на ее клеммы электрический ток, то она сможет вращать колеса электромобиля. Такая же обратимость справедлива и для МГД-устройств. Простейший МГД-генератор представляет собой плоскую трубу, установленную между полюсами магнита. В две противоположные стенки трубы вмонтированы электроды. Через трубу пропускается электропроводная жидкость и на электродах возникает разность потенциалов. Но если заполнить трубу неподвижной электропроводящей жидкостью и пропустить поперек нее через те же электроды электрический ток, то его взаимодействие с магнитным полем приведет к возникновение силы, которая будет перемещать жидкость вдоль трубы в определенном направлении. Такое устройство нарекли кондукционным насосом. Индукционные насосы отличаются от предыдущих тем, что ток к стенкам трубы не подводится, а используется тот, что индуцируется магнитным полем в электропроводящей жидкости. При этом, чтобы возникло движение, в определенной последовательности включаются обмотки электромагнитов, так чтобы в канале насоса образовалась бегущая волна магнитного поля, которая и увлекает за собой жидкий металл. Такие насосы получили название «насосы бегущего магнитного поля». Возможен и другой вариант, когда обмотки с полюсами электромагнитов располагаются вокруг цилиндрической емкости с металлом и включаются в такой последовательности, чтобы магнитное поле пронизывающее емкость с металлом вращалось. При этом металл так же начинает вращаться. Это вращение можно использовать для перекачивания металла или для его перемешивания в технологических целях. Возможности бегущего магнитного поля продемонстрировали в 1966 году ученые-исследователи Донецкого государственного университета. На литейном дворе доменного цеха Енакиевского металлургического завода в Донбассе множество народа скопилось вдоль канавы, по которой из домны должен выпускаться чугун (И. Повх, А. Баринберг, В. Баринберг). Эта 30-метровая канава имела наклон - но не как всегда от домны к месту слива в ковш, а, наоборот, в сторону домны. Но жидкий чугун все же поднимался вверх по желобу! Под желобом были установлены индукторы - стальные сердечники с обмотками, по которым пропускался переменный электрический ток. Образовавшееся бегущее магнитное поле наводило в потоке жидкого металла электрический ток. Сила, возникшая в металле от взаимодействия поля индуктора с наведенным им током в металле, не только компенсировала силу тяжести, но и заставляла подниматься чугун вверх. Эти эксперименты на Енакиевском металлургическом заводе, не преследовали каких-то конкретных производственных целей, но показали возможности магнитной гидродинамики в решении прикладных задач. В дальнейшем из этих экспериментов возникло направление в прикладной МГД, занимающееся исследованием процессов, происходящих в МГД-лотках для жидкого металла (так стали называть такие устройства). Возможностей у прикладной магнитной гидродинамики оказалось множество. Иногда их даже сводят в таблицы и классифицируют по областям применения: плавление (при этом реализуется как обычное плавление в тиглях и ваннах, так и бестигельное плавление во взвешенном состоянии объема плавящегося металла), транспортировка жидких металлов, перемешивание металла в литейных процессах, сепарация - очистка металлов и сплавов от окислов и других не электропроводных примесей, измерение характеристик движения жидкого металла (скорость, расход и др.) Но особенно востребованными МГД-технологии стали в связи с развитием атомной энергетики. В реакторах атомных станций на быстрых нейтронах в качестве теплоносителя используются расплавы металлов, в том числе щелочных, чья агрессивность даже при комнатных температурах хорошо известно нам из школьной химии. Температура теплоносителя достигает нескольких сотен градусов. Перекачивать расплавленный металл традиционными насосами сложно и под час опасно, они слишком быстро выходят из строя из-за контакта рабочих органов с агрессивной высокотемпературной средой. Тут, как говорится, сам Бог велел воспользоваться возможностями электромагнитного поля. Преимущество МГД насосов заключается в том, что у него нет движущихся в агрессивной среде деталей. С ЧЕГО НАЧИНАЛОСЬ - Каких-то конкретных задач Кирко перед нами не ставил, - говорит С.Ю. Хрипченко. - По существу мы сами находили себе задачи, исходя из проблем, которые он описывал. Тут следует сделать небольшое хронологическое отступление. Как рассказывает С.Ю Хрипченко, свой первый МГД-насос он придумал еще в 8-м классе школы, когда по физике начали изучать электричество и магнетизм. Он подошел к учителю и спросил: почему бы не перекачивать проводящую жидкость с помощью взаимодействия электрического тока и магнитного поля? Возьмем стеклянную трубу, подведем к ней два электрода, создадим магнитное поле и будем перекачивать морскую воду. Учитель спросил, а как вы будете подводить электрический ток через стенки? - Возьмем металлическую трубу. - В этом случае весь ток пойдет по стенкам и опять ничего не получится. Учителя подвела эрудиция. Он не знал, что принципиальную схему МГД-насоса еще в 1919-м году запатентовали Альберт Эйнштейн и Лео Сциллард, что к тому времени уже появилось множество МГД-устройств разных конструкций и назначения, в том числе и тех, что перекачивают жидкие металлы. - Сейчас-то ясно, что часть тока пойдет и по морской воде, и по жидкому металлу И очень большая часть. Тогда я эту идею оставил как невозможную в реализации. А когда пришел к Игорю Михайловичу - с удивлением вспомнил. В совместных поездках с И.М. Кирко по предприятиям меня заинтересовала проблема транспортировки жидкого магния в технологическом процессе при помощи МГД-насосов. Надо было создать такое устройство, чтобы оно было простым и дешевым в изготовлении и в то же время очень надежным, работоспособным при высоких температурах в агрессивной атмосфере литейного цеха. Первая научная задача, которую решал С.Ю. Хрипченко, это исследование течений в плоском канале с жидким металлом, вызванном силами взаимодействия электрического тока, текущего через металл со своим магнитным полем. В существовавших тогда МГД-насосах, созданных различными исследователями, в качестве основного рабочего элемента насоса использовался плоский канал - он, в отличие от объемных, позволяет максимально сократить расстояние между полюсами ферромагнитных сердечников, а, значит, увеличить индукцию магнитного поля, а, следовательно, и силу, действующую на металл в канале. - Гидродинамические процессы в таких устройствах в то время были еще мало исследованы, - рассказывает С.Ю. Хрипченко. - Подходили очень упрощенно. Есть электродинамические силы, они давят на жидкий металл, и он движется как твердое тело. Это не так. Это - жидкость, и она имеет свои законы, которые отличаются от твердотельных. Можно создать такие ситуации, когда твердая пластина будет двигаться в магнитном поле, а жидкость - нет. И наоборот. В то время я порылся в литературе, увидел, что в Риге в институте Физики группа под руководством профессора Э.В. Щербинина занимается исследованием явлений обусловленных взаимодействием токов с собственным магнитным полем, но рассматривают только объемные задачи. При неоднородном протекании электрического тока в объеме жидкого металла из-за его взаимодействия с собственным магнитным полем могут возникнуть так называемые электровихревые течения. Но у меня было другое. У меня был плоский канал. И там процессы совершенно отличаются от объемных. В объеме, чтобы возникло электровихревое течение достаточно неоднородного растекания электрического тока. Для плоского канала, который помещен в зазор между ферромагнитными сердечниками, этого недостаточно. В плоских каналах, чтобы возникло вихревая сила, нужно создавать специфические условия. В частности, нужны края сердечников, чтобы эти края генерировали вихревые силы. Это, вроде, на поверхности лежит. Но я впервые это описал. Впоследствии были сформулированы условия в возникновения насосного эффекта при протекании в них электрического тока. Был так же экспериментально и теоретически обнаружен неописанный ранее новый физический эффект, обусловленный протеканием по каналу переменного электрического тока. Этот эффект мог обеспечить перекачивание жидкости в канале, и был нами назван скинслойным механизмом. И тут, как рассказывает С.Ю. Хрипченко, в этих исследованиях сильно помог ему Валерий Дмитриевич Зимин, в то время уже кандидат физмат наук (позднее и доктор), руководитель группы изучения конвекции лаборатории физической гидродинамики ИМСС. О Валерии Дмитриевиче Зимине можно сказать, что этот «богатый идеями ученый, энергичный, работоспособный и как-то был недооценен у нас. Он в начале 90-х по приглашению американской стороны уехал в командировку в Соединенные Штаты, там остался, со временем стал работать профессором в одном из университетов Америки и с тех пор на Родину больше не возвращался. Он и ушел из жизни в Америке. Возвратимся, к описываемому. - У меня не заладилось с уравнениями, описывающими течение жидкого металла в плоском канале, помещенном в щель ферромагнитного массива при протекании по металлу сильного электрического тока. Получалась такая вещь. В эксперименте электровихревое движение есть, а в уравнениях оно не получалось. Получалось, что там нет вихревого движения. И вот тогда мы с Зиминым засели, разбирались с этим вопросом, и разобрались. В результате, используя физические приближения, мы написали двумерные уравнения, описывающие явления в этом случае Те, мои первые уравнения, писались для ламинарного (спокойного) течения жидкости. Они объясняли физику явления, по ним можно было даже кое-что смотреть. Но тогда, и окончательно позже, когда я уже был кандидатом, я понял, что в плоских каналах реально создается турбулентное течение. И у нас получилась научная статья, такая основополагающая, о течении жидкого металла в условиях плоского канала между ферромагнитными сердечниками и при протекании по нему электрического тока. Мы отправили статью в журнал «Магнитная гидродинамика». А позже из Харькова, продолжает С.Ю. Хрипченко, от Эдуарда Васильевича Щербинина - он с соавторами писал книжку «Электровихревые течения»(основная книжка по электровихрям) - поступило предложение написать в нее главу о вихревых течениях в плоских каналах. Я, конечно, написал свою часть. В авторы меня не включили, но в конце книжки написали, что такая-то глава написано мной. Для молодого кандидата наук по тем временам, это было счастье! Научные интересы и продвижение Станислава Юрьевича Хрипченко в подробностях мы описывать не будем. Приходилось ему заниматься и оборонное тематикой («тогда Америка грозила космическими войнами, мы должны были реагировать и работали с институтом Астрофизики») В рамках государственной программы (в которой были задействованы помимо группы их ИМСС Институт Физики в Латвии, Институт металлургии в Киеве, ученые из Донецка и ,Институт ВАМИ в Петербурге) занимался исследованием неустойчивости границы двух сред «алюминий - электролит» на Таджикском алюминиевом заводе - неустойчивости, приводящей к авариям в цехе электролиза. Любителям потешить воображение масштабами кратко опишем, что это такое. Электролизер - это ванна 12 на 3 метра, глубиной в 1 метр. В ней расплавленный алюминий и сверху тонкий слой электролита (расплавленный глинозем и фтористые соединения). Через ванну посредством угольных электродов пропускается постоянный ток в 250 тысяч ампер подводимый по медным шинам в сечении 25 на 10 см. Таких ванн в цехе 10 штук в одном ряду и 10 - в другом. Там действуют огромные магнитные силы. С ломом в руках по цеху не пройдешь - притянет к токопроводящей шине. И вот когда алюминий плавится и слой его увеличивается, а слой глинозема, соответственно, уменьшается до критической толщины, может возникнуть искажение границы раздела алюминий - электролит и произойти короткое замыкание, взрыв, авария. Как избежать этого - и было задачей исследования. С течением времени к С.Ю. Хрипченко примкнули Вениамин Михайлович Долгих и Сергей Анатольевич Денисов (оба ныне кандидаты наук, работают в ИМСС). Эта группа вплотную занялись разработкой и созданием (своими руками) МГД-насосов различных типов и назначений для перекачки жидкого магния и других металлов. Насосы были внедрены в производство на Берениковском и Соликамском титано-магниевых комбинатах. На их счету множество патентов и свидетельств об изобретениях. АКАДЕМИК - КАК ВОЗМУТИТЕЛЬ СПОКОЙСТВИЯ [2] Многие считают, что деятельность Игоря Михайловича Кирко в Перми была как бурной, так и сумбурной. С одной стороны, он организовал первую в Перми Всесоюзную конференцию по МГД, обозначив тем самым появление нового центра по исследованиям в области магнитной гидродинамики, организовывал регулярный ежемесячный семинар, на который съезжались ученые со всей страны. Магнитной гидродинамикой серьезно занимались на Украине- в Киеве и Донецке, в Риге, Таллине, Ленинграде и в Москве - это были очень крупные центры. Соискатели ученых степеней (как кандидатских, так и докторских) считали своим долгом доложить И.М. Кирко о своих научных результатах или диссертациях. - Мы, молодые, ходили на этот семинар, - вспоминает С.Ю Хрипченко, - атмосфера там была очень демократичная, мы могли участвовать в дискуссиях, спорить и так далее. И этот семинар позволял нам быть в курсе всех событий в своей науке. С другой стороны, Игорь Михайлович вносил в планомерную, размеренную и последовательную жизнь фундаментального научного сообщества элемент неопределенности, неожиданности, если не сказать - безалаберности. Чем это обусловлено, сейчас уже никто не может сказать. Скорее всего, действовал комплекс причин. Создав в свое время институт, который впоследствии стал научным центром по МГД мирового уровня, вращаясь среди наших ведущих ученых - капитанов науки, он привык мыслить масштабно крупными категориями- отсюда стремление к решению неподъемных по трудности задач, которыми он в изобилии снабжал своих аспирантов и даже студентов. Понятна и возрастная усталость, лучше сказать, нежелание повторять уже пройденный в Латвии путь создания с нуля академической школы (он рассказывал молодым сотрудникам, что Латвийский институт, директором которого его назначили в 1949 году, размещался поначалу в двух списанных автобусах). Это и свойственная ему увлеченность, заставлявшая переключаться от одной нерешенной еще проблемы к другой - столь же сложной и малоперспективной по части конечного результата. При этом он обладал большими организационными возможностями, обусловленными прошлым участием в грандиозных научных проектах, связанных с использованием атомной энергии. Сохранившиеся дружеские связи в высших научных и административно-научных кругах позволяли ему достигать того, что в провинциальных умах казалось немыслимым. Здесь показателен такой эпизод, который остался в памяти свидетелей. В Свердловске выставку научных достижений Уральского научно центра АН СССР в 80-х годах прошлого века почтил своим вниманием Президент Академии наук СССР академик А.П. Александров, участник создания атомного оружия в СССР, один из основателей советской ядерной энергетики, разработчик компактных атомных реакторов для атомных ледоколов и подводных лодок - всего не перечислить. Внушительная свита во главе с Президентом размеренно передвигалась вдоль экспонатов почти без остановок. У стенда лаборатории физической гидродинамики Пермского Института механики сплошных сред скромно стоял ее начальник. И тут произошло нечто необычное. А.П. Александров остановился, по-братски обнялся с И.М. Кирко и добрых 15 минут расспрашивал Игоря Михайловича о его житье-бытье, о задачах, которыми от теперь занимается. Свита все это время ждала. А в ее составе, смеем утверждать, терпеливо переминался с ноги на ногу и первый секретарь Свердловского обкома КПСС, будущий Президент России Борис Ельцин. Вернемся, однако в 70-е. П.Г. Фрик: - Молодые ребята оказались в очень сложных условиях, потому что Игорь Михайлович раздавал задачи, которые им были не под силу. Некоторые из таких задач решаются научными коллективами, и не решены до сих пор. Сотрудники его лаборатории, особенно молодые, варились в собственном соку, не получая от научного руководителя никакой помощи. Он попросту забывал о том, что у него есть аспиранты. Но при этом все отмечали его, как человека обаятельного, доброжелательного, много чего знающего, незлобивого. И если кто-то из аспирантов сумел продвинуться в науке самостоятельно и приходил к нему с результатами, он извинялся, чуть ли не каялся. Одним словом, из первого набора аспирантов под руководством И.М. Кирко никто не защитился. Кто-то уходил из науки, кто-то находил себе другого научного руководителя. Насколько непросто было ученикам Игоря Михайловича, настолько же сложно было и тем, у кого он сам был в подчинении. Он был человеком без тормозов, характеризует его П.Г. Фрик. Любые кабинеты ему были доступны, любые идеи казались ему реализуемыми. Работать «под ним» было трудно. А работать «над ним» - невозможно: все время происходило что-то непредсказуемое, предпринимались действия, ни с кем несогласованные. То вдруг обнаруживалось, что куплены огромные дорогостоящие генераторы, которые затем ни разу не были использованы. - Ужасная эпопея была с криогенной станцией (установка сжижения газов при низких температурах). Ее в Свердловске по каким-то причинам демонтировали. Игорь Михайлович ее приобрел. Четыре фуры с прицепами привезли ее в Закамск, выгрузили. Потом несколько лет под нее строили фундамент, но не достроили. Оборудование раз за разом уходило под снег. И в конечном итоге станцию разворовали. А под эту станцию Игорь Михайлович переманил к себе молодого специалиста, инженера-криогенщика Вениамина Долгих. Затем выяснилось, что такую установку должны обслуживать 16 специалистов. Столько ставок даже Кирко выбить не смог. Идея заглохла. А выпускнику Харьковского политеха Долгих предложили «учиться гидродинамике» с нуля. Для чего его прикрепили к почти такому же молодому специалисту С.Ю. Хрипченко (Анка из «Чапаева»: «Учи меня пулемету, дьявол!» -авт.). Вскоре в эту группу вошел и Денисов, выпускник электротехнического факультета Пермского политеха, аспирант Игоря Михайловича, получивший у него, в числе других, задачу разработки электромагнитных подшипников для гигантского механического накопителя энергии. Грубо говоря, это многотонный, почти пятиметровый в диаметре толстый металлический диск, который раскручивается электромоторами до немыслимых скоростей в то время суток, когда дефицита электроэнергии не наблюдается. А затем, работая как генератор, он должен сглаживать пиковые нагрузки на энергетику едва ли не целого города. На это накладывались и бытовые проблемы. Институт тогда своих помещений еще не имел. И Кирко по всему городу снимал углы. Группе Хрипченко поначалу отвели вестибюль в угольном институте. Они там плавили олово, мотали катушки для электромагнитов, гнули и варили трубы из нержавейки. Но затем И.М. Кирко перевел их в переоборудованный угольный бункер в Закамске. Потом они переехали на завод «Коммунар», отсюда - в химический корпус университета, где им выделили комнату. Из химкорпуса - в подвал Дома Грибушиных. И эти ребята все свои станки, стенды и железо (а железа там много - и все тяжелое) так и таскали по всему городу. После скандала на ученом совете ИМСС, когда несколько ведущих сотрудников лаборатории заявили, что не могут работать с академиком, и подали заявления об уходе, Игорь Михайлович почувствовал, что и ему тесно в рамках института, и институту с ним не комфортно. Захотелось большей самостоятельности и независимости. Игорь Михайлович решил перейти всей лабораторией в новый институт Машиноведения в Екатеринбурге, для чего организовал Пермский филиал. Часть сотрудников устала работать с Кирко, и эта часть осталась в ИМСС. Остальные перешли в ИМаш. - Я перешел, - рассказывает С.Ю. Хрипченко, - потому как у меня была группа и мы с Кирко в то время занимались электролизерами. Кроме того, на мне был аспирант Кирко, и я не мог его бросить. Кстати, первоначально Дом Грибушина был полностью передан для Кирко. Но нуждался в ремонте. Когда ремонт начался, мы временно переместились в подвал. Там оборудовали несколько неплохих комнат. Потом началась разруха, - перестройка, когда зарплаты хватало только на буханку хлеба. Как мы выжили - это отдельная тема. В рыночные реформы Игорь Михайлович вписался. В тренде новых веяний он организовал единственный в России научный кооператив, и стал заниматься разработкой и производством бытовых озонаторов. Филиал постепенно распадался. Хрипченко, Долгих и Денисов, еще долгое время работали в подвале Дома Грибушиных, «в антисанитарных условиях», как деликатно выразились они. И в конце 90-х годов они предложили директору ИМСС принять их обратно. ЗА ГРАНЬЮ ВЫЖИВАНИЯ Не завидую тем, кто возьмется описывать жизнь науки в 90-х годах прошлого века. Потому и сам обозначу этот период вкратце. Это можно сделать всего «в двух словах». Наука жила не на грани, а за гранью выживания. П.Г. Фрик: - Когда мне в 92 году досталась лаборатория физической гидродинамики, в ней было два с половиной человека. Зимин уехал в командировку в Техас в 90-м году. Как потом стало понятно - навсегда. Многие ушли зарабатывать на жизнь на стороне. В лаборатории было людей - по пальцам сосчитать. Причем, тех, кто действительно хотел наукой заниматься - почти никого. Была Галина Владимировна Левина. Был аспирант Витя Захаров. Вот и вся лаборатория. Время, конечно, было трудное. Но в чем-то и интересное. Свободное. Открылись границы. Не воспользоваться этим было бы неразумно. В 1992 году появилась возможность поработать полгода в Стокгольме. В шведском Центре параллельных вычислений Королевского технологического института П.Г. Фрик разрабатывал алгоритмы численного исследования турбулентных потоков с помощью иерархических моделей турбулентности. Построение специальных моделей для описания турбулентных потоков имело прямое отношение к вейвлет-анализу - молодому, тогда только зародившемуся направлению в науке. Не будем пояснять, что это такое, пусть оно останется для читателя туманным, загадочным и прекрасным видением. (Нарушая хронологию, скажем, что в 1995 году по предложению Фрика в рамках традиционной для ИМСС Зимней школы по механике сплошных сред состоялся семинар по вейвлет-анализу с участием одного из основоположников этого направления А. Гроссманна. Петр Готлобович занялся тематикой, связанной с анализом магнитных полей в космосе, солнечной активности, изменений магнитного поля Земли, обработкой галактических данных. Постепенно сложилось сотрудничество с обсерваторией Парижа, Институтом физики Земли РАН, с Институтом радиоастрономии в Бонне, Астрофизическим центром Гарварда). В 1993году П.Г. Фрик работал в Лаборатории динамической метеорологии в Париже. В те времена зарубежные исследовательские центры очень активно и охотно приглашали российских ученых, имея, возможно, тайный умысел. Во всяком случае, когда разразился в России политический кризис 1993 года, начались уговоры. - Меня несколько месяцев французские коллеги «прессовали», - вспоминает Петр Готлобович. - Типа, зачем возвращаться? Страна разваливается, гражданская война на носу. Ты, с твоим французским, говорили они, здесь прекрасно устроишься. Все условия для работы будут созданы... Что касается языков, П.Г. Фрик отлично владеет не только французским, но и немецким, и английским. А искал он за рубежом не место работы, а контакты с научным сообществом, которые дают неоценимую возможность обмениваться опытом. И не только ему, но и молодежи, которая уже начала заполнять вакантные места в лаборатории физической гидродинамики ИМСС. - Понемногу я начал ребят набирать. В тот период Петр Валентинович Трусов предложил мне читать курс турбулентности студентам специальности Математическое моделирование Пермского политеха. Ребята-студенты были очень толковые, хорошо подготовленные, талантливые. И из каждого выпуска я стал брать по одному человеку в свою лабораторию. Первым был Денис Галягин, затем Родион Степанов, Сергей Ложкин, Тимофей Антонов. Илья Колесниченко, Руслан Халилов. Все они были хорошо теоретически подготовлены, владели численными методами. В это же время и группа Хрипченко вернулась в ИМСС. АКАДЕМИК - КАК ВОЗМУТИТЕЛЬ СПОКОЙСТВИЯ [3[ Очередной мой вопрос П.Г. Фрику был такой: «Почему, несмотря на сумбурную деятельность и достаточно безалаберное руководство, многие вспоминают Кирко с теплотой?» - Он все-таки был личностью незаурядной. А портреты таких людей невозможно одной краской нарисовать. Это была такая многогранная, но противоречивая натура. И хотя у многих людей отношения с ним не сложились, он и много и полезного сделал, и о себе хорошую память оставил. Тут лучше всего воспроизвести часть статьи за авторством П.Г. Фрика и С.Ю. Хрипченко в «Вестнике Пермского федерального исследовательского центра» №1, 2024г.: «Практически в первые годы работы в Перми он (И.М. Кироко - авт.) организовал ежемесячный Пермский семинар по Магнитной гидродинамике, на котором регулярно делали доклады известные ученые и еще неопытные исследователи из основных центров Советского союза, где занимались фундаментальными и прикладными вопросами магнитной гидродинамики. Авторитет Игоря Михайловича среди ученых, занимающихся МГД, был очень высок, поэтому с выступлениями на наш семинар приезжали исследователи со всего Союза. <...> Тематика сообщений на семинаре была очень разнообразной: на нем, например, выступали с докладами по проблеме винтового МГД-динамо (А. Гайлитис), по мелкомасштабному турбулентному динамо (А.А. Рузмайкин), по вопросам литья металла в электромагнитный кристаллизатор (З.Н. Гецелев) и по проблеме создания МГД-генератора (Е.И. Янтовский). В начале восьмидесятых годов мы познакомились с проблемами реализации идеи атомного ракетного двигателя, работы по созданию которого велись уже в то время. По приглашению Игоря Михайловича в Пермь приезжал академик Леонид Иванович Седов, который выступил на семинаре с докладом по ключевым проблемам механики, а его заместитель (как директора института механики МГУ) С.С. Григорян сделал доклад о модели Тунгусского метеорита. В свой приезд они посетили нашу лабораторию, где мы имели возможность показать свои эксперименты и рассказать о них. Рассматривая одну из экспериментальных установок, в которой модель для термостатирования была помещена в обычную большую алюминиевую кастрюлю с машинным маслом, Л.И. Седов, обращаясь к Григоряну, пошутил: «Учитесь, как при помощи обычных вещей делать хороший эксперимент, подобно тому, как Фарадей употреблял сургуч и веревку». И.М. Кирко имел широчайший круг контактов в научных кругах страны и охотно делился своими связями, помогая устанавливать научные контакты молодым сотрудникам. Он сделал нас активными участниками знаменитых Рижских совещаний по магнитной гидродинамике, он способствовал контактам пермской научной молодежи с коллективом Рижского института физики, который был безусловным лидером в области экспериментальной магнитной гидродинамики, и нам было чему поучиться у опытных коллег. Благодаря Игорю Михайловичу появился контакт с группой академика Я.Б. Зельдовича, занимавшейся проблемой космических магнитных полей. Этот контакт со временем перерос в многолетнее плодотворное сотрудничество». - Одно можно сказать точно, - продолжает беседу П.Г..Фрик. - Если бы Кирко не приехал в Пермь, не было бы здесь магнитной гидродинамики. Если бы он не нашел преданного ученика в лице Станислава Юрьевича Хрипченко, если бы мы не воссоединились в 90-е годы с его группой, не было бы у нас и прикладной магнитной гидродинамики. Все эти станки, стенды, галлиевое, магнитное хозяйство они привезли сюда из Дома Грибушина и из Закамска, где хранилось все самое тяжелое и массивное. С нули мы бы это в то время создать не смогли. И в экспериментальном плане самый большой авторитет был тогда у Станислава Юрьевича Хрипченко. На него опирались, когда стали искать задачу, которая помогла бы нам выйти из безнадежного в материальном отношении положения. Задачу эту можно было бы кратко сформулировать так: «Экспериментальное воспроизведение магнитного поля Земли в лабораторных условиях». Был получен грант из Фонда МНТЦ (Международного научно-технического центра) в размере 1 миллиона долларов. Бешеная сумма в те времена. Подробно можно прочитать об этом эксперименте, если пройти по ссылке: http://permnew.ru/news?post_id=24863 В интернете не принято давать какие-либо предупреждения, но старомодное благородство заставляет меня этим пренебречь: переход и последующее чтение может занять не меньше 40-50 минут. Поэтому ссылку лучше где-нибудь сохранить и перейти по ней на досуге. Ну и подводя промежуточный итог. Повторим еще раз с уточнениями. Если бы не Пермская гидродинамическая школа, созданная Г.З. Гершуни, Е.М. Жуховицким и их предшественниками, Кирко не приехал бы в Пермь и не начала развиваться такая область этой науки, как магнитная гидродинамика. Если бы не преданный ученик Кирко в лице С.Ю. Хрипченко, экспериментальное хозяйство на жидких металлах в 90-е годы просто не выжило бы. А воссоединение этой группы с лабораторией физической гидродинамики ИМСС позволило осуществлять в институте полный спектр исследований -от эксперимента до теоретических фундаментальных исследований. Продолжение следует: ПЕРМСКАЯ МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА [2]— фрагменты ее истории https://ok.ru/permnewru/topic/157206950373601 ПЕРМСКАЯ МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА [3]— фрагменты ее истории https://ok.ru/permnewru/topic/157206950570209 #ИМСС #Пермь # Александр Куличкин Читать на сайте — https://permnew.ru/news?post_id=26766
ПЕРМСКАЯ МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА [2]— фрагменты ее истории
Во время недавнего визита в Пермь Министр науки и высшего образования РФ В.Н. Фальков ознакомился с работой Института механики сплошных сред УрО РАН. Министр осмотрел лабораторию Технологической гидродинамики. Здесь ему показали Натриевый испытательный стенд, на котором проводятся приемочные испытания аппаратов для Белоярской АЭС и продемонстрировали результаты работ с жидкими металлами. Достижения пермских ученых были высоко оценены. Наш рассказ — о развитии и становлении в Перми магнитной гидродинамики. Продолжение. Начало здесь: ПЕРМСКАЯ МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА [1]— фрагменты ее истории https://ok.ru/permnewru/topic/157206950111457 РАССУЖДЕНИЯ ДИЛЕТАНТА Есть два вида ученых. Одни, теоретики, глубоко погружены в какую-либо проблему, работают почти исключительно с математическим аппаратом пером на бумаге. Сейчас сказали бы - на бумажном носителе. Их задача создать правдоподобную математическую модель чего-нибудь, рассчитать ее, а затем отдать для проверки на жизнеспособность экспериментатору. Другие, экспериментаторы, - это люди, которые умеют и даже любят делать что-то своими руками. Они могут починить испортившийся прибор или даже построить новый, умеют работать на станках или напильником, умеют паять, монтировать, подгонять по месту. Их задача экспериментально исследовать явления природы, а так же, что не менее важно, подтвердить или опровергнуть выдвинутые теоретиками идеи. В прикладных задачах науки теоретика от экспериментатора трудно отличить. В группах, работающих над одной темой, кто-то больше экспериментатор, кто-то больше теоретик. Здесь задачей является изготовление объекта. Конструктивные идеи возникают на основе общих теоретических положений, и являются иногда предметом крутых споров, сводящихся к взаимоисключающим утверждениям типа: «Будет работать!» - «Не будет работать!». Разрешаются споры созданием лабораторной модели, которая часто дает непредсказуемый результат - то негативный, то позитивный. А иногда и неожиданный. В последнем случае конечным итогом является патент на изобретение с последующим внедрением. Конечно, здесь большую роль играет научная интуиция. Теория помогает лишь найти правильное направление эксперимента. Эксперимент дает какой-то конкретный результат. А затем из эксперимента извлекаются теоретические разработки. Группа Хрипченко - Долгих - Денисов считает 90-е годы наиболее плодотворными. В те времена чиновникам стало не до ученых. Их не загружали громоздкими отчетами и не контролировали каждый шаг исследований. Зарплату какую-то платили, а дальше - занимайтесь, чем хотите. Свободный полет. На Денисова возлагалась вся электрическая и магнитная часть. Дадим ему слово. - Сами нарезали из трансформаторной стали и склеивали сердечники, наматывали катушки. Магнит весит под сотню килограммов. Катушка - килограммов тридцать. Вот ее ворочаешь, провод толстый, в сечении 7 миллиметров, двойной, руками такой не прижмешь. Молотком то с одной стороны, то с другой. И так порядка сотни витков. Долгих больше любит поковыряться с железками. Куча вариантов насосов. Все их перебирает. Сколько он труб извел - не счесть. Ему это интересно. Не надо только ему мешать. Хрипченко - он больше на теорию опирается. Доктор наук, профессор. Спорят они с Долгих постоянно. Как правило, споры разгораются в связи с причинами, вызывающими возгласы типа «Ничего себе!» Ну или сходные, причем более распространенные. В эксперименте вдруг обнаруживается новое явление, механизм которого не совсем ясен. То есть, эксперимент дает неожиданный результат. А именно - работает то, что вроде никак не должно работать. В результате споров на этом эффекте разрабатываются МГД-насосы обладающие уникальными свойствами. Если говорить только о насосах для перекачки расплавленных металлов, то эта группа создала для предприятий титано-магниевой отрасли и других довольно много оригинальных и интересных по конструкции аппаратов. В монографии С.Ю Хрипченко «Электровихревые течения в каналах МГД-устройств» описываются такие, как безобмоточный насос который они назвали «зиг заг», насос « Пуш-Пул», что можно перевести с английского, как «тяни-толкай» (два ферромагнитных сердечника в разных точках конструкции создают тянущий-толкающий эффект, перегоняя жидкий металл в одно направлении), различные центробежные электровихревые насосы. Был разработан и изготовлен в лаборатории МГД-насос для создания управляемого высокого давления в различных технологических устройствах. Насос создавал давление более 1000 атмосфер. Надо сказать, что такое давление не создает ни один существующий МГД-насос Не умаляя достигнутых экспериментаторами второй половины и конца ХХ века результатов. все же скажем, что эксперимент (и извлекаемое потом из него теоретическое обоснование) не единственный способ достижения цели. И зачастую ученые, как люди, не лишенные чувства юмора, оценивают полученные результаты, в виде примерно такой формулы: «Что получилось, то и хотели!» Время работы по жестко заданным параметрам, с программно-вычислительными комплексам тогда еще не пришло. В НАУКЕ СТОЛЬКО ИСТИНЫ, СКОЛЬКО В НЕЙ МАТЕМАТИКИ Здесь мы отвлечемся от гидродинамики, чтобы рассказать о достаточно удивительных вещах. О вузовской специальности, которая не признает границ между самыми разными природными явлениями. Специальность эта весьма подошла бы тем, кто стремится в науку, но еще не определил для себя места в ней. То есть, тем, кто подобно Буриданову ослу, никак не может выбрать между двумя охапками сена. Когда-то давно, в начале 70-х, будучи еще студентом, я спросил у другого студента, курсом старше, читал ли он нашумевшую повесть Астафьева «Пастух и пастушка»? - Нет, - ответил он. - Я не читаю художественную литературу. Читаю только научную. И знаешь, там такие разворачиваются интриги, так закручивается сюжеты - не оторвешься. Звали студента Петр Трусов. Теперь он профессор, доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой «Математическое моделирование» Пермского национального исследовательского политехнического университета. - Неужели я так говорил? - удивился он, когда я напомнил ему этот эпизод. - Еще в школе, в Красновишерске, я просто пропадал в библиотеке. Меня даже пропускали в фонд. Всегда старался и сейчас стараюсь не пропускать ничего из стоящего. Впрочем, в студенческие времена такое, наверное, мог сказать. На художественную литературу тогда просто не хватало времени. -Я учился в политехе на специальности «Динамика и прочность машин», - продолжает Петр Валентинович. - Несмотря на то, что это была элитная специальность, и нам давали совсем неплохую фундаментальную подготовку, я понял, что этого было недостаточно. Математики было много, но не затрагивались такие ее аспекты, как функциональный анализ, дифференциальная геометрия. Отдельного курса тензорного анализа не было. Пришлось заниматься самообразованием. Аспирантуру я закончил в МИСИСе - Институт стали и сплавов. Там познакомился с математиками, потом ходил на семинары в МГУ, на кафедру теории упругости. Там завкафедрой был член-корреспондент Академии Наук Алексей Антонович Ильюшин. Там я понял, что механика - это гораздо глубже, чем нам давалось в свое время. И вот тогда появилась мысль, что надо создавать специальность, которая была бы настроена на фундаментальную подготовку. И эта мысль оказалась правильной. Знания технические, особенно сейчас, знания, связанные с информатикой, обновляются каждые два-три года. И если у человека нет фундамента, то ему надо переучиваться каждые три-четыре года. Не будем пересказывать историю о том, как трудна оказалась задача создания новой кафедры в начале 1990-х годов. Несмотря на поддержку многих авторитетных ученых, в том числе академиков, на энтузиазм местных ученых, идея создания в техническом вузе фундаментальной кафедры физико-математической направленности никак не укладывалась в головах министерских чиновников. - Слава Богу, меня поддержал в Москве Александр Андреевич Самарский, академик, основатель математического моделирования у нас в стране. Ну, и тогдашний ректор Пермского политеха - Адольф Александрович Бартоломей. В 1990-м году мы сделали первый набор студентов. Теперь наши выпускники где только не работают. В банках, в сфере IT,, в горных делах, в космических проектах. Ну, конечно, требуется время для адаптации к конкретным задачам... - То есть, фундаментальная подготовка позволяет легко внедриться в любую отрасль науки - это так? - спрашиваю у Петра Валентиновича. - Именно так. Еще Иммануил Кант сказал: в каждой науке столько истины, сколько в ней математики. - Все же объясните, каким образом достигается такая универсальность. - Например, есть такая область знаний, на стыке механики и физики, как теория определяющих соотношений. Это свод теорем о поведении всех тел. В природе существует всего три вида состояния тел: твердое, жидкое, газообразное. О чем дальше речь. В большинстве наук есть как бы два типа законов. Одни законы всеобщие, такие как, законы сохранения массы, количества движения, момента количества движения. Но этих законов недостаточно, чтобы описывать поведение реальных объектов. Другая группа законов определяет конкретику. Например, вот это - бумага, а это - стол. Оба твердые, но имеют разные физико-механические характеристики, разное строение. Теория определяющих соотношений - это именно наука о второй группе соотношений. И там есть какие-то свои аксиомы, которые позволяют нарисовать контуры моделей материалов, отсеять неприемлемые варианты. Например, есть такая аксиома - независимость от выбора системы отсчета. Система отсчета - это некое тело, которое мы можем считать абсолютно твердым, и связать с ним систему координат. Ну, для инженерных задач - это Земля и связанная с ней тройка осей. Так вот, если мы записываем определяющие соотношения в одной системе координат, то они должны быть такими же в любой другой системе координат. Это одна из аксиом. А их там немало. То есть, это такая общая наука об описании поведения материалов, о моделях описания поведения материалов. Эта наука дает общие знания. На самом деле, когда начинаешь работать в конкретной области, допустим, с жидкими металлами, то понимаешь, что их поведение своеобразно. Теория определяющих соотношений намечает контуры. Но они далеки от конкретных соотношений тех же расплавов, где огромную роль играют, например, магнитные свойства, вязкость, теплопроводность, удельный вес и т.д. Поэтому в программе обучения предусмотрены большие курсы по специальным дисциплинам, которые нашим студентам читают действующие ученые высокого уровня, в том числе ведущие специалисты Института механики сплошных сред. Изначально задача была оснастить нашу кафедру в первую очередь людьми, способными ставить и решать серьезные задачи, сопряженные с физикой, на высоком математическом уровне. - Специальность «Математическое моделирование» - это что? - Начиная примерно с 70-х годов уже появились более или менее нормальные модели. А сейчас просто немыслимо, чтобы проектирование какого-то технологического процесса начиналось с эксперимента. Эксперименты сейчас проводятся для исследования каких-то необычных свойств. Или для исследования физико-механических характеристик, потому что без этого не построить модель. Но в основном, все начинается с построения цифрового двойника. В модели возможно вообще все, что угодно, придумать, какие угодно условия задать. Можно создать модель какого-нибудь металлургического процесса, можно создать модель человека. Принципиальной разницы нет., хотя, казалось бы - где металл, а где человек. Но мы работаем как бы с одними и теми же материалами, с уравнениями. Те же самые законы сохранения, те же самые законы механики сплошной среды. Когда есть фундамент, можно все освоить. - Модели человека? - Мы и этим занимаемся, хотя кафедра у нас, в основном, твердотельная (нелинейные механика и физика твердого тела - авт.). Работа ведется совместно с Федеральным центром управления рисками и здоровья населения. Он расположен на Монастырской напротив Слудской церкви. Там два двухэтажных домика. Научный руководитель академик РАН Нина Владимировна Зайцева. Она очень мобильна по отношению к новому. И она в свое время сагитировала меня. И туда пришли трое выпускников нашей кафедры. Двое уже защитились. Один - по желудоччно-кишечному тракту, другой - по иммунной системе, а вскоре состоится очередная защита (уже состоялась, по дыхательной системе. - авт). То есть, работаем там по отдельным органам и система человека. - Догадываюсь, это модели не из мяса, нервов и костей? - Это численные модели. Сейчас работаем над моделью дыхательной системы. Мы на ней смотрим, например, как поступают частицы запыленного воздуха, как и где они оседают. Как вообще идет процесс дыхания. На модели мы можем какую угодно ситуацию создать. Например, заставить человека дышать парами цианистого калия. В натурном эксперименте этого не сделаешь. Модели, особенно, если модели очень качественные, - это дар небес, по сравнению с эмпирикой. - С цианистым калием - это, конечно, круто. А реальные цели какие? - Возьмем, допустим, такую вещь, как санитарные нормы. Сейчас они нормируют запыление атмосферы частицами, размеры которых порядка микрона. Мы на модели показали, что при оценке допустимой чистоты воздуха следует учитывать частицы субмикронного и даже наноразмерного масштаба. Они проникают в глубь легких. А это суровая штука, потому что они из глубоких долей легких не выводятся. Они там оседают. В воздухе, которым мы дышим, огромное количество таких частиц, в том числе, тяжелых металлов. Это значит, что в легких начинают зреть очаги онкологии, силикозаа и прочих болезней. - Что дальше? - Дальше будем создавать еще одну подмодель - кровеносной системы. С ней работают очень многие. Мы, наверно. просто возьмем чью-нибудь модель, и адаптируем ее, это очень сложные модели. Там надо не только о крови говорить, но и о лимфе. Огромное количество сосудов. Их напрямую просто не описать. Мы так и с легкими поступили. Представляешь, сколько в легких альвеол? Они там 2-3 микрона размером. И их 660 миллионов. Плюс канальчики, которые их соединяют. Если моделировать впрямую, методом конечных элементов, всех компьютеров Земли не хватит для того, чтобы в разумное время это просчитать. В общем, была предложена модель пористого тела. И вот она работает. Надо всегда понимать, что матмодель - это никогда не копия реальности. Один из основателей кибернетики Норберт Винер говорил, что наиболее совершенной моделью кота является такой же кот, а лучше - он сам. В нашей модели мы охватили все верхние дыхательные пути и легкие, которые мы моделируем как пористую среду. Там все очень сложно. Прямые и обратные связи с центральной нервной системой, с периферической. В этих моделях очень многое еще надо дорабатывать. Допустим, по тому же желудочно-кишечному тракту - там нам надо отладить обратные связи по ферментам, по составу химическому. Все это управляется и периферической нервной системой и центральной. Что к чему относится, не известно до конца пока. Этим и занимаются наши ребята, которые были подготовлены по нашим программа. Добавим к сказанному. Каждый студент, обучающийся на этой кафедре, с третьего семестра обязан заниматься наукой. Один раз за семестр он обязан выступить на семинаре с докладом о своей работе и еще один раз - с рецензией работы коллеги. Преподают здесь в солидном объеме такие фундаментальные дисциплины, как Механика сплошной среды, Теория пластичности, Тензорный анализ, Физическая теория пластичности, Теория определяющих соотношений, Гидродинамика, Дифференциальная геометрия. О численных методах в целом и в приложении их к конкретным отраслям науки, об информационных технологиях и их всевозможных разделах - и говорить нечего. - Учиться у нас, конечно непросто, - заключает П.В Трусов. - Из тридцати поступивших абитуриентов к четвертому курсу остается только половина. Это не значит, конечно, что неудачники выбрасываются на улицу. Их с удовольствием принимают для продолжения учебы на любые другие специальности. Ну, а оставшиеся, как правило, продвигаются в науке достаточно успешно. ВСЕ, ЧТО ПРОСТО, НЕ ТАК УЖ И ПРОСТО Кадровый провал 1990-х годов миновал. Прошло время, когда свой киоск на рынке был для многих выпускников вузов ценнее, чем будущая диссертация. Наука стала пополняться мотивированными молодыми людьми. - В лаборатории физической гидродинамики появились очень хорошие ребята, - рассказывает П.Г. Фрик. - И тогда, в начале 2000-х, возникло ощущение, что наука возрождается, и перспективы стали более понятны. Именно тогда коллектив лаборатории и сформировался. Это были несколько человек моего поколения, те, кто учился в вузах в 70-х годах. К этому времени они уже стали сформировавшимися учеными. Число сотрудников лаборатории выросло до 25. Одним из первых со специальности «Математическое моделирование» пришел Родион Степанов. Он очень быстро продвинулся, защитил кандидатскую диссертацию, затем докторскую. Очень активен в научных контактах, можно сказать, весь мир объездил. На все имеет собственное мнение, такой очень независимый, и я бы даже сказал импульсивный человек. Чуть позже пришли Андрей Сухановский и Илья Колесниченко - оба учились в 9-й школе, потом один поступил в классический университет, другой - в политехнический, и снова оказались вместе в одной лаборатории. Сейчас оба имеют ученую степень доктор физико-математических наук. В одно время с Ильей Коесниченко стал научным сотрудником лаборатории Руслан Халилов. Руслан Халилов: - Еще студентом 4-го курса «Матмоделирования» я пришел в ИМСС, Петр Готлобович читал у нас курс турбулентности. У меня тогда не было определенности с моей научной работой, а надо было писать диплом. Мой однокурсник, уже такую работу вел, говорил: тут хорошо, интересно. По-моему, это был Андрей Петров. Петр Готлобович сразу принял меня, направил в команду Станислава Юрьевича Хрипченко. Он дал задачу расчета электромагнитной силы в МГД-перемешивателе. Если точнее изучение электромагнитных полей, бегущей магнитной волны, которая генерируется внутри. Я начал тогда сразу численно эту задачу считать. Рассчитал силы и получил некое их распределение. И это стало содержанием моей дипломной работы. Илья Колесниченко: - Были регулярные экскурсии всех студентов кафедры в ИМСС. Показывали лаборатории. Самое главное - ученые, которые здесь работают, преподавали и у нас. Это были выдающиеся заведующие лабораториями. Курс механики сплошных сред нам читал Анатолий Алексеевич Роговой. Юрий Львович Райхер читал физику с уклоном в магнетизм, в магнетики - это раздел электродинамики. Олег Борисович Наймарк - курс по прочности, связанный с поведением дефектов в твердых телах. Олег Иванович Скульский читал аномально вязкие жидкости. Петр Готлобович Фрик - теорию турбулентности. Этот курс почему-то произвел на меня впечатление. Мне захотелось заниматься именно гидродинамикой, а не твердым телом. Объяснить, почему - не могу. Потому что по знаку Зодиака я Рыба? Мне как-то казались интересней эти задачи, потому что посмотреть можно. Внутрь куска металла не заглянешь. А второе - здесь еще и электродинамика, которая мне тоже нравилась. Все в совокупности и дает то, чем мы сейчас занимаемся. Магнитная гидродинамика и электродинамика. Все вместе. В магистратуре у меня была работа, связанная с поведением жидкого металла в магнитном поле. Так называемые электровихревые течения в плоских слоях - тогда мне это показалось очень сложным. Потом уже понял, что это все просто. Но сейчас, когда к этому возвращаюсь, понимаю, что это все же очень не просто. - Тогда и начинал считать, - продолжает И. Колесниченко. - Я очень долго осваивал это. Программировал сам все эти вещи. Это было весьма непросто. Долго доводил до согласования с экспериментальными (верификационными, заведомо известными) данными. Это была та еще работа. Я через нее прошел, и, считаю, это огромной пользой, потому что знаю, как и что в стандартных счетных пакетах, которыми сейчас все пользуются, сделано. Освоить пакеты - это уже очень большая работа. Но это первая задача. А вторая, более серьезная - понять, как эти пакеты считают. Без этого прожить можно, но ты всегда будешь относиться к счету, как к инструменту, как к чему-то непонятному. У читателя может возникнуть вполне законный вопрос: что же все-таки они там все время считают? Наверное, не как герой известного мультика «Козленок, который научился считать до десяти». Несколько позже мы попробуем прояснить ответ на этот вопрос. А пока необходимо перейти к другому. ПОЧЕМУ НЕ ЛЮБЯТ НАТРИЙ Мы уже упомянули однажды ту грандиозную задачу, которую взялись решать пермские гидродинамики: «Экспериментальное воспроизведение магнитного поля Земли в лабораторных условиях». И даже дали ссылку на очерк, из которого можно узнать об этом эксперименте подробнее. http://permnew.ru/news?post_id=24863 Те, кто по этой ссылке прошел, уже знают, что эксперимент был не слишком удачным. Но виной тому оказались не ученые, а технологический брак при изготовлении части конструкции экспериментальной установки, допущенный одним из питерских заводов. Для тех же, кто не читал, вкратце расскажем следующее. Как известно, магнитное поле Земли образуется не огромным магнитным телом где-нибудь в ее центре, а мощным движением расплавленных электропроводных масс внутри Земли, обусловленным ее вращением. Ученые всего мира в конце 90-х годов развернули между собой соревнование по воспроизведению магнитного поля Земли, для чего в разных странах строились грандиозные лабораторные сооружения величиной с многоэтажный дом или цех большого завода. Пермские ученые предполагали получить результат в компактной установке, не разгоняя многие тонны расплавленного натрия в хитроумно изогнутых трубах до бешеных скоростей. Пермская установка представляла собой, по сравнению с иностранными, чрезвычайно компактную, и по мнению ведущих зарубежных ученых, эффективную и многообещающую модель. Она представляла собой тороидальную полость (вроде пустотелого бублика), заполненную жидким натрием. Ее необходимо было раскрутить, для чего не требовалось больших мощностей. А затем резко, одномоментно, затормозить. Содержимое бублика разовьет необходимую для эксперимента скорость. Нужный характер движения сохранится в течение долей секунды. Но этого времени достаточно, чтобы зафиксировать результат. Бронзовый тор состоял из двух половинок, скрепленных болтами. В верхней половинке обнаружились трещины, которые невооруженным глазом ни при изготовлении, ни при подготовке к работе, были не видны. Обнаружены они были только при контрольном заполнении тора водой под давлением. Эксперимент пришлось остановить. Долгое время установка стояла без дела. Затем двое молодых ученых, Илья Колесниченко и Руслан Халилов, попробовали реанимировать ее. Перебрали множество анаэробных герметиков, выбрали подходящий, заливали им трещины. Вакуумировали полость тора, снова разбирали его, снова заливали. И так несколько раз. Наконец, удалось достичь более иди менее приемлемого результата. Заполнили тор расплавленным натрием, раскрутили, но отнюдь не до требуемых скоростей, и даже получили какие-то промежуточные результаты. Все это рассказывается для того, чтобы совершить логичный переход к тому комплексу задач, которым они занимаются по сей день и который потребовал наличия навыка и умения работать с расплавленным натрием. Специалисты ОКБМ «Африкантов», одного из подразделений Госкорпорации Росатом, заинтересовавшись работами П.Г. Фрика по турбулентной конвекции, в одно из посещений лаборатории физической гидродинамики ИМСС УрО РАН вдруг с удивлением обнаружили, что здесь ведутся работы с расплавленным натрием. Это был для них приятный сюрприз. Дело в том, что жидкий (расплавленный) натрий является теплоносителем атомных электростанций на быстрых нейтронах - рабочим телом, переносящем тепло, образующееся в реакторе, к парогенератору. В ОКБМ «Африкантов» исследования на жидком натрии не ведутся. А Госкорпорация Росатом выставляет конструкторам и расчетчикам принципиальное требование. Любые расчеты должны быть верифицированы экспериментом, причем именно на тех материалах, которые задействованы в реальных системах действующих или создающихся реакторов. Поначалу пермским гидродинамикам предложили несколько частных задач, связанных с исследованиями на жидком натрии. Они и были поручены группе молодых ученых, возглавили которую кандидаты физико-математических наук Илья Владимирович Колесниченко и Руслан Ильдусович Халилов. Следует, наверное, остановиться на том, почему не каждое научное учреждение рвется к экспериментам с использованием жидкого натрия. Работать с жидким натрием не очень-то просто. Натрий даже в твердом виде на воздухе взаимодействует с влагой, на поверхности образуется щелочь 100-процентной концентрации. Если потрогать брусок натрия, на коже появится химический ожог или язва. Контакт с водой у твердого натрия весьма громкий. Выделяется водород, смешиваясь с кислородом воздуха, он образует гремучий газ. Для воспламенения гремучего газа достаточно одного фотона ультрафиолета. В расплавленном виде при температуре свыше 120 градусов натрий самовоспламеняется на воздухе. Он горит весьма активно, с большим тепловыделением. Потушить его водой не представляется возможным. Для тушения используются специальные порошковые составы. При горении натрий окисляется и образуется оксид натрия. Эта легкая аэрозольная взвесь словно туман заполняет помещение. Она химически активна, попав в легкие, взаимодействует с влагой и превращается в щелочь. Подобные инциденты могут иметь фатальный исход. Поэтому всегда необходимо иметь под рукой средства химической защиты и противогазы. Понятно, что работать с жидким натрием возможно только в вакууме. А перемещать его из бака в канал - выдавливанием инертным газом аргоном. Значит, нужны и вспомогательные системы - вакуумирования, аргоновая. Конечно, и система пожаротушения. Первую задачу от Росатома можно сформулировать так - исследование конвективных потоков в цилиндрическом канале с наклоном. Откуда пришла задача. Жидкий натрий идет от реактора к теплообменнику по трубопроводам общей длиной в сотни метров. Натриевые контуры оснащены различными приборами, множеством всяческой арматуры и насосов, которые расположены на разной высоте. То есть, каналы, трубопроводы, меняют свой наклон по отношению к вертикали. И внутри каналов и рядом с каналами расположены разные приборы. В процессе эксплуатации был выяснен такой момент. Когда надо провести какие-то обслуживающие работы, циркуляцию натрия останавливают. Считалось, что когда натрий остановлен, он не переносит тепло. Оказалось, что это не так. Натрий остановлен, через сотню метров на трубе стоит насос, он не должен нагреваться. А выяснилось, что нагревается. То есть, тепло очень эффективно передается по трубам даже в отсутствие циркуляции. Это было достаточно неожиданно для всех. Надо было разобраться в ситуации. Это и поручили «ОКБМ Африкантов». Там эту задачу посчитали. Но любой счет нужно верифицировать. Эксперимент на натрии поручили провести пермякам. Новизна проблемы в том, что когда натрий движется, процессы теплопереноса, теплопередачи через стенку канала и прочие тонкости хорошо изучены, измерены и просчитаны. А вот данных о том, как идет конвекция, если поток остановлен, нет. Основной результат, который был получен в лаборатории физической гидродинамики ИМСС, заключается в том, что наиболее интенсивно теплообмен идет при наклоне трубы в 60 градусов от вертикали. Это результат потому необычен, что до этого из каких-то абсолютно общих научных соображений многие специалисты считали, что наиболее интенсивный теплообмен должен происходить в вертикальном положении. Это был неожиданный результат. Он зафиксирован и воспроизводится во всех, кстати, последующих экспериментах. Под эту задачу был сконструирован и создан специальный «натриевый контур» - установка, позволяющая экспериментировать с цилиндрическими каналами (отрезками трубопроводов) разной длины и диаметра. Когда отчеты по задаче были оформлены и отправлены заказчику, группа взялась экспериментировать «в свое удовольствие». В науке принято использовать для исследований так называемые единичные объемы. Обычно - это кубики со стороной равной метрической единице. Поскольку трубопроводы цилиндрические, недолго думая, исследователи приняли за рабочий объем отрезок трубопровода, равный по длине диаметру. Получился такой цилиндрический кубик. Как и в предыдущих экспериментах, подвели снизу тепло, охладили сверху. И получили интересный результат. Помимо всем известного течения (от тепла к холоду и обратно), обнаружился вихрь. Он закручивался в вертикальной плоскости. Но это не все. Вихрь вращался не только как велосипедное колесо, но и вокруг вертикальной оси, словно кольцо, закрученное на поверхности стола, только гораздо медленнее и иногда в разные стороны. Стали искать литературу, статьи читать. Подобные явления были обнаружены для воды. Были обнаружены также и для ртути, но они не были математическим образом описаны. Для жидкого натрия такое обнаружено впервые. Но самое главное, что это сложное поведение не только в вертикальном положении наблюдалось, но и когда начинали кубик наклонять. Причем не на единицы, а на десятки градусов. Это явление сохранялось до углов наклона в 30 градусов от вертикали. На воде такого не может быть. Там вся болтанка прекращается при наклоне на долю градуса. - Там происходит сложный хаотический процесс на фоне среднего течения, который трудно обозначить одним термином, - говорит Илья Колесниченко. - Если мы представим среднее течение как вихрь, похожий на вращающееся колесо, ось которого перпендикулярна оси канала, то оказывается, что это колесо не только крутится, но его ось как-то перемещается, прецессирует. С другой стороны, вихрь не просто прецессирует, а еще и торсионно прецессирует, т. е. части вихря вблизи торцов цилиндра изгибаются в противоположные стороны. В литературе подобное явление описывается как слошинг (sloshing - хлюпающий, плескание, эффект плескания), когда колеблется не ось вихря, а его средняя плоскость, но это описание тоже не достаточно. В общем, можно характеризовать эти пульсации по-разному, но главное, что там возникает колебательный режим, который, видимо, вмешивается в процесс переноса тепла, перемешивает течение, то есть не дает эффективно переносить тепло, тем самым затрудняя теплообмен. - Группа вычислителей из Геттингена в Германии, - продолжает Илья, - с которыми мы в то время общались на конференциях, узнали, что мы хотим проводить эксперимент на коротком канале и взялись его обсчитывать. В Геттингене тогда был один из самых сильных вычислительных кластеров в Европе. И вот мы полтора года строили свою установку и экспериментировали, а они полтора года считали. Результаты наших экспериментов и их расчетов оказались близки. Особенность этих работ была в том, что в эксперименте процесс длительностью полчаса и измерялся за полчаса, а в расчетах он же вычислялся за несколько дней. Поэтому в наших экспериментах был проведен гораздо более глубокий анализ большего количества результатов, чем в расчетах. Это позволило тщательнее изучить и описать локальные и интегральные характеристики поведения конвекции. Сотрудничество с Росатомом продолжалось. Усложнялись задачи. Исследовано взаимодействие встречающихся потоков горячего и холодного натрия в различных тройниках и прочей арматуре. Для этого построен еще один натриевый контур. Спустя некоторое время возникла нужда в другом, еще более грандиозном контуре. Его возвели в отдельном ангаре. Это трехэтажное сооружение позволяет испытывать МГД-устройства различных типов, назначений и размеров для реакторов на быстрых нейтронах. Назвали его Натриевый испытательный стенд. Не так давно он получил аккредитацию от Росатома. Представитель Госкорпорации Росатом, подводя итог суровых и скрупулезных испытаний Пермского контура, поздравил всех присутствующих, но затем, не совладав с эмоциями, перешел от физики к лирике и торжественно объявил, что «в короне Госкорпорации Росатом появилась еще одна жемчужина!» Его можно понять. В России не так много мест, где можно экспериментально верифицировать результаты работы вычислителей. А значит, возникают и очереди на исследования или испытания. Кроме испытаний изделий других производителей, сконструированы, собраны и испытаны семь МГД-насосов для Белоярской АЭС. Они приняты в эксплуатацию и успешно функционируют уже несколько лет. Это задача непростая. Кроме заданных характеристик (расход, скорость течения, перепад давления, высота подъема), изделия должны сохранять свои характеристики в течение 30 лет эксплуатации при рабочей температуре 320 градусов. Но при этом они должны поддерживать те же характеристики и при 180 градусах и при 450. Но мы, наконец, вплотную придвинулись к выполнению давно обещанного. Попытаться прояснить ответ на вопрос о том, что и как они постоянно считают. Продолжение следует: ПЕРМСКАЯ МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА [3]— фрагменты ее истории https://ok.ru/permnewru/topic/157206950570209 #ИМСС #Пермь #УрОРАН Александр Куличкин Читать на сайте — https://permnew.ru/news?post_id=26767
Новости Перми и Пермского края
ПЕРМСКАЯ МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА [3]— фрагменты ее истории
Во время недавнего визита в Пермь Министр науки и высшего образования РФ В.Н. Фальков ознакомился с работой Института механики сплошных сред УрО РАН. Министр осмотрел лабораторию Технологической гидродинамики. Здесь ему показали Натриевый испытательный стенд, на котором проводятся приемочные испытания аппаратов для Белоярской АЭС и продемонстрировали результаты работ с жидкими металлами. Достижения пермских ученых были высоко оценены. Наш рассказ — о развитии и становлении в Перми магнитной гидродинамики.
Продолжение. Начало здесь:
ПЕРМСКАЯ МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА [1]- фрагменты ее истории https://ok.ru/permnewru/topic/157206950111457 ПЕРМСКАЯ МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА [2]- фрагменты ее истории https://ok.ru/permnewru/topic/157206950373601 ТЕХМИНИМУМ ДЛЯ ГУМАНИТАРИЕВ [2]
Очень грубо говоря, ученые решают уравнения. Такие же, какие каждый решал в свое время на уроках математики. Например, уравнения движения, которые в школе называли задачками на время-скорость-расстояние. Правда, с некоторыми усложнениями. Движение может быть неравномерным, и тогда скорость уже не будет постоянной, а станет зависеть от времени, то есть, появится ускорение. Движение может быть криволинейным, тогда появится еще одна разновидность ускорения. Захочется еще определить силы, которые действуют на движущееся тело, например, на автомобиль: сопротивление воздуха, сопротивление трения, профиля дороги (идет он на подъем или катится с горки). А если это не автомобиль, а ракета, то надо учесть, что не будет постоянной и масса, которая ежесекундно меняется по мере расхода топлива. Мало того, будет меняться и ускорение свободного падения, по мере удаления от Земли. А если автомобиль или ракета будут не твердым телом, а жидким, то вступают в действие еще множество параметров, меняющихся не только в зависимости от какого-то одного фактора, но и в зависимости друг от друга.
В гидродинамике уравнения движения жидкости определяются системой дифференциальных уравнений в частных производных (уравнения Навье-Стокса), в которой переменные (физические величины, такие как плотность, вязкость, температура и т.д.) меняются как по времени, так и в зависимости друг от друга. Аналитического решения (путем преобразования с помощью ручки или карандаша на бумаге) эти уравнения пока еще не имеют. Поиск такого решения является одной из семи математических проблем тысячелетия, которые определил Математический институт Клэя (США) в 2000-м году. За решение каждой из семи проблем обещано вознаграждение в размере 1 млн долларов. И это внушает некоторый оптимизм. Поскольку из 23 проблем, выдвинутых Гилбертом в 1900 году, к концу столетия 22 оказались решены, и только одна - Гипотеза Римана - вошла в список задач тысячелетия.
Несмотря на отсутствия аналитических решений, ученые всего мира широко используют в своей деятельности уравнения Навье-Стокса. Выход из безнадежной ситуации заключается в том, что для каждой конкретной задачи эти уравнения преобразовываются, некоторые составляющие исключаются, как незначительно влияющие или вообще не влияющие на конечный результат. В магнитной гидродинамике к уравнениям Навье-Стокса добавляются еще уравнения электродинамики. Все это надо решать совместно. Полученная таким образом система уравнений представляет собой математическую модель конкретного процесса или явления. Решается она численными методами, алгебраически, путем сложных и зачастую длительных вычислений по специальным программам на мощных компьютерах. Полученный результат называют цифровым двойником процесса или явления.
Вот, собственно говоря, это и есть упрощенный ответ на вопрос: «Что они там считают?» Но если у кого-то «душа жаждет просвещения» (Н. Гоголь, «Ревизор») он может продолжить акт познания. И поинтересоваться. КАК они считают.
КАК СЧИТАЮТ УЧЕНЫЕ*
Звездочкой (*) отмечен фрагмент материала, в принципе доступный для понимания.
И.В. Колесниченко, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией технологической гидродинамики Отдела физической гидродинамики ИМСС УрО РАН:
- Время бежит. Прогресс развивает какие-то чудовищные темпы. Компьютерная техника в то время, когда я только приходил в науку, была на том еще уровне. Но нам-то казалось, что это настолько здорово, что и мечтать о лучшем невозможно. Появилась возможность реально что-то посчитать. А сейчас есть возможность не что-то посчитать, а хоть что. Абсолютно все. Инструменты есть. Надо только освоить их «до глубины души». Это, конечно, не просто. Они настолько сложны, что перед каждым стоит выбор: либо ты специализируешься и уметь считать одну-две задачи, но зато прекрасно считать. Либо ты осваиваешь весь программный расчетный комплекс хотя бы до уровня понимания, как он работает. Это нелегкий выбор, он диктует всю твою жизнь на несколько лет вперед. При этом, выбор может быть правильным. А может и неправильным.
- Будем считать ваш выбор правильным. Но все же - о том, как вы считаете? С чего все начинается?
- Ну, условно говоря, приезжает представитель металлургического завода. Ему надо достать из тигля расплавленный металл, например, магний, и разлить его в слитки. Первый способ - переливать черпаками - мы рассматривать не будем. Хотя, может быть, именно он побудил представителя обратиться к нам: ковш черпака в процессе переливания растворяется и загрязняет магний. И вот представитель ставит нам задачу. Допустим, жидкий металл надо поднять на высоту в два метра и обеспечить расход (скорость перекачивания) 500 килограммов в час.
У нас есть идея. Выглядит она так. Насос - это труба, заполненная жидким металлом. С помощью тех или иных устройств в этой трубе создается сила. Нам необходимо рассчитать ее. Она должна быть больше, чем перепад давления, который надо преодолеть, чтобы поднять металл. И есть другая сила, которая мешает этому процессу. Это сила трения металла о стенки канала, гидравлическое сопротивление. При медленных течениях она слабая, но с повышением производительности - возрастает. И, например, в насосах, которые мы делаем для Росатома, силы сопротивления играют значительную роль. Дальше надо подобрать материал трубы, ее диаметр, толщину стенки. И поскольку мы делаем не механический, а электромагнитный насос, надо подобрать параметры индуктора - устройства, создающего переменное магнитное поле, которое создает (индуцирует) в жидком металле переменный ток. В результате взаимного воздействия магнитного поля и электричества возникает электромагнитная сила, которая и движет металл.
- Все просто. Что дальше?
- Нет, это еще не все. Если нас не ограничивать, мы можем создать нечто грандиозное, большое. И оно, скорее всего, будет работать. Но окажется не нужным предприятию. В первую очередь, надо думать о себестоимости продукции, то есть, потребляемая мощность должна быть наименьшей, насколько это возможно. Поскольку на предприятиях принято напряжение 380 вольт, то снижать мощность можно только уменьшением тока. Меньше ток - меньше электромагнитная сила, значит, и производительность насоса. Есть и другие ограничения - по массе, по габаритам. Очень существенны тепловые ограничения. И еще множество других. И вот когда мы сложим все эти ограничения, то у нас получится что-то не такое грандиозное, даже совсем небольшое, которое может и не справиться с задачей. И вот тогда надо начинать считать.
Выбор параметров делается с помощью математического моделирования. Таких параметров набирается около десяти. Мы знаем, в каком диапазоне можно менять каждый из них. Задача - найти наиболее эффективное их сочетание. Это называется многокритериальный поиск. Или по-научному: поиск по многомерному пространству решений.
Мы уже знаем, что каждый электромагнитный насос - это труба. Я задаю сначала параметры этой трубы - радиусы, внешний и внутренний, длина. Программа рисует этот цилиндр. Затем следуют новые параметры - труба изготовлена из нержавеющей стали, вводятся ее свойства: плотность, теплопроводность, электропроводность. Внутри трубы находится жидкий металл, допустим, магний. Это цилиндр, длина которого совпадает с трубой, а диаметр равен внутреннему диаметру трубы. У него свои свойства: электропроводность, теплопроводность, вязкость. Получилась простейшая конструкция - внутри жидкий металл, а снаружи нержавеющая сталь. С таких параметров я и стартую, используя так называемые решатели. Раньше считал сам, а сейчас использую коммерческие решатели. Решатели - это программы, которая приобретается за деньги. Они настолько сложны, что их под силу создать только коллективам ученых или даже научным институтам.
- Что делает решатель?
- Для начала он рисует объемное изображение. Это позволяет увидеть, как это все выглядит, проверить себя. Потом решатель превращает объемное изображение в чертеж. Это дает возможность проверить, что все размеры правильны, убедиться в том, что программа тебя поняла. А дальше, собственно говоря, и вступает в дело решатель. Тут начинает работать механика или электродинамика сплошных сред.
Механика - это набор математических инструментов, которые позволяют изучить процессы в таких системах. Более сложных, конечно. Но мы-то взяли самую простую систему. Труба, и по ней течет металл. Сколько втекает, столько и вытекает. И процесс непрерывный. Для такой простой задачи есть и аналитические решения. Они работают до тех пор, пока я не начал учитывать шероховатость стенок. Пока я не сказал, что у нас не чистый магний, а магний с какой-то грязью, с примесями и окислами. Пока не сказал, что у нас труба не прямая, а изогнутая. Тогда аналитика пасует.
Но вернемся для понимания к простой трубе. Следующий шаг после рисования и черчения следующий. Компьютер разбивает систему на очень маленькие кубики. Как говорят, разбивает ее на «конечные элементы». Наподобие лего-конструктора. То есть создает сетку. Разбивается и труба и текущий в ней магний.
От автора. Вспоминая о наиболее благородной, но не отягощенной физикой и математикой части моей читательской аудитории, на всякий случай, считаю необходимым уточнить: трубы и текущего в ней магния пока нет. Все делается мысленно, если возможно такое слово отнести к работе компьютера. А теперь вернемся к увлекательному монологу И.В. Колесниченко.
- Итак, тубу и магний покрошили на кубики. Но мы забыли, что кроме гидродинамической задачи, мы решаем еще и эдектромагнитную. Поэтому я создаю вокруг трубы из нержавейки еще одну внешнюю трубу, которая заполнена воздухом. В воздухе вокруг нержавеющей трубы, ну, и сквозь нее, распространяется магнитное поле. Воздушная труба тоже разбивается на кубики.
А теперь немного поговорим о началах науки о сплошных средах. Суть в том, что условно внутри каждого кубика все свойства одинаковы. Они меняются скачком по мере перехода от одного кубика к соседнему. Чем мельче произведено разбиение на кубики, тем меньше будет скачок. Тем плавнее будет описан процесс.
И дальше изучается то, что мы хотим изучить. В нашем случае - течение жидкого металла. Этот процесс описывается дифференциальными уравнениями в частных производных. То есть мы можем написать связь между электромагнитной силой, давлением и скоростью для каждого кубика. Плюс к этому, можем написать, как связаны эти параметры между соседними кубиками. И дальше, очень упрощая, компьютер перебирает все кубики и, зная уравнения, связывающие кубики между собой, может находить решения - то есть, к какой скорости и к какому давлению данная электромагнитная сила приведет. Так, перебирая один за другим ряды кубиков, компьютер добирается от одного торца до другого. Параллельно он перебирает кубики и в поперечном направлении.
И он получает результат, что в торцах при заданном расходе мы получаем скорости, допустим, по 1 метру в секунду. В поперечном направлении - у стенок ноль, а на центральной оси трубы тоже 1 метр в секунду. Все прекрасно. Компьютер получает параболу распределения скоростей в поперечном сечении. Это известная парабола пуазейлевского течения. То есть, ламинарного, спокойного.
Но в реальности там будет турбулентное течение. Это процесс архисложный, с кучей всяких колебаний, вихрей и вихорьков. Но при этом все движется в одном направлении. И этот сложный хаос мешает движению. Из-за него повышается вязкость. Ее называют турбулентной вязкостью. Это не свойство материала, то есть, магния, а свойство течения. Течение настолько быстрое, что оно разбивается на мелкие вихри, которые бегут вперед, обгоняя друг друга и, перемещаясь, мешают друг другу. И это тоже описывается с помощью специальных уравнений, с помощью специальных подходов моделирования для каждого кубика. Здесь в каждом кубике турбулизация даст какую-то добавку к вязкости.
И дальше расчет идет эволюционно. Мы берем время и разбиваем его. Допустим, нам надо сосчитать 1 час работы. Мы разбиваем его на 3600 частей и получаем шаг по времени в 1 секунду. То есть наши кубики будут еще по времени меняться. Это необходимо, потому что в любом уравнении, которое описывает процесс изменения чего-то, есть производная по времени (даже в простом законе Ньютона). И вот мы производим разбиение времени на шажочки - это называется шаг по времени. (Ребро кубика - это шаг по координате). То есть сетка у нас получается и по пространству и по времени. И мы считаем, что произойдет за секунду (как изменится скорость и давление). Потом - за следующую секунду, и так далее. И у нас плавные и непрерывные в реальности поля заменяются дискретным набором точек. Но в силу того, что все разбито на очень мелкие частички, то получится, что как будто бы все плавно.
Так и решает задачу компьютер. Я могу руками написать это решение, то есть написать программу. Да и писал раньше. Но сейчас уже есть программы, которые реализуют это на очень высоком уровне. При этом они распараллеливают решение на много процессоров для уменьшения машинного времени.
МУКИ ПОИСКА
- Интересно, сколько же раз компьютер решает систему дифференциальных уравнений?
- Например, для трубы квадратного сечения в 10 сантиметров, длине в 1 метр и шаге по координате 1 миллиметр количество кубиков будет 10 млн штук. При шаге по времени в 0.1 секунду для процесса, происходящего в течении 10 секунд - получается 10 млрд. Так очень грубо можно оценить количество расчетов.
- И на этом - все?
- Нет, все только начинается. Когда программа посчитала, она вам скажет, допустим, что после действия насоса в потоке на входе канала давление было 2 атмосферы, а на выходе стало 1. Куда делась одна атмосфера? - Она ушла на преодоление турбулентного трения и трения жидкого металла о стенки трубы. Тогда программе задается команда найти такой радиус канала и параметры насоса, чтобы давление на выходе было требуемые, например, полторы атмосферы. Программа перебирает варианты и получает решение.
Все это - упрощенная версия. На самом деле поиск идет по многим параметрам, не по одномерному, а по многомерному пространству. Там уже решение находится разными подходами. Есть такой метод деформируемого многогранника. Есть метод градиентного спуска. Эти многомерные поиски разработаны еще в 19 веке.
Есть еще такой раздел науки, как стохастическая оптимизация. То есть мы говорим, что параметры не просто точные, а как в квантовой механике, точные, но с некоторым доверительным интервалом. Положим, давление чуть больше или чуть меньше. Или ток может скакать, меняться, от 10 до 15 ампер... Не будем вдаваться в подробности, это все в принципе не считаемое никакими аналитическими средствами. Это только компьютерное моделирование.
Дальше я составляю программу для поиска правильных параметров. То есть, размеров, силы тока, количества витков, если есть какие-то обмотки, толщины железных элементов ферромагнетиков. Иногда учитываются и температурные изменения. Это важно, потому что «ползут» свойства, зависящие от температуры. Плотность, например. Мы прекрасно знаем, что зависят от температуры электрическая проводимость, теплопроводность. И это отражается на всех процессах. И это, если представляете, достаточно большой длительный поиск. Это называется многовариантные расчеты. Длительный поиск - это не меньше двух недель машинного времени. Все зависит от сложности рассчитываемого аппарата и от мощности компьютера.
ВЕРИТЬ ИЛИ НЕ ВЕРИТЬ
Тут в объяснения включается Р.И. Халилов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории:
- После всего этого мы сидим, смотрим друг на друга и на результаты и говорим, что теперь мы верим этим параметрам. Или не верим. Говорим, что риск есть, но деваться некуда - берем эти. И дальше начинается конструкторская работа.
Теперь нам нужна реальная труба. Ее надо купить, но продаются трубы далеко не всех тех размеров, которые мы захотим. Есть стандартные наборы разных диаметров. То есть, в процесс научного поиска внезапно включается снабженец. Он и сообщает, какие трубы выпускает промышленность. Затем подключаются институтские мастерские. Ты их спрашиваешь. можете ли вы вот тут сделать так, а вот тут сяк. Они отвечают - не можем. У нас станок трубу диаметром больше 200 миллиметров не зажимает. И ты начинаешь раздумывать: искать ли подходящий станок на стороне, либо еще раз все пересчитать на другой диаметр, но сэкономить на этом несколько сотен тысяч рублей.
После решения подобных вопросов начинается настоящий поиск, в прямом смысле этого слова. Когда с трубой мы определились, начинаются закупки. А закупки - это часто длительный процесс. К тому времени, когда их привезут, надо иметь чертежи. И вот после этого, когда определились из чего все будет делаться, начинается конструкторская проработка. Нужна не просто труба, а труба с фланцами, с держателями, которые надо к ней приварить. Теплоизоляция должна как-то удерживаться, в каких-то чехлах, кожухах. Все это на какой-то раме. А рама может быть стальная, по ней еще может, не дай Бог, ток замкнуться, значит нужны электроизоляторы.
И от той эталонной математической конструкции в реальности остается нечто похожее на нее. Естественно, все конструкторские доработки могут повлиять на результат. И их не всегда можно даже учесть в расчетах, и поэтому все расчеты делаются с запасом, А какой нужен запас - это определяется опытом. Самая главная ценность опытного специалиста - определить, каким должен быть запас. Чтобы при конструировании и изготовлении... А изготовление тоже неточное. Трубу заказали такую, а в результате она пришла немного овальная, внутри не все идеально, это тоже повлияет на результат.
Для этого делаются длительные фундаментальные изучения подобных процессов. Как влияют разные там отклонения, оснастка. Овальность, кстати, - самый простейший пример. Это все решается. Причем, это не самые сложные задачи. Это можно сказать, простые задачи.
- Ну, вот вы получили цифровой двойник насоса и его реальное воплощение. Насколько совпадают расчетные результаты с реальными?
- Всякий раз - по-разному. Бывает, мы укладываемся в 5 процентов отличия. Это блестяще, прекрасно просто. Чаше всего - в 10 процентов. Это тоже хорошо. 20 - похуже, но и с этим тоже можно жить. 30 - уже многовато. 50 - совсем плохо. Но тут мы будем знать, что модель завышает в 2 раза. И что-то предпримем.
«МОЛОДЫЕ» И «ВЗРОСЛЫЕ»
Обратимся опять к хронологии. В соответствии со Стратегией научно-технического развития Российской федерации и директивой Министерства науки и высшего образования России по всей стране с 2016 года стали создаваться молодежные лаборатории. Большую часть коллективов в лабораториях должны составляли молодые исследователи в возрасте до 39 лет. Это аспиранты, инженеры-исследователи, научные сотрудники, студенты и выпускники вузов. «Молодежное научное поветрие» захватило и Пермь. И на базе лаборатории физической гидродинамики такая лаборатория была создана.
Спустя пару лет (директор ИМСС в то время) академик РАН, научный руководитель Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН, член Президиума УрО РАН доктор физико-математических наук Валерий Павлович Матвеенко сказал, что из десятка созданных в Перми молодежных лабораторий наиболее успешной и понятной, работающей эффективно, результативно и неформально, стала молодежная лаборатория технологической гидродинамики Института механики сплошных сред.
Чем это можно объяснить? Наверное, тем, что в ИМСС не пришлось искусственно, руководствуясь только возрастными параметрами, создавать новый коллектив. Он уже был сформирован, был молодым и достаточно подготовленным. И еще, конечно, тем, что молодежная лаборатория была создана на базе серьезной научной школы Пермской гидродинамики, о которой мы так подробно рассказали выше. Возглавили работу Илья Колесниченко и Руслан Халилов.
- Они в паре очень хорошо работают, - говорил П.Г. Фрик. - У них все получается, пусть так и будет.
Руководство «на пару» - способ не совсем обычный. Но они демонстративно такой способ подчеркивали и упрямо придерживались. Так лучше для дела. Пока один в командировке у заказчика, текущая работа не останавливается. Все станет понятно, если заменить понятие «Единоначалие» на понятие «Взаимозаменяемость».
Шло время, и вскоре лаборатория переросла свою первую молодость. В структуре ИМСС пришлось вносить изменения. Лаборатория физической гидродинамики, в составе которой была «молодежка», превратилась в Отдел физической гидродинамики. А молодежная лаборатория обрела «взрослый» статус и теперь занимает место в структуре Отдела как «Лаборатория технологической гидродинамики». Возглавил ее Илья Колесниченко. Руслан Халилов стал заместителем директора ИМСС по связям с промышленными предприятиями, не оставляя при этом и работу в лаборатории.
- Что отличает Илью Колесниченко, так это обстоятельность, - говорит П.Г. Фрик. - Это его стремление обрести весь комплекс знаний и умений, необходимый для работы. Он овладел не только математическим моделированием, это у нас многие умеют делать, но и конструированием. Он когда-то успел освоить конструкторские пакеты. И все устройства, которые от нас обычно уходят на конструкторскую проработку, он делает сам. И еще, по части обстоятельности. Его, например, бесполезно просить быстренько дать для отчета короткую справку с прикидочными сроками исполнения работ. Он запрется у себя. и через неделю принесет отчет на пятидесяти страницах с точным указанием сроков. Вы посмотрите на его сто. И, скажем, на мой. У меня, вы видите, гора всяческих бумаг. Я их не прячу из боязни что-то забыть. Он ничего не забывает. У него - стол с чистой столешницей, на которой лежит один листок бумаги - тот, с которым он сейчас работает. Предыдущие листки сочинения лежат в ящике. А в другом - чистые, которые займут место текущего, когда тот будет заполнен.
Думается, такая обстоятельность и обожествление точности как нельзя кстати пришлись в работе с предприятиями Росатома, у которого именно такие жесткие требования к исполнителям, такие жесткие, что не каждый это выдерживает.
- Молодежи у нас по-прежнему много, - рассказывает И.В. Колесниченко. - Приходя и аспиранты, и студенты. Даже первокурсники. Осваиваются, привыкают, а потом и подключаются к исследованиям. Студенты затем защищают дипломы, аспиранты - диссертации. У нас уже несколько кандидатов, защитившихся по нашей тематике. Некоторые, правда, защитившись, уходят.
- Почему?
- Сложный вопрос. Ну, вот есть такое движение: Slow life», «Медленная жизнь». Оно призывает своих последователей сознательно отказаться от суеты и беготни, найти золотую середину между делами и необходимыми для человека удовольствиями, такими как, например, приятная прогулка по городу или посиделки в хорошей компании. Все хотят так жить. А у нас жизнь напряженная. Чтобы хорошо зарабатывать - ну, на уровне того, что может предложить человеку IT-сфера - надо работать непрерывно, много, и в выходные, и на износ даже. Не все так могут, не все хотят.
КАК УХВАТИТЬ ЗВЕЗДУ С НЕБА
Рассказывали, что приходящие в лабораторию студенты время от времени, тяжело вздыхая, задают вопрос: « Илья Владимирович, ну, когда же мы будем заниматься звездами и галактиками!»
- Что вы им отвечаете? - спрашиваю у И.В. Колесниченко. Он усмехается и говорит:
- Когда научитесь считать гидродинамику изогнутого канала.
- Выходит, чистой наукой вы не занимаетесь? Только прикладными задачами?
- Смотря что считать чистой наукой. Есть прикладные задачи, которые тесно связаны с фундаментальными. Часто возникают неразрешимые ситуации, сложные явления, которые мы не понимаем. Всегда есть возможность обратиться к Петру Готлобовичу Фрику. Это ученый с мировым именем, заведующий Отделом физической гидродинамики ИМСС, руководитель международной научной конференции. Когда нужны его компетенции, его опыт и знания, он подключается.
- Когда идет поиск конструкции, мы углубляемся внутрь тех процессов, которые там сидят, - продолжает И.В. Колесниченко. - Вот, например, большой проект, который может вылиться в создание важной прикладной задачи - отделение примесей от жидкого металла-теплоносителя атомной станции, в частности. Чтобы уметь отделять, примеси, мы тщательно изучаем, что происходит вокруг таких частичек. Для прикладной задачи это не нужно, но когда мы знаем, что происходит, можем написать сложную математическую модель, которая учитывает все эти микропроцессы. А изучать на микроуровне - это уже фундаментальная задача.
Или взять пульсации скорости. Поток движется, мы начинаем его возмущать. И изучаем, как эти пульсации движутся дальше по потоку, как рассеиваются, насколько быстро затухают, меняется ли форма этих пульсаций. Это все фундаментальные задачи. Но они имеют и прикладное значение, Если мы сумеем отлавливать эти пульсации, мы можем бесконтактно измерить скорость металла в канале. А это бесконтактная расходометрия для тех же самых теплоносителей.
Фундаментальные и прикладные науки тесно взаимосвязаны, так как в прикладных исследованиях используются закономерности, открытые в фундаментальных науках. А они, в свою очередь, подкрепляют на практике утверждения, разработанные в ходе фундаментальных исследований.
Так что поглядывать на звезды - это детская болезнь. Она проходит, когда человек убеждается, сколько интересного может содержаться в земных вещах. Или не проходит. Но тут уже надо говорить о высоком уровне теоретических компетенций, который нарабатывается долгими годами и упорным трудом.
ЭПИЛОГ С ПРОЛОГОМ
Если спросить, чем интересным сейчас занимаются в этой лаборатории, то ответ может показаться совсем не таким, как ожидается. Есть задачи практические, есть фундаментальные. Задачи настолько сложные, что целиком их решить кому-то одному невозможно. Их надо разбивать на кирпичики и разложить эти кирпичики по разным людям. И если каждого спросить, чем он занимается, то ответ будет неинтересным.
Но нам все же составили неполный список глобальных задач.
Жидкометаллические батареи. Это задача хорошая, нужная, но опять же тут куча проблем. Любой специалист из этой отрасли скажет, что тут только научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ лет на десять. Одних наших усилий не хватит, чтобы довести идеи даже до лабораторного образца. Тут нужны узкие специалисты, они есть, но заняты другими работами. Вся проблема в том, чтобы делать что-то новое - нужна воля сверху. Чтобы верх заинтересовать, нужен опытный образец, который хоть какие-нибудь характеристики выдает.
Свинцовый теплоноситель. Сейчас разрабатывается и строится реактор на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем. Он строится в Сибири, в городе Северск рядом с Томском. Мы встречались с потенциальными заказчиками. Там есть подзадачи, которые мы можем решить. И какие-то уже решаем. Разница по сравнению с натрием колоссальная. Первое - температура. У натрия 200-300 градусов, при ней нержавеющая сталь вполне комфортно чувствует себя. И медные обмотки индуктора работают в безопасном режиме. Там уже другое - рабочая температура до 500 градусов. там и канал перегревается, и нет возможности электромагнитными устройствами приблизиться как можно ближе к свинцу. При всем при этом свинец более чем в 10 раз тяжелее. И в несколько раз хуже проводит электрический ток. От всего этого растут габариты.
***
Не будем перечислять все. Тем более, что у автора остался один вопрос, который так и вертится на языке. Если честно, вопрос этот был сформулирован и задан И.В. Колесниченко на защите его докторской диссертации: «Чему вы больше доверяете, цифровому двойнику или натурной модели?» Мне он ответил так:
- О, это такая глубокая и непознанная философия. Ответ зависит от всего. От уровня компетенции, от личных пристрастий, от состояния здоровья, от настроения и даже, не поверите, от семейного положения. Я лучше приведу пример. Мы сделали некую экспериментальную установку для изучение частных задач. При решении одной из них в математической модели у меня получились два непонятных, странных вихря, которых не должно было быть. Я подумал: наверное, ошибка. Тем более, что при переходе на более интенсивный режим эти два вихря исчезли. На этом и успокоился. А спустя время на этой экспериментальной установке сотрудник лаборатории Андрей Мамыкин воспроизвел тот первоначальный режим. Он приходит ко мне и сообщает: «Вихря-то обнаружились. Две штуки!»
Что тут сказать? Факты подтверждают теорию. А если факты не согласуются с теорией - тем хуже для фактов.
#ИМСС #Пермь #УрОРАН
Александр Куличкин
Читать на сайте — https://permnew.ru/news?post_id=26768
ПЕРМСКАЯ МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА [1]— фрагменты ее истории
Во время недавнего визита в Пермь Министр науки и высшего образования РФ В.Н. Фальков ознакомился с работой Института механики сплошных сред УрО РАН. Министр осмотрел лабораторию Технологической гидродинамики. Здесь ему показали Натриевый испытательный стенд, на котором проводятся приемочные испытания аппаратов для Белоярской АЭС и продемонстрировали результаты работ с жидкими металлами. Достижения пермских ученых были высоко оценены. Наш рассказ — о развитии и становлении в Перми магнитной гидродинамики
КОМПАС ВРАТЬ НЕ БУДЕТ
205 лет назад, зимой 1820 года, профессор Копенгагенского университета Ханс Кристиан Эрстед демонстрировал студентам нагрев проволоки электричеством от «вольтова столба». Один из проводов гальванической цепи проходил поверх крышки морского компаса, который среди всего прочего находился на демонстрационном столе. Что случилось дальше - покрыто мраком неизвестности.
В тот момент, когда Эрстед замкнул цепь, кто-то (кто именно - в этом и таится неопределенность) заметил, что магнитная стрелка компаса отклонилась. Говорят, что это был аспирант («Але, шеф! Тут стрелка прыгает!»). Говорят, что это был просто студент. Самое смелое предположение - университетский швейцар, помогавший профессору.
Кто бы он ни был, а честь открытия взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями принадлежит не ему, а Эрстеду.
Для начала Эрстед повторил свой демонстрационный опыт, затем стал его видоизменять. Он установил, что с увеличением расстояния между стрелкой и проводом ее отклонение становится меньше, что если провод расположить вертикально, то стрелка будет указывать не на него, а расположится по касательной к окружности, центром которой является провод, и что стрелки, расположенные на противоположных концах диаметра этой окружности, будут направлены в разные стороны. Наконец, он сформулировал правило, позволяющее определить направление действия магнитных сил.
Опубликованные результаты были признаны всем научным миром. Единица измерения магнитной индукции в действовавшей тогда системе измерений СГС (сантиметр-грамм-секунда) - Эрстед - была названа в честь его вклада в науку электромагнетизма.
Взволнованные этим открытием, теоретики и экспериментаторы того времени занялись его изучением. В частности, заменили твердый проводник жидким - вода, растворы солей, ртуть, расплавы металлов.
В один из дней 1832 г. лондонцы, оказавшиеся на мосту Ватерлоо, были заинтересованы необычным зрелищем (Петрушин А.А., Альперович К.Д.). Группа людей, среди которых можно было увидеть знаменитого физика Фарадея, занималась тем, что погружала в воду Темзы два медных листа, подключенных проводами к гальванометру.
Фарадей считал, что если воды реки, текущей с запада на восток, пересекают, хотя бы частично, линии магнитного поля Земли, то они подобны проводникам, пересекающим магнитное поле магнита. А в этом случае, как доказал сам Фарадей, в проводнике возникает электрический ток. Медные листы, между которыми текла вода Темзы, должны были соединить эти водяные проводники с гальванометром и передать на него возникающий ток. Однако, опыт не удался. Тем не менее, 1832 год, когда Фарадей задумал и обосновал этот опыт, с полным основанием стали считать годом рождения магнитогидродинамического генератора. Название этого генератора состоит из трех слов - магнит, гидро (вода) и динамика (движение) - и означает получение электричества при движении воды в магнитном поле.
Опыт Фарадея не удался прежде всего потому, что вода Темзы оказалась не таким уж хорошим проводником электричества, а также были использованы приборы с низкой чувствительностью. А разность потенциалов действительно существовала.
Однако в научном обороте термин «магнитная гидродинамика» (МГД) впервые появился лишь спустя сотню лет, в сороковых годах прошлого века. Ввел его шведский физик Ханнес Альфвен, занимавшийся исследованиями влияния магнитных полей на процессы, происходящие в Космосе. Он впервые сформулировал основные понятия этой науки и в 1970 году был удостоен за это Нобелевской премии.
ГЕРШУНИ, ЖУХОВИЦКИЙ И ПОСЛЕДОВАТЕЛИ
В Перми школа гидродинамики, породившая впоследствии и магнитогидродинамический раздел этой науки, образовалась в середине прошлого века.
Считается, что из всего того, что вышло из Пермского государственного университета (если точнее, физического факультета) гидродинамика - один из самых успешных проектов.
Сложилось так, что в 1945 году оказался на физфаке Георгий Андреевич Остроумов. До этого, в 1938 году, он, уже известный ученый, получил пять лет за контрреволюционную агитацию, в 1943 году по окончании срока заключения был освобожден, но оставлен на работе в лагере, затем был откомандирован в трест «Сталинуголь», где работал начальником электромеханического цеха. С помощью ректора Романа Викторовича Мерцлина он был переведен в Пермский университет, где возглавил кафедру общей физики. В 1948 году Остроумов получил степень доктора физико-математических наук, став первым доктором на физфаке. Стоит отметить, что на защите диссертации на Совете Физического института Академии наук СССР (ФИАН) одним из оппонентов соискателя стал академик Лев Ландау.
В это же время в Пермь приехал молодой и очень активный профессор Иван Григорьевич Шапошников В 1949 году им была создана кафедра теоретической физики, которой он и заведовал, став впоследствии последним деканом физико-математического факультета и создателем и первым деканом физического факультета Пермского госуниверситета.
Первые гидродинамические работы в Пермском университете принадлежат Остроумову. В 1952 году в центральном издательстве он опубликовал монографию «Свободная конвекция в условиях внутренней задачи», обобщив в ней результаты проводимых в университете экспериментов по конвекции (перенос тепла течением жидкости, образованным из-за разности температур).Таким образом, он положил начало новому научному направлению Пермского университета - физической гидродинамике.
В это же время появился в университете молодой ассистент кафедры теоретической физики Григорий Зиновьевич Гершуни. В 1944 году в возрасте 15 лет он поступил в университет и блестяще закончил его в 1949 году.
- Вот, собственно, тогда пермская гидродинамическая школа и началась, - говорит заведующий Отделом физической гидродинамики Института механики сплошных сред (ИМСС) УрО РАН доктор физико-математических наук профессор Петр Готлобович Фрик. - Гершуни в паре с Ефимом Михайловичем Жуховицким (красный диплом ПГУ в 1952 году) организовал гидродинамический семинар. Он начинался с того, что они поручали друг другу почитать статьи, которые они находили в научных журналах, и друг другу же их пересказывали и обсуждали. Постепенно семинар набирал обороты, круг участников расширялся. Вокруг Гершуни и Жуховицкого сформировался большой коллектив молодых исследователей.
Пермская гидродинамическая школа специализировалась на проблемах конвекции в жидкостях и постепенно стала знаменитой работами по конвективной устойчивости. Появилась монография Гершуни и Жуховицкого «Устойчивость конвективных течений».
В 1963 году упомянутый выше семинар был преобразован в Пермский городской гидродинамический семинар, его сопредседателями стали Григорий Зиновьевич Гершуни и Ефим Михайлович Жуховицкий. «И, собственно, эти два человека, формально работающие в разных учебных заведениях (Е.М Жуховицкий перешел в Пермский педагогический институт, где впоследствии возглавил кафедру теоретической физики), создавали некое сообщество, которое было, безусловно, очень важно, как для Перми, так и для всего гидродинамического сообщества страны, - вспоминали на семинаре в Пермском педуниверситете, посвященном памяти Е.М. Жуховицкого. - Пройти тестирование своей работы или рассказать о каких-то новых публикациях на гидродинамическом семинаре было высшим событием в жизни любого человека, который мог считать себя причастным к этой школе. Ефим Михайлович в основном вместе с Григорием Зиновьевичем, выпустили сотни великолепных работ. Им принадлежат совершенно пионерские вещи, в частности, вибрационная конвекция в условиях микрогравитации, которой сейчас занимаются многие ученые. Это работы 1979 года, которые создали целое направление. Безусловно эти два человека в значительной степени сформировали и оформили в виде трех классических книг теорию конвективной устойчивости, которая всегда будет связана с их именами и с Пермской школой».
Что касается семинара, то он существует и по сей день, проводят его ученики и последователи этих двух талантливых людей, 11 апреля 2025 года состоялось очередное заседание под номером 1597.
- То есть, это была серьезная научная школа, - продолжает П.Г. Фрик. - Школа фундаментальная, теоретическая. - Чего только ей не хватало, так это прикладной направленности, то есть, использования полученных научных знаний и достижений для практических целей.
АКАДЕМИК КАК ВОЗМУТИТЕЛЬ СПОКОЙСТВИЯ [1]
Спокойное и плавное (ламинарное) течение теоретической мысли было взбудоражено появлением в 1972 году в Перми академика Латвийской Академии наук Игоря Михайловича Кирко, единственного тогда академика в городе. С его появлением связывают возникновение магнитной гидродинамики в Перми.
В свое время, в конце 40-х годов, И.М. Кирко организовал с нуля и возглавил Институт физики АН Латвийской ССР, был одним из создателей и редактором журнала «Магнитная гидродинамика», авторитетнейшего в этой области науки издания в СССР. Однако после какой-то заграничной командировки по рапорту сопровождавшего делегацию «гидродинамика в штатском» попал в суровую опалу, лишился руководящих должностей и работал в качестве преподавателя в Латвийском университете и Рижском военном училище. В Перми в это время создавалось первое в городе академическое научное учреждение - Отдел физики полимеров Уральского научного центра АН СССР (впоследствии - ИМСС). По приглашению пермяков Игорь Михайлович возглавил созданную в рамках Отдела лабораторию физической гидродинамики.
Лабораторию предстояло создавать. Не было помещений, оборудования, простейших инструментов. Начал Игорь Михайлович с того, что организационно выделил в лаборатории несколько групп: прикладная, теоретическая, группа конвекции под руководством Валерия Дмитриевича Зимина, конструкторская группа. Отдельная группа располагалась в Березниках на территории титано-магниевого комбината и занималась проблемами, связанными с восстановлением титана. Руководить этим коллективом И.М. Кирко пригласил ученого из Донецка Эдуарда Адамовича Йодко.
- Когда Кирко приехал, - продолжает рассказ П.Г. Фрик, - он, что было совершенно нетипично для физиков университета, сразу настроился на контакты с предприятиями и на поиск каких-то прикладных задач. Он стал объезжать основные промышленные предприятия региона в поисках технических/технологических задач, требующих научного подхода к их решению.
Был и забавный, но характерный случай на гидродинамическом семинаре у Гершуни, рассказывает П.Г. Фрик. Кирко внимательно прослушал все выступления и привел в изумление углубленных в фундаментальность теоретиков вопросом: «Вот вы тут рассуждаете о тепловой конвекции, о том, как тепловая энергия превращается в механическую. А какой КПД? Какая часть вашей тепловой энергии переходит в механическую?» Гершуни от неожиданности едва не лишился дара речи: «Это что, коэффициент полезного действия? То, что в школе изучают? У нас, знаете ли, другие задачи...» - «Как это так? - не унимался Кирко. - Разве это не интересно? Вы задачу решили - хорошо. Но, как всякому физику, вам должно быть интересно, что можно полезного из этого получить...»
Если быть объективным, надо сказать, что прикладные задачи были отнюдь не чужды Григорию Зиновьевичу Гершуни. Одной из побочных научных задач, решённых Гершуни, стало нахождение оптимального угла (80°) при гравировке декоративного стекла, при котором оно не просвечивало бы, а отражало свет. При строительстве Ленинградского метро проектировщики столкнулись с проблемой: при создании колонны сквозь стекло просвечивала бетонная основа. Учёный вычислил угол огранки стекла, при котором бетонная основа перестаёт быть видной, и колонны кажутся стеклянными монолитам. Но это - к слову.
Рейды по предприятиям, организованные Игорем Михайловичем Кирко, продолжились. Он брал с собой молодых специалистов и внушал им, что без контактов с промышленностью и понимания насущных нужд предприятий, происходящих там технологических процессов они ничего в науке не добьются.
Одним из сопровождавших академика в поездках стал Станислав Юрьевич Хрипченко, недавний выпускник физфака университета по специальности «Гидродинамика», впоследствии - ведущий научный сотрудник ИМСС УрО РАН, профессор, доктор физико-математических наук.
- Из нашей учебной гидродинамической группы в 12 человек половина попала по распределению в лабораторию к Кирко, - рассказывает С.Ю. Хрипченко. - Меня взяли стажером-исследователем, это очень маленькая зарплата, еле-еле концы с концами сводили даже в те времена. Но мы тогда на деньги не смотрели, а хотели заниматься наукой.
ТЕХМИНИМУМ ДЛЯ ГУМАНИТАРИЕВ [1]
Возвратимся к опытам Фарадея на лондонском мосту Ватерлоо через Темзу. Опуская в воду реки медные пластины, он рассчитывал получить (и получил, но не смог измерить в силу малой электропроводности Темзы и недостаточной чувствительности своих приборов) электрический ток. Другими словами, он попытался заставить Темзу и магнитное поле Земли работать как генератор электрической энергии. Разумеется, эта идея в дальнейшем была воплощена в виде разнообразных МГД-генераторов, где в качестве электропроводных движущихся масс использовались расплавы металлов или ионизированный газ (плазма), а магнитное поле Земли замещалось мощными электромагнитами.
Но магнитная гидродинамика умеет не только генерировать электроэнергию. Здесь напрашивается полная аналогия с электрическими машинами, которые в большинстве своем обратимы: если вращать ротор такой машины механическим способом (скажем, двигателем внутреннего сгорания), то она работает как генератор и обеспечивает электричеством, например, дачный дом. Если подать на ее клеммы электрический ток, то она сможет вращать колеса электромобиля.
Такая же обратимость справедлива и для МГД-устройств. Простейший МГД-генератор представляет собой плоскую трубу, установленную между полюсами магнита. В две противоположные стенки трубы вмонтированы электроды. Через трубу пропускается электропроводная жидкость и на электродах возникает разность потенциалов. Но если заполнить трубу неподвижной электропроводящей жидкостью и пропустить поперек нее через те же электроды электрический ток, то его взаимодействие с магнитным полем приведет к возникновение силы, которая будет перемещать жидкость вдоль трубы в определенном направлении. Такое устройство нарекли кондукционным насосом.
Индукционные насосы отличаются от предыдущих тем, что ток к стенкам трубы не подводится, а используется тот, что индуцируется магнитным полем в электропроводящей жидкости. При этом, чтобы возникло движение, в определенной последовательности включаются обмотки электромагнитов, так чтобы в канале насоса образовалась бегущая волна магнитного поля, которая и увлекает за собой жидкий металл. Такие насосы получили название «насосы бегущего магнитного поля». Возможен и другой вариант, когда обмотки с полюсами электромагнитов располагаются вокруг цилиндрической емкости с металлом и включаются в такой последовательности, чтобы магнитное поле пронизывающее емкость с металлом вращалось. При этом металл так же начинает вращаться. Это вращение можно использовать для перекачивания металла или для его перемешивания в технологических целях.
Возможности бегущего магнитного поля продемонстрировали в 1966 году ученые-исследователи Донецкого государственного университета. На литейном дворе доменного цеха Енакиевского металлургического завода в Донбассе множество народа скопилось вдоль канавы, по которой из домны должен выпускаться чугун (И. Повх, А. Баринберг, В. Баринберг). Эта 30-метровая канава имела наклон - но не как всегда от домны к месту слива в ковш, а, наоборот, в сторону домны. Но жидкий чугун все же поднимался вверх по желобу! Под желобом были установлены индукторы - стальные сердечники с обмотками, по которым пропускался переменный электрический ток. Образовавшееся бегущее магнитное поле наводило в потоке жидкого металла электрический ток. Сила, возникшая в металле от взаимодействия поля индуктора с наведенным им током в металле, не только компенсировала силу тяжести, но и заставляла подниматься чугун вверх.
Эти эксперименты на Енакиевском металлургическом заводе, не преследовали каких-то конкретных производственных целей, но показали возможности магнитной гидродинамики в решении прикладных задач. В дальнейшем из этих экспериментов возникло направление в прикладной МГД, занимающееся исследованием процессов, происходящих в МГД-лотках для жидкого металла (так стали называть такие устройства).
Возможностей у прикладной магнитной гидродинамики оказалось множество. Иногда их даже сводят в таблицы и классифицируют по областям применения: плавление (при этом реализуется как обычное плавление в тиглях и ваннах, так и бестигельное плавление во взвешенном состоянии объема плавящегося металла), транспортировка жидких металлов, перемешивание металла в литейных процессах, сепарация - очистка металлов и сплавов от окислов и других не электропроводных примесей, измерение характеристик движения жидкого металла (скорость, расход и др.)
Но особенно востребованными МГД-технологии стали в связи с развитием атомной энергетики. В реакторах атомных станций на быстрых нейтронах в качестве теплоносителя используются расплавы металлов, в том числе щелочных, чья агрессивность даже при комнатных температурах хорошо известно нам из школьной химии. Температура теплоносителя достигает нескольких сотен градусов. Перекачивать расплавленный металл традиционными насосами сложно и под час опасно, они слишком быстро выходят из строя из-за контакта рабочих органов с агрессивной высокотемпературной средой. Тут, как говорится, сам Бог велел воспользоваться возможностями электромагнитного поля. Преимущество МГД насосов заключается в том, что у него нет движущихся в агрессивной среде деталей.
С ЧЕГО НАЧИНАЛОСЬ
- Каких-то конкретных задач Кирко перед нами не ставил, - говорит С.Ю. Хрипченко. - По существу мы сами находили себе задачи, исходя из проблем, которые он описывал.
Тут следует сделать небольшое хронологическое отступление. Как рассказывает С.Ю Хрипченко, свой первый МГД-насос он придумал еще в 8-м классе школы, когда по физике начали изучать электричество и магнетизм. Он подошел к учителю и спросил: почему бы не перекачивать проводящую жидкость с помощью взаимодействия электрического тока и магнитного поля? Возьмем стеклянную трубу, подведем к ней два электрода, создадим магнитное поле и будем перекачивать морскую воду. Учитель спросил, а как вы будете подводить электрический ток через стенки? - Возьмем металлическую трубу. - В этом случае весь ток пойдет по стенкам и опять ничего не получится.
Учителя подвела эрудиция. Он не знал, что принципиальную схему МГД-насоса еще в 1919-м году запатентовали Альберт Эйнштейн и Лео Сциллард, что к тому времени уже появилось множество МГД-устройств разных конструкций и назначения, в том числе и тех, что перекачивают жидкие металлы.
- Сейчас-то ясно, что часть тока пойдет и по морской воде, и по жидкому металлу И очень большая часть. Тогда я эту идею оставил как невозможную в реализации. А когда пришел к Игорю Михайловичу - с удивлением вспомнил. В совместных поездках с И.М. Кирко по предприятиям меня заинтересовала проблема транспортировки жидкого магния в технологическом процессе при помощи МГД-насосов. Надо было создать такое устройство, чтобы оно было простым и дешевым в изготовлении и в то же время очень надежным, работоспособным при высоких температурах в агрессивной атмосфере литейного цеха.
Первая научная задача, которую решал С.Ю. Хрипченко, это исследование течений в плоском канале с жидким металлом, вызванном силами взаимодействия электрического тока, текущего через металл со своим магнитным полем.
В существовавших тогда МГД-насосах, созданных различными исследователями, в качестве основного рабочего элемента насоса использовался плоский канал - он, в отличие от объемных, позволяет максимально сократить расстояние между полюсами ферромагнитных сердечников, а, значит, увеличить индукцию магнитного поля, а, следовательно, и силу, действующую на металл в канале.
- Гидродинамические процессы в таких устройствах в то время были еще мало исследованы, - рассказывает С.Ю. Хрипченко. - Подходили очень упрощенно. Есть электродинамические силы, они давят на жидкий металл, и он движется как твердое тело. Это не так. Это - жидкость, и она имеет свои законы, которые отличаются от твердотельных. Можно создать такие ситуации, когда твердая пластина будет двигаться в магнитном поле, а жидкость - нет. И наоборот. В то время я порылся в литературе, увидел, что в Риге в институте Физики группа под руководством профессора Э.В. Щербинина занимается исследованием явлений обусловленных взаимодействием токов с собственным магнитным полем, но рассматривают только объемные задачи. При неоднородном протекании электрического тока в объеме жидкого металла из-за его взаимодействия с собственным магнитным полем могут возникнуть так называемые электровихревые течения.
Но у меня было другое. У меня был плоский канал. И там процессы совершенно отличаются от объемных. В объеме, чтобы возникло электровихревое течение достаточно неоднородного растекания электрического тока. Для плоского канала, который помещен в зазор между ферромагнитными сердечниками, этого недостаточно. В плоских каналах, чтобы возникло вихревая сила, нужно создавать специфические условия. В частности, нужны края сердечников, чтобы эти края генерировали вихревые силы. Это, вроде, на поверхности лежит. Но я впервые это описал.
Впоследствии были сформулированы условия в возникновения насосного эффекта при протекании в них электрического тока. Был так же экспериментально и теоретически обнаружен неописанный ранее новый физический эффект, обусловленный протеканием по каналу переменного электрического тока. Этот эффект мог обеспечить перекачивание жидкости в канале, и был нами назван скинслойным механизмом.
И тут, как рассказывает С.Ю. Хрипченко, в этих исследованиях сильно помог ему Валерий Дмитриевич Зимин, в то время уже кандидат физмат наук (позднее и доктор), руководитель группы изучения конвекции лаборатории физической гидродинамики ИМСС. О Валерии Дмитриевиче Зимине можно сказать, что этот «богатый идеями ученый, энергичный, работоспособный и как-то был недооценен у нас. Он в начале 90-х по приглашению американской стороны уехал в командировку в Соединенные Штаты, там остался, со временем стал работать профессором в одном из университетов Америки и с тех пор на Родину больше не возвращался. Он и ушел из жизни в Америке.
Возвратимся, к описываемому.
- У меня не заладилось с уравнениями, описывающими течение жидкого металла в плоском канале, помещенном в щель ферромагнитного массива при протекании по металлу сильного электрического тока. Получалась такая вещь. В эксперименте электровихревое движение есть, а в уравнениях оно не получалось. Получалось, что там нет вихревого движения. И вот тогда мы с Зиминым засели, разбирались с этим вопросом, и разобрались. В результате, используя физические приближения, мы написали двумерные уравнения, описывающие явления в этом случае Те, мои первые уравнения, писались для ламинарного (спокойного) течения жидкости. Они объясняли физику явления, по ним можно было даже кое-что смотреть. Но тогда, и окончательно позже, когда я уже был кандидатом, я понял, что в плоских каналах реально создается турбулентное течение. И у нас получилась научная статья, такая основополагающая, о течении жидкого металла в условиях плоского канала между ферромагнитными сердечниками и при протекании по нему электрического тока. Мы отправили статью в журнал «Магнитная гидродинамика».
А позже из Харькова, продолжает С.Ю. Хрипченко, от Эдуарда Васильевича Щербинина - он с соавторами писал книжку «Электровихревые течения»(основная книжка по электровихрям) - поступило предложение написать в нее главу о вихревых течениях в плоских каналах. Я, конечно, написал свою часть. В авторы меня не включили, но в конце книжки написали, что такая-то глава написано мной. Для молодого кандидата наук по тем временам, это было счастье!
Научные интересы и продвижение Станислава Юрьевича Хрипченко в подробностях мы описывать не будем. Приходилось ему заниматься и оборонное тематикой («тогда Америка грозила космическими войнами, мы должны были реагировать и работали с институтом Астрофизики») В рамках государственной программы (в которой были задействованы помимо группы их ИМСС Институт Физики в Латвии, Институт металлургии в Киеве, ученые из Донецка и ,Институт ВАМИ в Петербурге) занимался исследованием неустойчивости границы двух сред «алюминий - электролит» на Таджикском алюминиевом заводе - неустойчивости, приводящей к авариям в цехе электролиза.
Любителям потешить воображение масштабами кратко опишем, что это такое. Электролизер - это ванна 12 на 3 метра, глубиной в 1 метр. В ней расплавленный алюминий и сверху тонкий слой электролита (расплавленный глинозем и фтористые соединения). Через ванну посредством угольных электродов пропускается постоянный ток в 250 тысяч ампер подводимый по медным шинам в сечении 25 на 10 см. Таких ванн в цехе 10 штук в одном ряду и 10 - в другом. Там действуют огромные магнитные силы. С ломом в руках по цеху не пройдешь - притянет к токопроводящей шине. И вот когда алюминий плавится и слой его увеличивается, а слой глинозема, соответственно, уменьшается до критической толщины, может возникнуть искажение границы раздела алюминий - электролит и произойти короткое замыкание, взрыв, авария. Как избежать этого - и было задачей исследования.
С течением времени к С.Ю. Хрипченко примкнули Вениамин Михайлович Долгих и Сергей Анатольевич Денисов (оба ныне кандидаты наук, работают в ИМСС). Эта группа вплотную занялись разработкой и созданием (своими руками) МГД-насосов различных типов и назначений для перекачки жидкого магния и других металлов. Насосы были внедрены в производство на Берениковском и Соликамском титано-магниевых комбинатах. На их счету множество патентов и свидетельств об изобретениях.
АКАДЕМИК - КАК ВОЗМУТИТЕЛЬ СПОКОЙСТВИЯ [2]
Многие считают, что деятельность Игоря Михайловича Кирко в Перми была как бурной, так и сумбурной.
С одной стороны, он организовал первую в Перми Всесоюзную конференцию по МГД, обозначив тем самым появление нового центра по исследованиям в области магнитной гидродинамики, организовывал регулярный ежемесячный семинар, на который съезжались ученые со всей страны. Магнитной гидродинамикой серьезно занимались на Украине- в Киеве и Донецке, в Риге, Таллине, Ленинграде и в Москве - это были очень крупные центры. Соискатели ученых степеней (как кандидатских, так и докторских) считали своим долгом доложить И.М. Кирко о своих научных результатах или диссертациях.
- Мы, молодые, ходили на этот семинар, - вспоминает С.Ю Хрипченко, - атмосфера там была очень демократичная, мы могли участвовать в дискуссиях, спорить и так далее. И этот семинар позволял нам быть в курсе всех событий в своей науке.
С другой стороны, Игорь Михайлович вносил в планомерную, размеренную и последовательную жизнь фундаментального научного сообщества элемент неопределенности, неожиданности, если не сказать - безалаберности.
Чем это обусловлено, сейчас уже никто не может сказать. Скорее всего, действовал комплекс причин. Создав в свое время институт, который впоследствии стал научным центром по МГД мирового уровня, вращаясь среди наших ведущих ученых - капитанов науки, он привык мыслить масштабно крупными категориями- отсюда стремление к решению неподъемных по трудности задач, которыми он в изобилии снабжал своих аспирантов и даже студентов. Понятна и возрастная усталость, лучше сказать, нежелание повторять уже пройденный в Латвии путь создания с нуля академической школы (он рассказывал молодым сотрудникам, что Латвийский институт, директором которого его назначили в 1949 году, размещался поначалу в двух списанных автобусах). Это и свойственная ему увлеченность, заставлявшая переключаться от одной нерешенной еще проблемы к другой - столь же сложной и малоперспективной по части конечного результата.
При этом он обладал большими организационными возможностями, обусловленными прошлым участием в грандиозных научных проектах, связанных с использованием атомной энергии. Сохранившиеся дружеские связи в высших научных и административно-научных кругах позволяли ему достигать того, что в провинциальных умах казалось немыслимым.
Здесь показателен такой эпизод, который остался в памяти свидетелей. В Свердловске выставку научных достижений Уральского научно центра АН СССР в 80-х годах прошлого века почтил своим вниманием Президент Академии наук СССР академик А.П. Александров, участник создания атомного оружия в СССР, один из основателей советской ядерной энергетики, разработчик компактных атомных реакторов для атомных ледоколов и подводных лодок - всего не перечислить. Внушительная свита во главе с Президентом размеренно передвигалась вдоль экспонатов почти без остановок. У стенда лаборатории физической гидродинамики Пермского Института механики сплошных сред скромно стоял ее начальник. И тут произошло нечто необычное. А.П. Александров остановился, по-братски обнялся с И.М. Кирко и добрых 15 минут расспрашивал Игоря Михайловича о его житье-бытье, о задачах, которыми от теперь занимается. Свита все это время ждала. А в ее составе, смеем утверждать, терпеливо переминался с ноги на ногу и первый секретарь Свердловского обкома КПСС, будущий Президент России Борис Ельцин.
Вернемся, однако в 70-е.
П.Г. Фрик:
- Молодые ребята оказались в очень сложных условиях, потому что Игорь Михайлович раздавал задачи, которые им были не под силу. Некоторые из таких задач решаются научными коллективами, и не решены до сих пор. Сотрудники его лаборатории, особенно молодые, варились в собственном соку, не получая от научного руководителя никакой помощи. Он попросту забывал о том, что у него есть аспиранты. Но при этом все отмечали его, как человека обаятельного, доброжелательного, много чего знающего, незлобивого. И если кто-то из аспирантов сумел продвинуться в науке самостоятельно и приходил к нему с результатами, он извинялся, чуть ли не каялся.
Одним словом, из первого набора аспирантов под руководством И.М. Кирко никто не защитился. Кто-то уходил из науки, кто-то находил себе другого научного руководителя.
Насколько непросто было ученикам Игоря Михайловича, настолько же сложно было и тем, у кого он сам был в подчинении. Он был человеком без тормозов, характеризует его П.Г. Фрик. Любые кабинеты ему были доступны, любые идеи казались ему реализуемыми. Работать «под ним» было трудно. А работать «над ним» - невозможно: все время происходило что-то непредсказуемое, предпринимались действия, ни с кем несогласованные.
То вдруг обнаруживалось, что куплены огромные дорогостоящие генераторы, которые затем ни разу не были использованы.
- Ужасная эпопея была с криогенной станцией (установка сжижения газов при низких температурах). Ее в Свердловске по каким-то причинам демонтировали. Игорь Михайлович ее приобрел. Четыре фуры с прицепами привезли ее в Закамск, выгрузили. Потом несколько лет под нее строили фундамент, но не достроили. Оборудование раз за разом уходило под снег. И в конечном итоге станцию разворовали.
А под эту станцию Игорь Михайлович переманил к себе молодого специалиста, инженера-криогенщика Вениамина Долгих. Затем выяснилось, что такую установку должны обслуживать 16 специалистов. Столько ставок даже Кирко выбить не смог. Идея заглохла. А выпускнику Харьковского политеха Долгих предложили «учиться гидродинамике» с нуля. Для чего его прикрепили к почти такому же молодому специалисту С.Ю. Хрипченко (Анка из «Чапаева»: «Учи меня пулемету, дьявол!» -авт.). Вскоре в эту группу вошел и Денисов, выпускник электротехнического факультета Пермского политеха, аспирант Игоря Михайловича, получивший у него, в числе других, задачу разработки электромагнитных подшипников для гигантского механического накопителя энергии. Грубо говоря, это многотонный, почти пятиметровый в диаметре толстый металлический диск, который раскручивается электромоторами до немыслимых скоростей в то время суток, когда дефицита электроэнергии не наблюдается. А затем, работая как генератор, он должен сглаживать пиковые нагрузки на энергетику едва ли не целого города.
На это накладывались и бытовые проблемы. Институт тогда своих помещений еще не имел. И Кирко по всему городу снимал углы. Группе Хрипченко поначалу отвели вестибюль в угольном институте. Они там плавили олово, мотали катушки для электромагнитов, гнули и варили трубы из нержавейки. Но затем И.М. Кирко перевел их в переоборудованный угольный бункер в Закамске. Потом они переехали на завод «Коммунар», отсюда - в химический корпус университета, где им выделили комнату. Из химкорпуса - в подвал Дома Грибушиных. И эти ребята все свои станки, стенды и железо (а железа там много - и все тяжелое) так и таскали по всему городу.
После скандала на ученом совете ИМСС, когда несколько ведущих сотрудников лаборатории заявили, что не могут работать с академиком, и подали заявления об уходе, Игорь Михайлович почувствовал, что и ему тесно в рамках института, и институту с ним не комфортно.
Захотелось большей самостоятельности и независимости. Игорь Михайлович решил перейти всей лабораторией в новый институт Машиноведения в Екатеринбурге, для чего организовал Пермский филиал. Часть сотрудников устала работать с Кирко, и эта часть осталась в ИМСС. Остальные перешли в ИМаш.
- Я перешел, - рассказывает С.Ю. Хрипченко, - потому как у меня была группа и мы с Кирко в то время занимались электролизерами. Кроме того, на мне был аспирант Кирко, и я не мог его бросить. Кстати, первоначально Дом Грибушина был полностью передан для Кирко. Но нуждался в ремонте. Когда ремонт начался, мы временно переместились в подвал. Там оборудовали несколько неплохих комнат. Потом началась разруха, - перестройка, когда зарплаты хватало только на буханку хлеба. Как мы выжили - это отдельная тема.
В рыночные реформы Игорь Михайлович вписался. В тренде новых веяний он организовал единственный в России научный кооператив, и стал заниматься разработкой и производством бытовых озонаторов. Филиал постепенно распадался.
Хрипченко, Долгих и Денисов, еще долгое время работали в подвале Дома Грибушиных, «в антисанитарных условиях», как деликатно выразились они. И в конце 90-х годов они предложили директору ИМСС принять их обратно.
ЗА ГРАНЬЮ ВЫЖИВАНИЯ
Не завидую тем, кто возьмется описывать жизнь науки в 90-х годах прошлого века. Потому и сам обозначу этот период вкратце. Это можно сделать всего «в двух словах». Наука жила не на грани, а за гранью выживания.
П.Г. Фрик:
- Когда мне в 92 году досталась лаборатория физической гидродинамики, в ней было два с половиной человека. Зимин уехал в командировку в Техас в 90-м году. Как потом стало понятно - навсегда. Многие ушли зарабатывать на жизнь на стороне. В лаборатории было людей - по пальцам сосчитать. Причем, тех, кто действительно хотел наукой заниматься - почти никого. Была Галина Владимировна Левина. Был аспирант Витя Захаров. Вот и вся лаборатория.
Время, конечно, было трудное. Но в чем-то и интересное. Свободное. Открылись границы. Не воспользоваться этим было бы неразумно. В 1992 году появилась возможность поработать полгода в Стокгольме. В шведском Центре параллельных вычислений Королевского технологического института П.Г. Фрик разрабатывал алгоритмы численного исследования турбулентных потоков с помощью иерархических моделей турбулентности. Построение специальных моделей для описания турбулентных потоков имело прямое отношение к вейвлет-анализу - молодому, тогда только зародившемуся направлению в науке. Не будем пояснять, что это такое, пусть оно останется для читателя туманным, загадочным и прекрасным видением.
(Нарушая хронологию, скажем, что в 1995 году по предложению Фрика в рамках традиционной для ИМСС Зимней школы по механике сплошных сред состоялся семинар по вейвлет-анализу с участием одного из основоположников этого направления А. Гроссманна. Петр Готлобович занялся тематикой, связанной с анализом магнитных полей в космосе, солнечной активности, изменений магнитного поля Земли, обработкой галактических данных. Постепенно сложилось сотрудничество с обсерваторией Парижа, Институтом физики Земли РАН, с Институтом радиоастрономии в Бонне, Астрофизическим центром Гарварда).
В 1993году П.Г. Фрик работал в Лаборатории динамической метеорологии в Париже. В те времена зарубежные исследовательские центры очень активно и охотно приглашали российских ученых, имея, возможно, тайный умысел. Во всяком случае, когда разразился в России политический кризис 1993 года, начались уговоры.
- Меня несколько месяцев французские коллеги «прессовали», - вспоминает Петр Готлобович. - Типа, зачем возвращаться? Страна разваливается, гражданская война на носу. Ты, с твоим французским, говорили они, здесь прекрасно устроишься. Все условия для работы будут созданы...
Что касается языков, П.Г. Фрик отлично владеет не только французским, но и немецким, и английским. А искал он за рубежом не место работы, а контакты с научным сообществом, которые дают неоценимую возможность обмениваться опытом. И не только ему, но и молодежи, которая уже начала заполнять вакантные места в лаборатории физической гидродинамики ИМСС.
- Понемногу я начал ребят набирать. В тот период Петр Валентинович Трусов предложил мне читать курс турбулентности студентам специальности Математическое моделирование Пермского политеха. Ребята-студенты были очень толковые, хорошо подготовленные, талантливые. И из каждого выпуска я стал брать по одному человеку в свою лабораторию. Первым был Денис Галягин, затем Родион Степанов, Сергей Ложкин, Тимофей Антонов. Илья Колесниченко, Руслан Халилов. Все они были хорошо теоретически подготовлены, владели численными методами. В это же время и группа Хрипченко вернулась в ИМСС.
АКАДЕМИК - КАК ВОЗМУТИТЕЛЬ СПОКОЙСТВИЯ [3[
Очередной мой вопрос П.Г. Фрику был такой: «Почему, несмотря на сумбурную деятельность и достаточно безалаберное руководство, многие вспоминают Кирко с теплотой?»
- Он все-таки был личностью незаурядной. А портреты таких людей невозможно одной краской нарисовать. Это была такая многогранная, но противоречивая натура. И хотя у многих людей отношения с ним не сложились, он и много и полезного сделал, и о себе хорошую память оставил.
Тут лучше всего воспроизвести часть статьи за авторством П.Г. Фрика и С.Ю. Хрипченко в «Вестнике Пермского федерального исследовательского центра» №1, 2024г.:
«Практически в первые годы работы в Перми он (И.М. Кироко - авт.) организовал ежемесячный Пермский семинар по Магнитной гидродинамике, на котором регулярно делали доклады известные ученые и еще неопытные исследователи из основных центров Советского союза, где занимались фундаментальными и прикладными вопросами магнитной гидродинамики. Авторитет Игоря Михайловича среди ученых, занимающихся МГД, был очень высок, поэтому с выступлениями на наш семинар приезжали исследователи со всего Союза. <...>
Тематика сообщений на семинаре была очень разнообразной: на нем, например, выступали с докладами по проблеме винтового МГД-динамо (А. Гайлитис), по мелкомасштабному турбулентному динамо (А.А. Рузмайкин), по вопросам литья металла в электромагнитный кристаллизатор (З.Н. Гецелев) и по проблеме создания МГД-генератора (Е.И. Янтовский). В начале восьмидесятых годов мы познакомились с проблемами реализации идеи атомного ракетного двигателя, работы по созданию которого велись уже в то время. По приглашению Игоря Михайловича в Пермь приезжал академик Леонид Иванович Седов, который выступил на семинаре с докладом по ключевым проблемам механики, а его заместитель (как директора института механики МГУ) С.С. Григорян сделал доклад о модели Тунгусского метеорита. В свой приезд они посетили нашу лабораторию, где мы имели возможность показать свои эксперименты и рассказать о них. Рассматривая одну из экспериментальных установок, в которой модель для термостатирования была помещена в обычную большую алюминиевую кастрюлю с машинным маслом, Л.И. Седов, обращаясь к Григоряну, пошутил: «Учитесь, как при помощи обычных вещей делать хороший эксперимент, подобно тому, как Фарадей употреблял сургуч и веревку».
И.М. Кирко имел широчайший круг контактов в научных кругах страны и охотно делился своими связями, помогая устанавливать научные контакты молодым сотрудникам. Он сделал нас активными участниками знаменитых Рижских совещаний по магнитной гидродинамике, он способствовал контактам пермской научной молодежи с коллективом Рижского института физики, который был безусловным лидером в области экспериментальной магнитной гидродинамики, и нам было чему поучиться у опытных коллег. Благодаря Игорю Михайловичу появился контакт с группой академика Я.Б. Зельдовича, занимавшейся проблемой космических магнитных полей. Этот контакт со временем перерос в многолетнее плодотворное сотрудничество».
- Одно можно сказать точно, - продолжает беседу П.Г..Фрик. - Если бы Кирко не приехал в Пермь, не было бы здесь магнитной гидродинамики. Если бы он не нашел преданного ученика в лице Станислава Юрьевича Хрипченко, если бы мы не воссоединились в 90-е годы с его группой, не было бы у нас и прикладной магнитной гидродинамики. Все эти станки, стенды, галлиевое, магнитное хозяйство они привезли сюда из Дома Грибушина и из Закамска, где хранилось все самое тяжелое и массивное. С нули мы бы это в то время создать не смогли. И в экспериментальном плане самый большой авторитет был тогда у Станислава Юрьевича Хрипченко. На него опирались, когда стали искать задачу, которая помогла бы нам выйти из безнадежного в материальном отношении положения.
Задачу эту можно было бы кратко сформулировать так: «Экспериментальное воспроизведение магнитного поля Земли в лабораторных условиях». Был получен грант из Фонда МНТЦ (Международного научно-технического центра) в размере 1 миллиона долларов. Бешеная сумма в те времена.
Подробно можно прочитать об этом эксперименте, если пройти по ссылке: http://permnew.ru/news?post_id=24863 В интернете не принято давать какие-либо предупреждения, но старомодное благородство заставляет меня этим пренебречь: переход и последующее чтение может занять не меньше 40-50 минут. Поэтому ссылку лучше где-нибудь сохранить и перейти по ней на досуге.
Ну и подводя промежуточный итог. Повторим еще раз с уточнениями. Если бы не Пермская гидродинамическая школа, созданная Г.З. Гершуни, Е.М. Жуховицким и их предшественниками, Кирко не приехал бы в Пермь и не начала развиваться такая область этой науки, как магнитная гидродинамика. Если бы не преданный ученик Кирко в лице С.Ю. Хрипченко, экспериментальное хозяйство на жидких металлах в 90-е годы просто не выжило бы. А воссоединение этой группы с лабораторией физической гидродинамики ИМСС позволило осуществлять в институте полный спектр исследований -от эксперимента до теоретических фундаментальных исследований.
Продолжение следует:
ПЕРМСКАЯ МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА [2]— фрагменты ее истории https://ok.ru/permnewru/topic/157206950373601 ПЕРМСКАЯ МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА [3]— фрагменты ее истории https://ok.ru/permnewru/topic/157206950570209 #ИМСС #Пермь #
Александр Куличкин
Читать на сайте — https://permnew.ru/news?post_id=26766
ПЕРМСКАЯ МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА [2]— фрагменты ее истории
Во время недавнего визита в Пермь Министр науки и высшего образования РФ В.Н. Фальков ознакомился с работой Института механики сплошных сред УрО РАН. Министр осмотрел лабораторию Технологической гидродинамики. Здесь ему показали Натриевый испытательный стенд, на котором проводятся приемочные испытания аппаратов для Белоярской АЭС и продемонстрировали результаты работ с жидкими металлами. Достижения пермских ученых были высоко оценены. Наш рассказ — о развитии и становлении в Перми магнитной гидродинамики.
Продолжение. Начало здесь:
ПЕРМСКАЯ МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА [1]— фрагменты ее истории https://ok.ru/permnewru/topic/157206950111457 РАССУЖДЕНИЯ ДИЛЕТАНТА
Есть два вида ученых.
Одни, теоретики, глубоко погружены в какую-либо проблему, работают почти исключительно с математическим аппаратом пером на бумаге. Сейчас сказали бы - на бумажном носителе. Их задача создать правдоподобную математическую модель чего-нибудь, рассчитать ее, а затем отдать для проверки на жизнеспособность экспериментатору.
Другие, экспериментаторы, - это люди, которые умеют и даже любят делать что-то своими руками. Они могут починить испортившийся прибор или даже построить новый, умеют работать на станках или напильником, умеют паять, монтировать, подгонять по месту. Их задача экспериментально исследовать явления природы, а так же, что не менее важно, подтвердить или опровергнуть выдвинутые теоретиками идеи.
В прикладных задачах науки теоретика от экспериментатора трудно отличить. В группах, работающих над одной темой, кто-то больше экспериментатор, кто-то больше теоретик. Здесь задачей является изготовление объекта. Конструктивные идеи возникают на основе общих теоретических положений, и являются иногда предметом крутых споров, сводящихся к взаимоисключающим утверждениям типа: «Будет работать!» - «Не будет работать!». Разрешаются споры созданием лабораторной модели, которая часто дает непредсказуемый результат - то негативный, то позитивный. А иногда и неожиданный. В последнем случае конечным итогом является патент на изобретение с последующим внедрением.
Конечно, здесь большую роль играет научная интуиция. Теория помогает лишь найти правильное направление эксперимента. Эксперимент дает какой-то конкретный результат. А затем из эксперимента извлекаются теоретические разработки.
Группа Хрипченко - Долгих - Денисов считает 90-е годы наиболее плодотворными. В те времена чиновникам стало не до ученых. Их не загружали громоздкими отчетами и не контролировали каждый шаг исследований. Зарплату какую-то платили, а дальше - занимайтесь, чем хотите. Свободный полет.
На Денисова возлагалась вся электрическая и магнитная часть. Дадим ему слово.
- Сами нарезали из трансформаторной стали и склеивали сердечники, наматывали катушки. Магнит весит под сотню килограммов. Катушка - килограммов тридцать. Вот ее ворочаешь, провод толстый, в сечении 7 миллиметров, двойной, руками такой не прижмешь. Молотком то с одной стороны, то с другой. И так порядка сотни витков. Долгих больше любит поковыряться с железками. Куча вариантов насосов. Все их перебирает. Сколько он труб извел - не счесть. Ему это интересно. Не надо только ему мешать. Хрипченко - он больше на теорию опирается. Доктор наук, профессор. Спорят они с Долгих постоянно. Как правило, споры разгораются в связи с причинами, вызывающими возгласы типа «Ничего себе!» Ну или сходные, причем более распространенные. В эксперименте вдруг обнаруживается новое явление, механизм которого не совсем ясен. То есть, эксперимент дает неожиданный результат. А именно - работает то, что вроде никак не должно работать. В результате споров на этом эффекте разрабатываются МГД-насосы обладающие уникальными свойствами.
Если говорить только о насосах для перекачки расплавленных металлов, то эта группа создала для предприятий титано-магниевой отрасли и других довольно много оригинальных и интересных по конструкции аппаратов. В монографии С.Ю Хрипченко «Электровихревые течения в каналах МГД-устройств» описываются такие, как безобмоточный насос который они назвали «зиг заг», насос « Пуш-Пул», что можно перевести с английского, как «тяни-толкай» (два ферромагнитных сердечника в разных точках конструкции создают тянущий-толкающий эффект, перегоняя жидкий металл в одно направлении), различные центробежные электровихревые насосы.
Был разработан и изготовлен в лаборатории МГД-насос для создания управляемого высокого давления в различных технологических устройствах. Насос создавал давление более 1000 атмосфер. Надо сказать, что такое давление не создает ни один существующий МГД-насос
Не умаляя достигнутых экспериментаторами второй половины и конца ХХ века результатов. все же скажем, что эксперимент (и извлекаемое потом из него теоретическое обоснование) не единственный способ достижения цели. И зачастую ученые, как люди, не лишенные чувства юмора, оценивают полученные результаты, в виде примерно такой формулы: «Что получилось, то и хотели!» Время работы по жестко заданным параметрам, с программно-вычислительными комплексам тогда еще не пришло.
В НАУКЕ СТОЛЬКО ИСТИНЫ, СКОЛЬКО В НЕЙ МАТЕМАТИКИ
Здесь мы отвлечемся от гидродинамики, чтобы рассказать о достаточно удивительных вещах. О вузовской специальности, которая не признает границ между самыми разными природными явлениями. Специальность эта весьма подошла бы тем, кто стремится в науку, но еще не определил для себя места в ней. То есть, тем, кто подобно Буриданову ослу, никак не может выбрать между двумя охапками сена.
Когда-то давно, в начале 70-х, будучи еще студентом, я спросил у другого студента, курсом старше, читал ли он нашумевшую повесть Астафьева «Пастух и пастушка»?
- Нет, - ответил он. - Я не читаю художественную литературу. Читаю только научную. И знаешь, там такие разворачиваются интриги, так закручивается сюжеты - не оторвешься.
Звали студента Петр Трусов. Теперь он профессор, доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой «Математическое моделирование» Пермского национального исследовательского политехнического университета.
- Неужели я так говорил? - удивился он, когда я напомнил ему этот эпизод. - Еще в школе, в Красновишерске, я просто пропадал в библиотеке. Меня даже пропускали в фонд. Всегда старался и сейчас стараюсь не пропускать ничего из стоящего. Впрочем, в студенческие времена такое, наверное, мог сказать. На художественную литературу тогда просто не хватало времени.
-Я учился в политехе на специальности «Динамика и прочность машин», - продолжает Петр Валентинович. - Несмотря на то, что это была элитная специальность, и нам давали совсем неплохую фундаментальную подготовку, я понял, что этого было недостаточно. Математики было много, но не затрагивались такие ее аспекты, как функциональный анализ, дифференциальная геометрия. Отдельного курса тензорного анализа не было. Пришлось заниматься самообразованием. Аспирантуру я закончил в МИСИСе - Институт стали и сплавов. Там познакомился с математиками, потом ходил на семинары в МГУ, на кафедру теории упругости. Там завкафедрой был член-корреспондент Академии Наук Алексей Антонович Ильюшин. Там я понял, что механика - это гораздо глубже, чем нам давалось в свое время. И вот тогда появилась мысль, что надо создавать специальность, которая была бы настроена на фундаментальную подготовку. И эта мысль оказалась правильной. Знания технические, особенно сейчас, знания, связанные с информатикой, обновляются каждые два-три года. И если у человека нет фундамента, то ему надо переучиваться каждые три-четыре года.
Не будем пересказывать историю о том, как трудна оказалась задача создания новой кафедры в начале 1990-х годов. Несмотря на поддержку многих авторитетных ученых, в том числе академиков, на энтузиазм местных ученых, идея создания в техническом вузе фундаментальной кафедры физико-математической направленности никак не укладывалась в головах министерских чиновников.
- Слава Богу, меня поддержал в Москве Александр Андреевич Самарский, академик, основатель математического моделирования у нас в стране. Ну, и тогдашний ректор Пермского политеха - Адольф Александрович Бартоломей. В 1990-м году мы сделали первый набор студентов. Теперь наши выпускники где только не работают. В банках, в сфере IT,, в горных делах, в космических проектах. Ну, конечно, требуется время для адаптации к конкретным задачам...
- То есть, фундаментальная подготовка позволяет легко внедриться в любую отрасль науки - это так? - спрашиваю у Петра Валентиновича.
- Именно так. Еще Иммануил Кант сказал: в каждой науке столько истины, сколько в ней математики.
- Все же объясните, каким образом достигается такая универсальность.
- Например, есть такая область знаний, на стыке механики и физики, как теория определяющих соотношений. Это свод теорем о поведении всех тел. В природе существует всего три вида состояния тел: твердое, жидкое, газообразное. О чем дальше речь. В большинстве наук есть как бы два типа законов. Одни законы всеобщие, такие как, законы сохранения массы, количества движения, момента количества движения. Но этих законов недостаточно, чтобы описывать поведение реальных объектов. Другая группа законов определяет конкретику. Например, вот это - бумага, а это - стол. Оба твердые, но имеют разные физико-механические характеристики, разное строение. Теория определяющих соотношений - это именно наука о второй группе соотношений. И там есть какие-то свои аксиомы, которые позволяют нарисовать контуры моделей материалов, отсеять неприемлемые варианты. Например, есть такая аксиома - независимость от выбора системы отсчета. Система отсчета - это некое тело, которое мы можем считать абсолютно твердым, и связать с ним систему координат. Ну, для инженерных задач - это Земля и связанная с ней тройка осей. Так вот, если мы записываем определяющие соотношения в одной системе координат, то они должны быть такими же в любой другой системе координат. Это одна из аксиом. А их там немало. То есть, это такая общая наука об описании поведения материалов, о моделях описания поведения материалов. Эта наука дает общие знания. На самом деле, когда начинаешь работать в конкретной области, допустим, с жидкими металлами, то понимаешь, что их поведение своеобразно. Теория определяющих соотношений намечает контуры. Но они далеки от конкретных соотношений тех же расплавов, где огромную роль играют, например, магнитные свойства, вязкость, теплопроводность, удельный вес и т.д. Поэтому в программе обучения предусмотрены большие курсы по специальным дисциплинам, которые нашим студентам читают действующие ученые высокого уровня, в том числе ведущие специалисты Института механики сплошных сред.
Изначально задача была оснастить нашу кафедру в первую очередь людьми, способными ставить и решать серьезные задачи, сопряженные с физикой, на высоком математическом уровне.
- Специальность «Математическое моделирование» - это что?
- Начиная примерно с 70-х годов уже появились более или менее нормальные модели. А сейчас просто немыслимо, чтобы проектирование какого-то технологического процесса начиналось с эксперимента. Эксперименты сейчас проводятся для исследования каких-то необычных свойств. Или для исследования физико-механических характеристик, потому что без этого не построить модель. Но в основном, все начинается с построения цифрового двойника. В модели возможно вообще все, что угодно, придумать, какие угодно условия задать.
Можно создать модель какого-нибудь металлургического процесса, можно создать модель человека. Принципиальной разницы нет., хотя, казалось бы - где металл, а где человек. Но мы работаем как бы с одними и теми же материалами, с уравнениями. Те же самые законы сохранения, те же самые законы механики сплошной среды. Когда есть фундамент, можно все освоить.
- Модели человека?
- Мы и этим занимаемся, хотя кафедра у нас, в основном, твердотельная (нелинейные механика и физика твердого тела - авт.). Работа ведется совместно с Федеральным центром управления рисками и здоровья населения. Он расположен на Монастырской напротив Слудской церкви. Там два двухэтажных домика. Научный руководитель академик РАН Нина Владимировна Зайцева. Она очень мобильна по отношению к новому. И она в свое время сагитировала меня. И туда пришли трое выпускников нашей кафедры. Двое уже защитились. Один - по желудоччно-кишечному тракту, другой - по иммунной системе, а вскоре состоится очередная защита (уже состоялась, по дыхательной системе. - авт). То есть, работаем там по отдельным органам и система человека.
- Догадываюсь, это модели не из мяса, нервов и костей?
- Это численные модели. Сейчас работаем над моделью дыхательной системы. Мы на ней смотрим, например, как поступают частицы запыленного воздуха, как и где они оседают. Как вообще идет процесс дыхания. На модели мы можем какую угодно ситуацию создать. Например, заставить человека дышать парами цианистого калия. В натурном эксперименте этого не сделаешь. Модели, особенно, если модели очень качественные, - это дар небес, по сравнению с эмпирикой.
- С цианистым калием - это, конечно, круто. А реальные цели какие?
- Возьмем, допустим, такую вещь, как санитарные нормы. Сейчас они нормируют запыление атмосферы частицами, размеры которых порядка микрона. Мы на модели показали, что при оценке допустимой чистоты воздуха следует учитывать частицы субмикронного и даже наноразмерного масштаба. Они проникают в глубь легких. А это суровая штука, потому что они из глубоких долей легких не выводятся. Они там оседают. В воздухе, которым мы дышим, огромное количество таких частиц, в том числе, тяжелых металлов. Это значит, что в легких начинают зреть очаги онкологии, силикозаа и прочих болезней.
- Что дальше?
- Дальше будем создавать еще одну подмодель - кровеносной системы. С ней работают очень многие. Мы, наверно. просто возьмем чью-нибудь модель, и адаптируем ее, это очень сложные модели. Там надо не только о крови говорить, но и о лимфе. Огромное количество сосудов. Их напрямую просто не описать. Мы так и с легкими поступили. Представляешь, сколько в легких альвеол? Они там 2-3 микрона размером. И их 660 миллионов. Плюс канальчики, которые их соединяют. Если моделировать впрямую, методом конечных элементов, всех компьютеров Земли не хватит для того, чтобы в разумное время это просчитать. В общем, была предложена модель пористого тела. И вот она работает. Надо всегда понимать, что матмодель - это никогда не копия реальности. Один из основателей кибернетики Норберт Винер говорил, что наиболее совершенной моделью кота является такой же кот, а лучше - он сам.
В нашей модели мы охватили все верхние дыхательные пути и легкие, которые мы моделируем как пористую среду. Там все очень сложно. Прямые и обратные связи с центральной нервной системой, с периферической. В этих моделях очень многое еще надо дорабатывать. Допустим, по тому же желудочно-кишечному тракту - там нам надо отладить обратные связи по ферментам, по составу химическому. Все это управляется и периферической нервной системой и центральной. Что к чему относится, не известно до конца пока. Этим и занимаются наши ребята, которые были подготовлены по нашим программа.
Добавим к сказанному. Каждый студент, обучающийся на этой кафедре, с третьего семестра обязан заниматься наукой. Один раз за семестр он обязан выступить на семинаре с докладом о своей работе и еще один раз - с рецензией работы коллеги. Преподают здесь в солидном объеме такие фундаментальные дисциплины, как Механика сплошной среды, Теория пластичности, Тензорный анализ, Физическая теория пластичности, Теория определяющих соотношений, Гидродинамика, Дифференциальная геометрия. О численных методах в целом и в приложении их к конкретным отраслям науки, об информационных технологиях и их всевозможных разделах - и говорить нечего.
- Учиться у нас, конечно непросто, - заключает П.В Трусов. - Из тридцати поступивших абитуриентов к четвертому курсу остается только половина.
Это не значит, конечно, что неудачники выбрасываются на улицу. Их с удовольствием принимают для продолжения учебы на любые другие специальности. Ну, а оставшиеся, как правило, продвигаются в науке достаточно успешно.
ВСЕ, ЧТО ПРОСТО, НЕ ТАК УЖ И ПРОСТО
Кадровый провал 1990-х годов миновал. Прошло время, когда свой киоск на рынке был для многих выпускников вузов ценнее, чем будущая диссертация. Наука стала пополняться мотивированными молодыми людьми.
- В лаборатории физической гидродинамики появились очень хорошие ребята, - рассказывает П.Г. Фрик. - И тогда, в начале 2000-х, возникло ощущение, что наука возрождается, и перспективы стали более понятны. Именно тогда коллектив лаборатории и сформировался. Это были несколько человек моего поколения, те, кто учился в вузах в 70-х годах. К этому времени они уже стали сформировавшимися учеными. Число сотрудников лаборатории выросло до 25. Одним из первых со специальности «Математическое моделирование» пришел Родион Степанов. Он очень быстро продвинулся, защитил кандидатскую диссертацию, затем докторскую. Очень активен в научных контактах, можно сказать, весь мир объездил. На все имеет собственное мнение, такой очень независимый, и я бы даже сказал импульсивный человек.
Чуть позже пришли Андрей Сухановский и Илья Колесниченко - оба учились в 9-й школе, потом один поступил в классический университет, другой - в политехнический, и снова оказались вместе в одной лаборатории. Сейчас оба имеют ученую степень доктор физико-математических наук. В одно время с Ильей Коесниченко стал научным сотрудником лаборатории Руслан Халилов.
Руслан Халилов:
- Еще студентом 4-го курса «Матмоделирования» я пришел в ИМСС, Петр Готлобович читал у нас курс турбулентности. У меня тогда не было определенности с моей научной работой, а надо было писать диплом. Мой однокурсник, уже такую работу вел, говорил: тут хорошо, интересно. По-моему, это был Андрей Петров. Петр Готлобович сразу принял меня, направил в команду Станислава Юрьевича Хрипченко. Он дал задачу расчета электромагнитной силы в МГД-перемешивателе. Если точнее изучение электромагнитных полей, бегущей магнитной волны, которая генерируется внутри. Я начал тогда сразу численно эту задачу считать. Рассчитал силы и получил некое их распределение. И это стало содержанием моей дипломной работы.
Илья Колесниченко:
- Были регулярные экскурсии всех студентов кафедры в ИМСС. Показывали лаборатории. Самое главное - ученые, которые здесь работают, преподавали и у нас. Это были выдающиеся заведующие лабораториями. Курс механики сплошных сред нам читал Анатолий Алексеевич Роговой. Юрий Львович Райхер читал физику с уклоном в магнетизм, в магнетики - это раздел электродинамики. Олег Борисович Наймарк - курс по прочности, связанный с поведением дефектов в твердых телах. Олег Иванович Скульский читал аномально вязкие жидкости. Петр Готлобович Фрик - теорию турбулентности. Этот курс почему-то произвел на меня впечатление. Мне захотелось заниматься именно гидродинамикой, а не твердым телом. Объяснить, почему - не могу. Потому что по знаку Зодиака я Рыба? Мне как-то казались интересней эти задачи, потому что посмотреть можно. Внутрь куска металла не заглянешь. А второе - здесь еще и электродинамика, которая мне тоже нравилась. Все в совокупности и дает то, чем мы сейчас занимаемся. Магнитная гидродинамика и электродинамика. Все вместе. В магистратуре у меня была работа, связанная с поведением жидкого металла в магнитном поле. Так называемые электровихревые течения в плоских слоях - тогда мне это показалось очень сложным. Потом уже понял, что это все просто. Но сейчас, когда к этому возвращаюсь, понимаю, что это все же очень не просто.
- Тогда и начинал считать, - продолжает И. Колесниченко. - Я очень долго осваивал это. Программировал сам все эти вещи. Это было весьма непросто. Долго доводил до согласования с экспериментальными (верификационными, заведомо известными) данными. Это была та еще работа. Я через нее прошел, и, считаю, это огромной пользой, потому что знаю, как и что в стандартных счетных пакетах, которыми сейчас все пользуются, сделано. Освоить пакеты - это уже очень большая работа. Но это первая задача. А вторая, более серьезная - понять, как эти пакеты считают. Без этого прожить можно, но ты всегда будешь относиться к счету, как к инструменту, как к чему-то непонятному.
У читателя может возникнуть вполне законный вопрос: что же все-таки они там все время считают? Наверное, не как герой известного мультика «Козленок, который научился считать до десяти». Несколько позже мы попробуем прояснить ответ на этот вопрос. А пока необходимо перейти к другому.
ПОЧЕМУ НЕ ЛЮБЯТ НАТРИЙ
Мы уже упомянули однажды ту грандиозную задачу, которую взялись решать пермские гидродинамики: «Экспериментальное воспроизведение магнитного поля Земли в лабораторных условиях». И даже дали ссылку на очерк, из которого можно узнать об этом эксперименте подробнее. http://permnew.ru/news?post_id=24863 Те, кто по этой ссылке прошел, уже знают, что эксперимент был не слишком удачным. Но виной тому оказались не ученые, а технологический брак при изготовлении части конструкции экспериментальной установки, допущенный одним из питерских заводов. Для тех же, кто не читал, вкратце расскажем следующее.
Как известно, магнитное поле Земли образуется не огромным магнитным телом где-нибудь в ее центре, а мощным движением расплавленных электропроводных масс внутри Земли, обусловленным ее вращением. Ученые всего мира в конце 90-х годов развернули между собой соревнование по воспроизведению магнитного поля Земли, для чего в разных странах строились грандиозные лабораторные сооружения величиной с многоэтажный дом или цех большого завода. Пермские ученые предполагали получить результат в компактной установке, не разгоняя многие тонны расплавленного натрия в хитроумно изогнутых трубах до бешеных скоростей.
Пермская установка представляла собой, по сравнению с иностранными, чрезвычайно компактную, и по мнению ведущих зарубежных ученых, эффективную и многообещающую модель. Она представляла собой тороидальную полость (вроде пустотелого бублика), заполненную жидким натрием. Ее необходимо было раскрутить, для чего не требовалось больших мощностей. А затем резко, одномоментно, затормозить. Содержимое бублика разовьет необходимую для эксперимента скорость. Нужный характер движения сохранится в течение долей секунды. Но этого времени достаточно, чтобы зафиксировать результат.
Бронзовый тор состоял из двух половинок, скрепленных болтами. В верхней половинке обнаружились трещины, которые невооруженным глазом ни при изготовлении, ни при подготовке к работе, были не видны. Обнаружены они были только при контрольном заполнении тора водой под давлением. Эксперимент пришлось остановить. Долгое время установка стояла без дела. Затем двое молодых ученых, Илья Колесниченко и Руслан Халилов, попробовали реанимировать ее. Перебрали множество анаэробных герметиков, выбрали подходящий, заливали им трещины. Вакуумировали полость тора, снова разбирали его, снова заливали. И так несколько раз. Наконец, удалось достичь более иди менее приемлемого результата. Заполнили тор расплавленным натрием, раскрутили, но отнюдь не до требуемых скоростей, и даже получили какие-то промежуточные результаты.
Все это рассказывается для того, чтобы совершить логичный переход к тому комплексу задач, которым они занимаются по сей день и который потребовал наличия навыка и умения работать с расплавленным натрием.
Специалисты ОКБМ «Африкантов», одного из подразделений Госкорпорации Росатом, заинтересовавшись работами П.Г. Фрика по турбулентной конвекции, в одно из посещений лаборатории физической гидродинамики ИМСС УрО РАН вдруг с удивлением обнаружили, что здесь ведутся работы с расплавленным натрием. Это был для них приятный сюрприз. Дело в том, что жидкий (расплавленный) натрий является теплоносителем атомных электростанций на быстрых нейтронах - рабочим телом, переносящем тепло, образующееся в реакторе, к парогенератору. В ОКБМ «Африкантов» исследования на жидком натрии не ведутся. А Госкорпорация Росатом выставляет конструкторам и расчетчикам принципиальное требование. Любые расчеты должны быть верифицированы экспериментом, причем именно на тех материалах, которые задействованы в реальных системах действующих или создающихся реакторов.
Поначалу пермским гидродинамикам предложили несколько частных задач, связанных с исследованиями на жидком натрии. Они и были поручены группе молодых ученых, возглавили которую кандидаты физико-математических наук Илья Владимирович Колесниченко и Руслан Ильдусович Халилов.
Следует, наверное, остановиться на том, почему не каждое научное учреждение рвется к экспериментам с использованием жидкого натрия. Работать с жидким натрием не очень-то просто. Натрий даже в твердом виде на воздухе взаимодействует с влагой, на поверхности образуется щелочь 100-процентной концентрации. Если потрогать брусок натрия, на коже появится химический ожог или язва. Контакт с водой у твердого натрия весьма громкий. Выделяется водород, смешиваясь с кислородом воздуха, он образует гремучий газ. Для воспламенения гремучего газа достаточно одного фотона ультрафиолета.
В расплавленном виде при температуре свыше 120 градусов натрий самовоспламеняется на воздухе. Он горит весьма активно, с большим тепловыделением. Потушить его водой не представляется возможным. Для тушения используются специальные порошковые составы. При горении натрий окисляется и образуется оксид натрия. Эта легкая аэрозольная взвесь словно туман заполняет помещение. Она химически активна, попав в легкие, взаимодействует с влагой и превращается в щелочь. Подобные инциденты могут иметь фатальный исход. Поэтому всегда необходимо иметь под рукой средства химической защиты и противогазы.
Понятно, что работать с жидким натрием возможно только в вакууме. А перемещать его из бака в канал - выдавливанием инертным газом аргоном. Значит, нужны и вспомогательные системы - вакуумирования, аргоновая. Конечно, и система пожаротушения.
Первую задачу от Росатома можно сформулировать так - исследование конвективных потоков в цилиндрическом канале с наклоном.
Откуда пришла задача. Жидкий натрий идет от реактора к теплообменнику по трубопроводам общей длиной в сотни метров. Натриевые контуры оснащены различными приборами, множеством всяческой арматуры и насосов, которые расположены на разной высоте. То есть, каналы, трубопроводы, меняют свой наклон по отношению к вертикали. И внутри каналов и рядом с каналами расположены разные приборы. В процессе эксплуатации был выяснен такой момент. Когда надо провести какие-то обслуживающие работы, циркуляцию натрия останавливают. Считалось, что когда натрий остановлен, он не переносит тепло. Оказалось, что это не так. Натрий остановлен, через сотню метров на трубе стоит насос, он не должен нагреваться. А выяснилось, что нагревается. То есть, тепло очень эффективно передается по трубам даже в отсутствие циркуляции. Это было достаточно неожиданно для всех. Надо было разобраться в ситуации. Это и поручили «ОКБМ Африкантов». Там эту задачу посчитали. Но любой счет нужно верифицировать. Эксперимент на натрии поручили провести пермякам. Новизна проблемы в том, что когда натрий движется, процессы теплопереноса, теплопередачи через стенку канала и прочие тонкости хорошо изучены, измерены и просчитаны. А вот данных о том, как идет конвекция, если поток остановлен, нет.
Основной результат, который был получен в лаборатории физической гидродинамики ИМСС, заключается в том, что наиболее интенсивно теплообмен идет при наклоне трубы в 60 градусов от вертикали. Это результат потому необычен, что до этого из каких-то абсолютно общих научных соображений многие специалисты считали, что наиболее интенсивный теплообмен должен происходить в вертикальном положении. Это был неожиданный результат. Он зафиксирован и воспроизводится во всех, кстати, последующих экспериментах.
Под эту задачу был сконструирован и создан специальный «натриевый контур» - установка, позволяющая экспериментировать с цилиндрическими каналами (отрезками трубопроводов) разной длины и диаметра. Когда отчеты по задаче были оформлены и отправлены заказчику, группа взялась экспериментировать «в свое удовольствие». В науке принято использовать для исследований так называемые единичные объемы. Обычно - это кубики со стороной равной метрической единице. Поскольку трубопроводы цилиндрические, недолго думая, исследователи приняли за рабочий объем отрезок трубопровода, равный по длине диаметру. Получился такой цилиндрический кубик.
Как и в предыдущих экспериментах, подвели снизу тепло, охладили сверху. И получили интересный результат. Помимо всем известного течения (от тепла к холоду и обратно), обнаружился вихрь. Он закручивался в вертикальной плоскости. Но это не все. Вихрь вращался не только как велосипедное колесо, но и вокруг вертикальной оси, словно кольцо, закрученное на поверхности стола, только гораздо медленнее и иногда в разные стороны.
Стали искать литературу, статьи читать. Подобные явления были обнаружены для воды. Были обнаружены также и для ртути, но они не были математическим образом описаны. Для жидкого натрия такое обнаружено впервые. Но самое главное, что это сложное поведение не только в вертикальном положении наблюдалось, но и когда начинали кубик наклонять. Причем не на единицы, а на десятки градусов. Это явление сохранялось до углов наклона в 30 градусов от вертикали. На воде такого не может быть. Там вся болтанка прекращается при наклоне на долю градуса.
- Там происходит сложный хаотический процесс на фоне среднего течения, который трудно обозначить одним термином, - говорит Илья Колесниченко. - Если мы представим среднее течение как вихрь, похожий на вращающееся колесо, ось которого перпендикулярна оси канала, то оказывается, что это колесо не только крутится, но его ось как-то перемещается, прецессирует. С другой стороны, вихрь не просто прецессирует, а еще и торсионно прецессирует, т. е. части вихря вблизи торцов цилиндра изгибаются в противоположные стороны. В литературе подобное явление описывается как слошинг (sloshing - хлюпающий, плескание, эффект плескания), когда колеблется не ось вихря, а его средняя плоскость, но это описание тоже не достаточно. В общем, можно характеризовать эти пульсации по-разному, но главное, что там возникает колебательный режим, который, видимо, вмешивается в процесс переноса тепла, перемешивает течение, то есть не дает эффективно переносить тепло, тем самым затрудняя теплообмен.
- Группа вычислителей из Геттингена в Германии, - продолжает Илья, - с которыми мы в то время общались на конференциях, узнали, что мы хотим проводить эксперимент на коротком канале и взялись его обсчитывать. В Геттингене тогда был один из самых сильных вычислительных кластеров в Европе. И вот мы полтора года строили свою установку и экспериментировали, а они полтора года считали. Результаты наших экспериментов и их расчетов оказались близки. Особенность этих работ была в том, что в эксперименте процесс длительностью полчаса и измерялся за полчаса, а в расчетах он же вычислялся за несколько дней. Поэтому в наших экспериментах был проведен гораздо более глубокий анализ большего количества результатов, чем в расчетах. Это позволило тщательнее изучить и описать локальные и интегральные характеристики поведения конвекции.
Сотрудничество с Росатомом продолжалось. Усложнялись задачи. Исследовано взаимодействие встречающихся потоков горячего и холодного натрия в различных тройниках и прочей арматуре. Для этого построен еще один натриевый контур. Спустя некоторое время возникла нужда в другом, еще более грандиозном контуре. Его возвели в отдельном ангаре. Это трехэтажное сооружение позволяет испытывать МГД-устройства различных типов, назначений и размеров для реакторов на быстрых нейтронах. Назвали его Натриевый испытательный стенд. Не так давно он получил аккредитацию от Росатома. Представитель Госкорпорации Росатом, подводя итог суровых и скрупулезных испытаний Пермского контура, поздравил всех присутствующих, но затем, не совладав с эмоциями, перешел от физики к лирике и торжественно объявил, что «в короне Госкорпорации Росатом появилась еще одна жемчужина!» Его можно понять. В России не так много мест, где можно экспериментально верифицировать результаты работы вычислителей. А значит, возникают и очереди на исследования или испытания.
Кроме испытаний изделий других производителей, сконструированы, собраны и испытаны семь МГД-насосов для Белоярской АЭС. Они приняты в эксплуатацию и успешно функционируют уже несколько лет. Это задача непростая. Кроме заданных характеристик (расход, скорость течения, перепад давления, высота подъема), изделия должны сохранять свои характеристики в течение 30 лет эксплуатации при рабочей температуре 320 градусов. Но при этом они должны поддерживать те же характеристики и при 180 градусах и при 450.
Но мы, наконец, вплотную придвинулись к выполнению давно обещанного. Попытаться прояснить ответ на вопрос о том, что и как они постоянно считают.
Продолжение следует:
ПЕРМСКАЯ МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА [3]— фрагменты ее истории https://ok.ru/permnewru/topic/157206950570209 #ИМСС #Пермь #УрОРАН
Александр Куличкин
Читать на сайте — https://permnew.ru/news?post_id=26767