«Наука в Сибири» № 9 (2544) 3 марта 2006 г. МНОГООБРАЗИЕ ГИДРОДИНАМИКИ Юрий Плотников, «НВС» Кабинет Михаила Алексеевича Лаврентьева в Институте гидродинамики СО РАН уже тридацать лет служит музеем. Здесь многое сохранено в том виде, как оставил основатель Сибирского отделения: доска, на которой он писал мелом математические формулы, стол, за которым проходили заседания ученого совета, портрет В. И. Ленина на стене. Меняются только стенды с презентациями разработок института и постоянно растет список лауреатов научных премий — уже в две колонки от пола до потолка. Отсюда и первый вопрос нынешнему директору ИГиЛ чл.-корр. РАН Владимиру ТЕШУКОВУ, с которым мы беседуем накануне его 60-летия: — Одного взгляда на эту «стену славы» достаточно, чтобы убедиться, насколько плодотворно работает институт — высокие государственные награды ежегодно или через год. Мне кажется, директору есть чем гордиться? — Да, в последние годы нами были подряд получены две Государственные премии РФ: одна за экспериментальные исследования, связанные с детонацией в открытом пространстве (А. Васильев и В. Митрофанов, 2002 г.), вторая — за теоретические работы по волновой гидро- и газовой динамике (В. Ляпидевский и В. Тешуков, 2003 г.). Кроме того, в 2003 г. была присуждена премия РАН им. М. А. Лаврентьева проф. А. Кажихову за развитие новых математических методов в механике. За большой вклад в развитие науки и образования в 2004 г. ак. Л. Овсянников награжден почетным знаком «За заслуги перед Новосибирской областью», а в 2005 г. ак. В. Монахов — медалью Ордена «За заслуги перед Отечеством» II степени. Если же говорить о молодых, недавно опубликованы результаты конкурса Фонда содействия отечественной науке, где три наших кандидата наук (Е. Батяев, Е. Рудой и А. Хе), стали лауреатами, а аспирантка Е. Мещерякова победила в конкурсе «Лучшие аспиранты РАН». Грант Президента РФ для молодых кандидатов наук получил А. Чесноков. Премии им. М. А. Лаврентьева для молодых ученых удостоен М. Давыдов, а премии им. И. Н. Векуа — С. Саженков. Такие оценки говорят, что ребята хорошие, умеют работать. А вот что молодежи должно быть больше — это задача. — Не хватает? А приходят в основном откуда — из НГУ? — Не только. В последнее время стали проходить практику и студенты НГТУ. Ведутся переговоры о создании научно-образовательного комплекса, куда будут входить НГУ и НГТУ, ряд институтов Сибирского отделения, в том числе и наш, Институт прикладной физики… — Судя по составу участников, планируется что-то грозное. — Дело в том, что одной из главных тематик нашего института изначально была и остается до сих пор механика и физика взрыва. По связанным с ней специальностям готовят студентов в НГТУ — на факультете летательных аппаратов есть соответствующая кафедра. В целом же сотрудники ИГиЛ всегда очень активно вели преподавательскую деятельность. Сегодня в различных вузах города преподают более ста человек. — Расскажите, пожалуйста, о самых интересных исследованиях последнего времени. — Трудновато их будет обозреть в таком разговоре. Давайте поступим так. На открытых отчетных сессиях Ученого совета института мы всегда выделяем раздел «важнейших научных результатов года». Некоторые из них я кратко перечислю. Интересные результаты получены коллективом, руководимым ак. В. Титовым, в экспериментальных исследованиях структуры детонационных процессов с использованием синхротронного излучения. В частности, они касаются механизма образования мелкодисперсного алмаза за фронтом детонационной волны. Первые результаты говорят, что с применением синхротрона удается с недоступной ранее точностью измерить плотность за фронтом ударной волны, проследить за образованием фаз. — А почему именно алмаз выбран объектом исследования? — Тематика, связанная с мелкодисперсным алмазом тоже является традиционной для нашего института. За разработку метода получения ультрадисперсных алмазов ак. В. Титов и проф. Л. Лукьянчиков получили Государственную премию 1994 года. Можете взглянуть (при этих словах мой собеседник указывает рукой на внушительных размеров стеклянную колбу, где-то на четверть наполненную невзрачным серым порошком — Авт.) — это и есть ультрадисперсный алмаз. Применения его могут быть различными. Алмазный порошок можно добавлять в автомобильные масла. Известны применения таких частиц для покрытия поверхностей медицинских инструментов и т.п. Порошок может использоваться, например, для упрочнения шин методом добавления в резиноподобные материалы. — «Золотые» шины получатся! — Не обязательно, если использовать для этой цели неочищенный материал. Есть и другие результаты, связанные с синтезом сверхтвердых материалов. В частности, изучался ударно-волновой синтез карбонитрида бора. Этот материал близок к алмазу по твердости, но, в отличие от него, не склонен к графитизации. В сотрудничестве с группой химиков изучаем процесс синтеза диборида титана с целью получения нанокомпозитного материала. — Тоже взрывом? — Да. В результате получаются компакты на медной основе, в которых присутствуют наночастицы диборида титана. Они представляют интерес для многих приложений. Другой важный результат связан с непрерывной спиновой детонацией. Сегодня мы пользуемся двигателями внутреннего сгорания. А что такое сгорание? Это некая сравнительно медленная химическая реакция, в результате которой выделяется тепло и происходит химическое превращение. Но, как известно, аналогичные химические превращения наблюдаются и в быстрых детонационных процессах, когда реакция происходит на фронте поддерживаемой ею ударной волны. Этот вид химического превращения до сих пор в двигателях не использовался. В чем здесь проблема? Двигатель должен работать непрерывно в течение длительного времени. А детонационная волна пробежала — и все. В названном же процессе волна бегает по кругу. В область перед фронтом можно подавать горючую смесь, на фронте детонации будет происходить реакция, и продолжаться все это может долго. Предварительные теоретические рассмотрения показывают, что этот способ сжигания топлива может оказаться более выгодным по сравнению с традиционным. Наши исследования как раз и должны ответить, как получить такой самоподдерживающий процесс, как оценить его параметры, насколько он устойчив и т.д.? В принципе, это исследование пока является начальным этапом. Но со временем, возможно, его результаты воплотятся в новых двигателях, которые, может быть, уже не будут называться двигателями внутреннего сгорания. Еще одно направление исследований имеет отношение к нефтедобыче — использование гидродинамических методов в оценке нефтеносности пластов на основе результатов геофизических измерений, проводимых в окрестностях скважин и нефтеносных коллекторов. Эта работа проводится совместно с Институтом геофизики. Как отмечают специалисты-геофизики, использование гидродинамических моделей фильтрации при интерпретации данных геофизических измерений позволяет получать гораздо более точную информацию о свойствах пласта. Из важнейших теоретических результатов последних лет отмечалось изучение так называемых барохронных движений, «вихрей Овсянникова»… — «Баро-» — давление, «хронос» — время… По частям понимаю, а вместе — никак. — Это специальный класс решений, в которых давление зависит только от времени. С одной стороны, это частный класс решений. С другой, данные модели могут быть достаточно полно проинтегрированы (в отличие от полных моделей). В числе прочих, там обнаружен ряд интересных свойств решений — разного рода коллапсы, сжатия среды. Что касается «вихря Овсянникова» — это новое решение, которое было получено Львом Васильевичем Овсянниковым в газовой динамике и в дальнейшем обобщено его учениками на ряд других моделей. Интегрирование сложных уравнений механики всегда представляло собой не просто науку, но еще и искусство. Когда кому-то из классиков удавалось проинтегрировать особо сложную систему уравнений, метод обычно назывался его именем. И в случае отыскания удачной замены переменных те могут носить чье-то имя. А Лев Васильевич давно развивает особый метод, основанный на изучении и применении свойств симметрии объектов. К примеру, сидим мы здесь, обсуждаем механическую проблему, выбрав какую-то систему координат. А с другой стороны земного шара «антиподы» такую же проблему изучают в своей системе координат , полученной определенными поворотами из нашей. Но результат мы получим одинаковый — это обеспечивается тем, что уравнения механики допускают специальные преобразования поворота. Как правило, физические системы допускают целый ряд преобразований. Наличие этих преобразований говорит о свойствах, которые были изначально заложены при формулировке модели: о том, что наше пространство однородно по всем направлениям, что в нем нет выделенных источников чего-либо… Знание таких преобразований позволяет использовать их при интегрировании. Довольно давно были получены так называемые сферически симметричные решения — когда все параметры потока зависят от радиуса и времени (симметричный разлет частиц, например). Академик Овсянников к этим решениям подошел с точки зрения инвариантно-групповой и обнаружил, что рядом с ними лежит еще целый класс решений, до сих пор не исследованных. В частных случаях они переходят в известные сферические волны. Одно из возможных обсуждаемых приложений — более точное описание процессов в ядре урагана. — Тот самый «глаз бури»? — Именно. Конечно, найденные решения не описывают процесс полностью, но локально картина течения очень похожая. Ряд важных результатов получен при исследовании поведения трещин. Почему трещина в процессе распространения вдруг начинает менять направление? С чем это связано? С одной стороны, это интересная механическая задача сама по себе. С другой, она имеет важные применения, поскольку появление трещин есть начало разрушения материала. И этот процесс надо понять, чтобы в дальнейшем давать практические рекомендации. Интересные результаты получены по сдвиговой неустойчивости структуры текучих сред. Существуют среды твердые, существуют жидкие. А есть промежуточные — гели, например. В определенном диапазоне параметров они ведут себя почти как твердые — не хотят менять свою форму. Но если подвергнуть их некоторому воздействию, они начинают себя вести как жидкость. Опять же, эти среды активно используются в технике. Создание моделей, которые могли бы поведение таких сред объяснить, также является предметом наших исследований. На прошлой сессии был заслушан интересный доклад по волнообразованию при соударении пластин. Волновые структуры на границе двух пластин были экспериментально обнаружены при сварке взрывом. Вопрос, с чем связано образование этих структур, привлекал внимание многих. Нашими специалистами предложена модель, основанная на анализе устойчивости течения с учетом вязких эффектов. Тем самым сделан очередной шаг в разгадке причин этого явления. Также было отмечено исследование поведения течения в сверхзвуковом пограничном слое. Дело в том, что при обтекании пластины на сверхзвуковых скоростях газ за счет вязкости тормозится, «прилипает» к поверхности пластины, создавая тормозящий эффект. Этот пограничный слой, в свою очередь, служит причиной образования ударной волны. Выяснилось, что в сверхзвуковом пограничном слое может происходить такое явление, как нелинейное «опрокидывание» волн. Для сверхзвуковой аэродинамики это явление представляет большой интерес. Обычно вязкость, учитываемая при моделировании скоростного движения, предотвращает образование ударных волн. А здесь оказалось, что нет! Все дело в том, что в теории пограничного слоя вязкие эффекты описываются не так, как в полных уравнениях Навье-Стокса. Объяснять это словами, без помощи формул, сложно. Но результат очень важен для понимания процессов, происходящих на крыле. К этому результату я имею непосредственное отношение. Экспериментально изучались внутренние гравитационные волны и взаимодействие стратифицированных потоков с препятствиями. Задача порождена начавшимся активным освоением морей, особенно их прибрежной части. На шельфе появляются нефтяные платформы, начинается добыча углеводородов. На подводных склонах прокладываются трубопроводы, кабели, гибкие шланги, возводятся разнообразные сооружения. Выясняется, что под водой они ведут себя иначе, чем на суше. Возникает вопрос, что является тому причиной? Эти задачи решаются в сотрудничестве с японскими университетами. Японцы весьма обеспокоены обрывами подводных коммуникаций, у них терялись спускаемые подводные аппараты, хотя считалось, что система, удерживающая аппарат, выдержит ожидаемые нагрузки. Оказывается, здесь работают высокие давления, колебательные и гидродинамические процессы: со стороны берега, подобно лавинам, могут сходить потоки воды повышенной плотности, порождающие те самые «внутренние гравитационные волны». И эти лавины способны причинить серьезный вред подводной инфраструктуре. Длительные колебания конструкций, кабелей, трубопроводов, вызываемые подводными течениями, тоже могут приводить к потере прочности. Другой вопрос, связанный с поведением плавающих пластин и их взаимодействием с волнами при ударе, вызван потребностями интенсивного освоения поверхности океана. Один из проектов, о которых много говорят в Японии — проект плавающих аэродромов. Российские специалисты активно занимаются проблемами, связанными с выводом в космос спутников с использованием плавающих платформ, т.к. старт ракеты в этом случае можно произвести с выгодной географической позиции, существенно уменьшив затраты горючего. Как поведет себя огромное плавающее сооружение при взаимодействии с волнами, какие при этом возникнут отклонения поверхности? Если на эту поверхность будут садиться самолеты, отклонения могут оказаться угрожающими. В нашем институте разрабатываются и исследуются модели перечисленных явлений. — Эта штуковина считается «пластиной», потому что ее толщина мала по сравнению с толщей воды? — Есть характерные масштабы явления. Если длина сооружения — несколько километров, а высота — десяток метров, в приближенной модели данное сооружение может рассматриваться как пластина. Эти исследования также проводятся в сотрудничестве с японцами. Для нас они не менее интересны — ведь мы все-таки тоже морская держава. — Кстати, о морской державе. Недавно на одной конференции довелось общаться с учеными, которые занимаются экспериментальным испытанием различных проектов волнозащитных сооружений Новороссийского порта, куда к 2017 году по межгосударственному соглашению с Украиной должен быть перебазирован Черноморский флот. И сразу вспомнилось, что в Новороссийске периодически бывает одно катастрофическое метеорологическое явление — бора. Известно, что это была одна из любимых задач М. А. Лаврентьева. Сегодня в институте этот феномен исследуется? — Если к этому явлению подходить теоретически, его можно назвать еще одним примером движения стратифицированных сред: масса тяжелого холодного воздуха переваливает через приморский хребет и, взаимодействуя с теплым воздухом, по склону налетает на город. Ряд таких моделей рассмотрен проф. В. Ляпидевским. На каком-то уровне понимания основные черты процесса стали ясны. Но о таких проблемах зачастую нельзя сказать, что они решены окончательно. Требуются дальнейшие исследования, поскольку есть разные уровни моделирования: результат, полученный при использовании приближенных моделей, должен подтверждаться более точными моделями, экспериментами и т.д. — А военные моряки по этому поводу к вам не обращались? Все-таки опасная база получится, если такие катаклизмы происходят… — Вопрос, действительно, интересный. Пока не обращались. — За директорскими заботами время на личную научную деятельность остается? Чем планируете заняться в ближайшее время? — Конечно, институтские проблемы и дела требуют много сил, но на научную работу всегда оставляю время. Планирую продолжить развивать теорию гиперболических систем уравнений с операторными коэффициентами, связанную с моделями механики и физики. Это объект, который обобщает обычные гиперболические системы, послужившие основой математического моделирования взрывных процессов, процессов высокоскоростного обтекания тел, детонации и др. С другой стороны, в механике и физике возникают системы интегродифференциальных уравнений, не подпадающие под классическую теорию. Разработка нового математического аппарата позволяет изучать эти более сложные объекты на основе аналогии с хорошо развитой классической теорией, получать выводы, представляющие интерес для приложений. Изучаю модели двухфазных течений, в частности, движения пузырьковых жидкостей на основе кинетического подхода. Кинетический подход применялся в физике и механике для описания движения системы большого числа частиц. А здесь он помогает описать поведение большого числа пузырьков, движущихся в жидкости. На его основе удается обосновать «замыкающие» соотношения для гидродинамических уравнений, полученных методом осреднения. При стандартном подходе подобные соотношения просто постулировались. Занимаюсь также нелинейными волновыми процессами в двухфазных средах, изучаю свойства диспергирующих волн. Дисперсия означает, что волны разной длины бегут с разными скоростями. Длинные волны затухают медленнее коротких и дают основной вклад в долговременную асимптотику. Диспергирующие волны на воде, волны в двухфазных средах, в том числе в пузырьковых жидкостях, описываются уравнениями, обобщающими классические модели гидродинамики и газовой динамики. Если в баротропной среде давление зависит от плотности, то в указанных моделях давление зависит не только от плотности, но и от ее производных. Для нового класса моделей удалось обобщить ряд классических теорем гидродинамики, ввести понятие обобщенной завихренности, получить аналоги классических результатов теории гидродинамической устойчивости. Эта работа также будет продолжаться. Такие вот планы. — Тогда пусть волны удачи и дальше несут ваш научный корабль вперед! Фото Владимира Новикова стр. 4