The second School for Young Scientists «Monitoring of Natural and Technogenic Systems»

16-18 November 2020, Perm

First Announcement

The Perm Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences announces the holding of the School for Young Scientists “Monitoring of Natural and Technogenic Systems” from November 16 to 18, 2020, which is organized with financial support from the Russian Science Foundation as part of project No. 19-77-30008.

Online translations are accessible thow links:

Read more: The second School for Young Scientists «Monitoring of Natural and Technogenic Systems»

Проект РФФИ 19-41 590004. Руководитель Васильев А. Ю.

На первом этапе экспериментально исследована структура и динамика крупномасштабной циркуляции в турбулентной конвекции Рэлея-Бенара для жидкостей с умеренными и высокими числами Прандтля.  Экспериментальная установка представляет собой кубическую полость со стороной L=250 мм (см. рис.1). В качестве рабочих жидкостей выступала дистиллированная вода, 25 % водный раствор пропиленгликоля и чистый пропиленгликоль. Эксперименты проводились при средних температурах жидкости 50 и 25 oС (для воды) и 20 oС (для 25 % водного раствора пропиленгликоля и чистого пропиленгликоля), что соответствует средним числам Прандтля Pr=3.5, Pr=6.1 и Pr=64. Разложение двумерных полей скорости на фурье-моды показало, что при изменении числа Прандтля от 3.5 до 24 в течении доминирует одна крупномасштабная мода (см. рис. 1). При дальнейшем росте числа Прандтля структура течения существенно меняется и энергия распределяется между несколькими основными фурье-модами. Происходит также существенное изменение временной динамики доминирующей моды.

rffi 19 41 590004 img1 1

Рис.1 Экспериментальная установка в разрезе: 1 – медный теплообменник, 2 – плексигласовые боковые стенки толщиной d=25 мм, 3 – теплоизолятор. Нормированная энергия фурье-мод: (а) – Pr=6.1, Ra=2.0·109, (б) - Pr=24, Ra=1.3·109, (в) - Pr=64, Ra=1.3·109

Большое внимание было уделено численному моделированию конвективной турбулентности с неоднородным нагревом при умеренных и высоких числах Рэлея (10^7<ra<2x10^9). Неоднородный нагрев создавался только на нижней границе кубической полости при помощи смешанных граничных условий (см. рис.2). На границе были выделены «проводящие» области, которые поддерживались при постоянной температуре, а оставшаяся часть границы считалась теплоизолированной, т.е. тепловой проток равен нулю. В расчетах рассматривались три конфигурации распределения нагреваемых областей: (I) - локализованный нагрев; (II) - девять нагревателей одинакового размера, равноудаленные друг от друга; (III) – комбинация из нагреваемых областей трех размеров с неоднородным распределением по пространству.

Обнаружено, что при Ra=10^7 эффективность переноса тепла сильно зависит от распределения нагреваемых областей на нижней границе. Максимальные отличия в числе Нуссельта достигают 20%. В более развитом режиме (Ra=1.1x10^9) отличия не превышают 5%, поскольку турбулентность эффективнее перемешивает среду. При неоднородном нагреве показатель степени в зависимости числа Нуссельта от числа Рэлея может принимать два значения: beta~2/7 для конфигураций (I) и (II); beta~1/3 для конфигурации (III) (см. рис.3).

rffi 19 41 590004 img1 2

Рис.2 Схема вычислительной области. Варианты распределения нагреваемых областей. Черным цветом отмечены нагреваемые области.

rffi 19 41 590004 img1 3

Рис.3 Зависимость числа Нуссельта от числа Релея в двойных логарифмических координатах, где индексами обозначено: 1 – локализованный нагрев, 9 – девять нагревательных областей, F – комбинация из нагреваемых областей трех размеров. Штриховые линии показывают степенные законы Nu~Raβ.

Кроме того, исследовано влияние многомасштабного рельефа поверхности теплообменника на процессы переноса тепла в замкнутой полости. Задача решалась в сопряженной постановке. Нижний теплообменник представлял собой медную плиту толщиной 10 мм, на поверхности которой имеются выступающие прямоугольные элементы. Комбинация из элементов трех разных размеров в поперечном сечении формирует фрактальную топологию поверхности теплообменника. На рис.4 показаны распределения температуры в медном массиве и зависимости числа Нуссельта от числа Релея для двух высот рельефа.

rffi 19 41 590004 img1 4

Рис.4 Левая панель – распределение температуры на поверхности теплообменника. Правая панель – зависимость числа Нуссельта от числа Релея в двойных логарифмических координатах: ● – h/L=0.1, ■ - h/L=0.05. Штриховые линии показывают степенные законы Nu~Raβ.

.

Этап №1 Обновление научно-исследовательской инфраструктуры ЦКП

Соглашение от 01.11.2019 № 075-15-2019-1655 

Номер гос. регистрации АААА-А19-119121390036-8

Уникальный идентификатор проекта RFMEFI62119X0031

Приоритетное направление: Информационно-телекоммуникационные системы (ИТ)

Период выполнения: 01 ноября 2019 г. – 31 декабря 2019 г.

Получатель субсидии: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук (ПФИЦ УрО РАН)

  1. Цель проекта

Реализация проекта направлена на развитие научно-исследовательской инфраструктуры центра коллективного пользования (ЦКП) «Исследования материалов и вещества»  ПФИЦ УрО РАН для обеспечения поддержки реализации приоритетов научно-технологического развития, в том числе в кооперации с ведущими мировыми научными центрами, расширение перечня и комплексности оказываемых услуг, а также круга пользователей для обеспечения максимальной загрузки оборудования ЦКП и обеспечения эффективного участия в реализации стратегии научно-технологического развития Российской Федерации.

  1. Основные результаты проекта

В рамках первого этапа выполнения работы по гранту ФЦП была организована закупка дорогостоящего импортного оборудования, позволяющего существенно расширить функциональные возможности ЦКП «Исследования материалов и веществ» ПФИЦ УрО РАН. Средства субсидии в полном объеме были потрачены за закупку оборудования, что позволило приобрести уникальные приборы, аналогов которых нет не только в Пермском крае, но и в Уральском регионе. Приобретенное оборудование позволяет проводить комплексные исследования механических свойств природных и конструкционных структурно-неоднородных материалов, развивать научные основы применения современных оптико-волоконных технологий для мониторинга нагруженных элементов конструкций, проводить комплексные структурные, химические и физические исследования новых материалов, химических соединений и биологических структур.

В 2019 году было приобретено следующее оборудование:

  1. Установка срезная ГТ 1.2.12 (Россия).
  2. Установка объемного сжатия для испытания скальных грунтов АСИС (Россия).
  3. Комплекс оборудования для физико-химического, термомеханического анализа полимерных композиционных материалов METTLER TOLEDO (Швейцация) в составе: дифференциального сканирующего калориметра DSC, прибора для термогравиметрического анализа и дифференциальной калориметрии TGA/DSC, прибора термомеханического и дифференциального термического анализа TMA/SDTA, прибора для динамического механического анализа DMA/SDTA.
  4. Рентгеновский дифрактометр PANalytical Aeris Research (PANalytical, Великобритания).
  5. Газовый хроматограф с масс-селективным детектором 7890В Agilent (США).
  6. Оптический рефлектометр обратного рассеяния OBR4600 LUNA (США).
  7. Инвертированный флуоресцентный лабораторный микроскоп Olympus CKX53 (Япония).

В интересах сторонних заказчиков были проведены научные исследования по комплексным темам «Исследование минералого-петрографического состава и физико- механических свойств пород и руд, вскрытых при разведке и отработке Верхнекамского и других месторождений солей для прогнозирования их свойств и обеспечения безопасности подземной разработки» и «Разработка методов испытаний линий волоконно-оптических датчиков с нанесенными решетками Брэгга в составе образцов из полимерных композиционных материалов», разработаны проекты методик испытаний линий волоконно-оптических датчиков с нанесёнными решётками Брэгга в составе образцов из полимерных композиционных материалов, разработан проект методики температурной компенсации при проведении испытаний волоконно-оптических линий с ВБР-датчиками в составе образцов из ПКМ, разработан проект методики верификации результатов испытаний волоконно-оптических линий с ВБР-датчиками в составе образцов из ПКМ.

За отчетный период ЦКП «Исследования материалов и вещества» ПФИЦ УрО РАН увеличена доля внешних заказов услуг и работ по сравнению с 2018 годом более чем на 20% (см. отчеты ЦКП «Исследования материалов и вещества» ПФИЦ УрО РАН за 2018 г. (№ 606812) и за 2019 г. (№ 692546)). В 2019 году количество внешних организаций-пользователей научным оборудованием составило 30 единиц против 16 в 2018 г. Загрузка оборудования ЦКП в 2019 г. в интересах третьих лиц составила 73.96%.

The School for Young Scientists “Monitoring of Natural and Technogenic Systems”, November 25 to 27, 2019, Perm

 

NEW! The program of School is available (PDF).

Online translations are accessible thow links:

 

Second Announcement

The Perm Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences announces the holding of the School for Young Scientists “Monitoring of Natural and Technogenic Systems” from November 25 to 27, 2019, which is organized with financial support from the Russian Science Foundation as part of project No. 19-77-30008.
The program of the School, including lectures by leading Russian and foreign scientists, is available on the website https://www.icmm.ru/nauka/konferentsii and in the Attachment to this announcement. The program is being currently brought up to a desired format by including additional papers.

The program of the School of Young Scientists is included in the plan of the Russian National Committee on Theoretical and Applied Mechanics, is approved by the Technical Committee 17 (Non-Destructive Assessment)of the European Society for Structural Integrity (ESIS), and the Russian Committee of ESIS and corresponds to the theme of the Perm scientific-educational center of world level «Rational subsoil use»

Application for participation

The on-line registration of all conference participants is mandatory at the school website before 10 November, 2019.

The School is planned to be non-contributory (free of the conference fee)

Location
The School will be held in Perm under the auspices of PFRC UB RAS at the address: Perm, Acad. Korolev Str. 3. The participants will be lodged at Perm hotels. More useful information about the rates and hotel descriptions can be found at http://hotel.perm.ru/. The on-line city map is available at the site: http://perm.2gis.ru/

Dates to remember
October 10, 2019 – the third announcement containing the Program of the School;
Before October 10, 2019 - registration of the School participants

Contact address:
PFRC UB RAS
Acad. Korolev St. 1
Executive Secretary
Yurlova Natalia
This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
Tel: +7 (342) 237 83 20

Read more: The School for Young Scientists - Second Announcement

Проект РФФИ № 18-31-00339 мол_а, рук. Мамыкин А.Д., исп. Лосев Г.Л.

На первом этапе проекта была проведена серия краткосрочных экспериментов длительностью от 1 до 10 часов. На втором этапе была проведена дополнительная модернизация установки, направленная на улучшение равномерности и стационарности граничных условий и проведена серия долговременных замеров длительностью от 1 до 7 дней. Число Релея варьировалось в диапазоне (5 – 25) * 10^6, а средняя температура в экспериментальной ячейке от 125 до 160 °С. Для восстановления картины течения применялись кросскорреляционный и спектральный виды анализа, а также вейвлет-преобразования. По полученным эволюциям температуры на установленных в конвективной ячейке 28 термопарах были обнаружены (впервые для жидких металлов) слошинг крупномасштабной циркуляции (КМЦ) – плоскопараллельное периодическое смещение плоскости КМЦ от оси цилиндра и торсионные колебания. Было показано, что период колебаний слошинга согласуется с периодом обращения КМЦ и зависит от числа Релея.

Долговременные замеры позволили обнаружить блуждание плоскости основной моды КМЦ с помощью разработанного алгоритма фильтрации экспериментальных данных. Процесс блуждания имеет непериодический характер и заключается в нерегулярных поворотах КМЦ как целого преимущественно на углы порядка 40 – 50° на временных масштабах от единиц до десятков минут, и, редко, на углы порядка 90° и даже на 180° на больших временных масштабах. Такие редкие события удалось зафиксировать на вейвлет-диаграммах в виде всплесков спектральной плотности энергии.
Результаты экспериментальных исследований были использованы для верификации численного счёта (LES-подход), а также прямого численного моделирования.

  • A.D. Mamykin, I. V. Kolesnichenko, A. M. Pavlinov and R. I. Khalilov Large scale circulation in turbulent Rayleigh-Benard convection of liquid sodium in cylindrical cell // Journal of Physics: Conf. Series. 2018. Vol. 1128. Pp. 012019. doi :10.1088/1742-6596/1128/1/012019
  • Мамыкин А. Д., Лосев Г. Л., Мандрыкин С. Д. Анализ мод крупномасштабной циркуляции жидкого натрия в эксперименте по турбулентной конвекции Релея-Бенара // Вестник Пермского университета. Физика. (статья принята в печать)

rffi 18 31 00339 мол а img2 1

Экспериментальная установка: проведённая на втором этапе модификация

На втором этапе была произведена дополнительная модернизация экспериментальной установки, цель которой состояла в улучшении стационарности и равномерности граничных условий.

rffi 18 31 00339 мол а img2 2  В первую очередь были установлены патронные нагреватели внутрь холодного теплообменника. В ходе длительных экспериментов были выявлены колебания средней температуры ХТО обусловленные разной уличной температурой в течение дня (охлаждение радиатора холодного теплообменника осуществляется продувом уличного воздуха). Установка дополнительных патронных нагревателей непосредственно внутрь объема с натрием и управление их нагревом устройством «Термодат 12к5» с ПИД регулированием позволили обеспечить стационарные граничные условия на границе конвективная ячейка – ХТО в течение долговременных замеров длительностью в несколько дней. 
 rffi 18 31 00339 мол а img2 3  Далее было принято решение заменить медные перегородки толщиной 1 мм разделяющие объемы конвективной ячейки и теплообменников на перегородки из нержавеющей стали толщиной 0.5 мм. Несмотря на то что теплопроводность меди (401 Вт/м·К) во много раз больше теплопроводности стали (16 Вт/м·К), тепловой контакт меди и натрия в эксперименте оказывается хуже из-за образования оксидной пленки на поверхности меди, а так же плохой смачиваемости меди натрием. Как было показано в ходе дополнительных экспериментов, при должной обработке и очистке поверхности нержавеющей стали можно обеспечить хороший электрический, а, следовательно, и тепловой контакт с жидким натрием. Новые пластины были тщательно отшлифованы до состояния «зеркала» (финишная шлифовальная бумага P1500) и залужены оловом.

Эксперимент, визуализация слошинга

rffi 18 31 00339 мол а img2 4

Пространственно временная карта температуры в трёх сечениях цилиндра.
Время осреднения – 1 секунда. Ra = 1.96·107
Позиции локальных максимумов и минимумов меняются периодически со временем с периодом около 0.1 Гц во всех сечениях согласованно. Это является доказательством наличия у КМЦ моды слошинга, когда её плоскость отклоняется периодически от центральной оси цилиндра.

  • A.D. Mamykin, I. V. Kolesnichenko, A. M. Pavlinov and R. I. Khalilov Large scale circulation in turbulent Rayleigh-Benard convection of liquid sodium in cylindrical cell // Journal of Physics: Conf. Series. 2018. Vol. 1128. Pp. 012019. 2019

 

Эксперимент, скорость КМЦ

rffi 18 31 00339 мол а img2 5

Термопары также использовались для измерения средней аксиальной компоненты скорости КМЦ в области между соседними термопарами. Эта скорость оценивается по положению максимума функции кросскорреляции, рассчитанной для каждой пары сигналов от соседних датчиков (маленькие графики на рис. слева). Дополнительные пики слева и справа от основного соответствуют колебаниям слошинга с периодом около 10 секунд. Чтобы охарактеризовать среднюю интенсивность КМЦ, вычислялась средняя скорость Ucc, усредненная по абсолютным значениям скоростей, измеренных в восьми тройках термопар A1-A3-A5, B1-B2-B3, C1-C2-C3, D1-D2-D3, E1-E3-E5, F1-F2-F3, G1-G2-G3 и H1-H2-H3.

На основном графике слева показан профиль относительной температуры в среднем сечении цилиндра.

 rffi 18 31 00339 мол а img2 6 Другими источниками информации для определения характерного времени осцилляции основной моды КМЦ (или другой моды, например, слошинга) является спектры мощности пульсаций температуры. В спектрах температурных сигналов со всех термопар внутри цилиндра наблюдаются выраженные пики. На рис. слева показаны спектры температурных колебаний термопары А3 для различных чисел Релея. Основные пики соответствуют частоте колебаний fp КМЦ, fp = U / X (U – усредненная по времени скорость движения потока, X - характерный размер).

 Эксперимент, характеристики КМЦ

rffi 18 31 00339 мол а img2 7 rffi 18 31 00339 мол а img2 8 rffi 18 31 00339 мол а img2 9
 

Частота ωp = 2πfp, нормированная на χ / D2, показана на рисунке сверху в зависимости от числа Рэлея. Линейная аппроксимация дает (ωp D2) / χ ~ Ra0.43 ± 0.01. Этот результат близок к зависимости (ωp D2) / χ = 0.47 Ra0.424, полученной Cioni et al. для ртути [*].

 Число Рейнольдса может быть рассчитано двумя способами: через функции кросскорреляции Recc = Ucc D / ν и через спектры Ref = X D fp / ν. Полагая сначала X = 4D, получим Ref = 4 D2 fp / ν. На рисунке сверху показана зависимость Ref и Recc от числа Грассгофа Gr = Ra / Pr. Зависимости имеют близкий наклон, но сдвинуты относительно друг друга.  Полагая теперь Ref = Recc, получим значение X. На рисунке сверху показана зависимость величины X / π D от числа Грассгофа.

Положение плоскости крупномасштабной циркуляции

rffi 18 31 00339 мол а img2 10

Вейвлет анализ мод крупномасштабной циркуляции

rffi 18 31 00339 мол а img2 11

Характерные частоты 0.082 Гц и 0.19 Гц.

Блуждание крупномасштабной циркуляции

rffi 18 31 00339 мол а img2 12

Эволюция КМЦ имеет сложную временную структуру: она как целое поворачивается вокруг главной оси цилиндра на различные углы. При этом данный процесс нельзя назвать прецессией из-за того, что, он носит непериодический характер. В зарубежной литературе такое поведение КМЦ называется «блужданием». Для изучения блуждания крупномасштабной циркуляции был разработан алгоритм обработки данных, позволяющий исключить из рассмотрения высокие моды и наблюдать только за основной.

Вейвлет анализ блуждания крупномасштабной циркуляции

rffi 18 31 00339 мол а img2 13  Для частотного анализа долговременных блужданий основной моды КМЦ был применён вейвлет анализ. Как и прежде, в качестве анализирующего вейвлета был выбран вейвлет Морле. Во всех рассмотренных режимах выраженных долгоживущих частот не наблюдается, что ещё раз свидетельствует о непериодическом характере колебаний плоскости основной моды КМЦ. Пики на вейвлет диаграммах позволяют локализовать во времени повороты КМЦ на большие углы (≥ 80°). Помимо сильно выраженных пиков на вейвлет диаграммах также присутствуют области повышенной спектральной плотности энергии свидетельствующие о наличии короткоживущих квазипериодических процессов (с плавающей частотой). С осторожностью можно назвать такие процессы прецессией плоскости основной моды КМЦ. Можно также отметить, что с ростом числа Релея спектральная энергия падает. 

Основные результаты

  • Обнаружены (впервые для жидких металлов) слошинг крупномасштабной циркуляции (КМЦ) – плоскопараллельное периодическое смещение плоскости КМЦ от оси цилиндра и торсионные колебания. Было показано, что период колебаний слошинга согласуется с периодом обращения КМЦ и зависит от числа Релея.
  • Долговременные замеры позволили обнаружить блуждание плоскости основной моды КМЦ с помощью разработанного алгоритма фильтрации экспериментальных данных. Процесс блуждания имеет непериодический характер и заключается в нерегулярных поворотах КМЦ как целого преимущественно на углы порядка 40 – 50° на временных масштабах от единиц до десятков минут, и, редко, на углы порядка 90° и даже на 180° на больших временных масштабах. Такие редкие события удалось зафиксировать на вейвлет-диаграммах в виде всплесков спектральной плотности энергии.
  • Разработаны методы анализа поведения мод крупномасштабной циркуляции (КМЦ).
  • Проведён сравнительный анализ эффективности различных методов определения плоскости КМЦ по параметрам точности и затрат машинного времени.
  • Найдены характерные частоты торсионной и слошинговой мод колебаний КМЦ.
  • Результаты экспериментальных исследований были использованы для верификации численного счёта (LES-подход), а также прямого численного моделирования.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 18-31-00339.
Ресурсозатратные расчеты выполнены на суперкомпьютере "Тритон" (ИМСС УрО РАН, г. Пермь).

Subcategories

Здесь планируется размещать Веб-версии сборников статей