Аннотация проекта: 

Общая циркуляция атмосферы в большой степени обусловлена нагревом солнечным излучением и имеет конвективную природу. Неоднородное распределение солнечного излучения приводит к появлению горизонтальных градиентов температуры и формированию крупномасштабного дифференциального движения в атмосфере. Неустойчивость крупномасштабной циркуляции атмосферы приводит к появлению вихрей различного масштаба, которые оказывают колоссальное влияние на жизнедеятельность человека. Так циклоны и антициклоны синоптического масштаба в значительной степени определяют изменения погоды. Все чаще наблюдаются аномальные погодные явления, такие как струйные вторжения холодных масс воздуха, приводящие к резкой смене погоды.

 В силу того, что повлиять на крупномасштабные атмосферные движения невозможно, ключевой проблемой является улучшение прогноза динамики течений различного масштаба, которое позволит значительно  снизить риски в различных сферах жизнедеятельности человека, особенно в сельском хозяйстве. Развитие прогностических систем требует решения ряда фундаментальных проблем, в том числе связанных с формированием и динамикой дифференциального вращения в конвективной среде. 

Целью проекта является реализация лабораторной модели общей циркуляции атмосферы. Лабораторное моделирование было и до сих пор остается эффективным подходом для исследования геофизических течений различных масштабов. Лабораторная модель общей циркуляции атмосферы необходима для лучшего понимания базовых особенностей эволюции и динамики сложного течения, сочетающего меридиональную конвективную циркуляцию и интенсивные зональные течения. Реализация такой лабораторной модели является нетривиальной задачей. Наибольшую сложность представляет организация меридиональной конвективной циркуляции состоящей из трех крупномасштабных ячеек, моделирующих ячейки Хэдли, Ферреля и полярную. Подбор основных параметров, таких как геометрические размеры, интенсивность нагрева и охлаждения, наклон дна (учет бета-эффекта) определяет поисковый характер проекта.

   Конкретно, в ходе выполнения проекта будет проведено лабораторное исследование дифференциального вращения в случае нагрева на периферии и охлаждения в центре вращающегося слоя (лабораторный аналог глобальной атмосферной циркуляции) и нагрева в центре и охлаждения на верхней границе (лабораторный аналог тропического циклона). Эксперименты будут проведены для широкого интервала управляющих параметров, различных конфигураций распределения температуры (потоков тепла) на верхней и нижней границах, в том числе и с учетом бета-эффекта (в слое переменной толщины). Целью экспериментального исследования является выявление основных параметров влияющих на структуру меридиональной циркуляции во вращающемся слое, с разнесенными по высоте и радиусу источниками тепла и холода, и подбор конкретных значений основных параметров, позволяющих реализовать трехячеистую структуру, подобную структуре общей циркуляции атмосферы.

Проект будет реализован в лаборатории физической гидродинамики Института механики сплошных сред УрО РАН. Уникальная экспериментальная база для исследований конвективных течений во вращающихся прозрачных средах, созданная в лаборатории и высокая квалификация участников проекта, дает уверенность в успешной реализацию проекта, носящего выраженный поисковый характер и получить задел в новой для научного коллектива тематике.

Руководитель проекта:

Сухановский Андрей Николаевич, д.ф.-м.н., с.н.с. ИМСС РАН (г. Пермь)

Задачи проекта:

Проект направлен на создание и апробацию лабораторной модели общей циркуляции атмосферы.

В настоящее время, наиболее широко используемая модель общей циркуляции атмосферы представляет собой зазор между двумя коаксиальными цилиндрами, на стенках которых задаются различные значения температуры. Этот подход достаточно эффективно моделирует крупномасштабную циркуляцию в средних широтах, в частности динамику антициклонов.  Однако общая циркуляция атмосферы имеет более сложную структуру и состоит из нескольких ячеек (Хэдли, Ферреля и полярной), сезонная интенсивность которых может заметно варьироваться.  Учет этих эффектов при описании циркуляции атмосферы требует нового подхода. Участники проекта, варьируя толщину слоя, расстояние между источниками нагрева и охлаждения, их интенсивность и наклон дна планируют реализовать  меридиональную циркуляцию в виде трех ячеек. Реализованная лабораторная модель послужит основой для решения целого комплекса задач.

Для реализации лабораторной модели общей циркуляции атмосферы необходимо решить ряд конкретных задач:

- влияние интенсивности нагрева и охлаждения на структуру меридионального и азимутального течений.

- влияние скорости вращения на структуру меридионального и азимутального течений. В качестве основных параметров характеризующих эффекты вращения будут использоваться термическое число Россби и число Тейлора. 

- влияние наклона дна на структуру меридионального и азимутального течений. Данный блок направлен на изучение роли бета-эффекта (изменения силы Кориолиса с широтой) на формирование крупномасштабных течений.

Материалы по теме:

Презентация основных результатов первого года проекта

 

 

Прогностическая модель НА ОСНОВЕ ИСКУССТВЕННОЙ НЕЙРОННОЙ СЕТИ И РАСЧЕТНОЙ НЕЛИНЕЙНОЙ ДИНАМО МОДЕЛИ была разработана в 2018 году и в настоящее в рамках проекта РНФ продолжает развиваться и проверяться на реальных данных.

Описание модели представлено в следующих материалах

Ежемесячный прогноз солнечной активности по числу пятен и данные наблюдений

Дата прогноза  Прогнозируемое значение 13-месячного среднего  
21/04 21/05 21/06 21/07 21/08 21/09 21/10 21/11 21/12
21/10/01 25. 28.5 32.2 36.1 40.1 44.1 48.2 52.2 56.2
21/11/01 - 28.2 31.8 35.7 39.7 43.7 47.7 51.7 55.7
21/12/01 - - 26.9 29.4 33.1 36.7 40.2 43.7 47.6
22/01/01 - - - 31.5 35.7 39.5 43.1 46.9 50.9
22/02/01 - - - - 35.6 39.4 43. 46.8 50.9
22/03/01 - - - - - 38.7 42.1 45.9 49.9
22/04/01 - - - - - - 45. 49.5 53.7
22/05/01 - - - - - - - 49.6 53.9
22/06/01 - - - - - - - - 56.
наблюдения 24.8 25.8 27.6 31.3 35.3 40. 45. 50.6 -

 Графическое представление прогноза от 22/04/01 и наблюдаемых данных.

f 2022 06 all

Сравнение с другими прогнозами

f 2022 02 all

 

Номер Проекта  № РФФИ 20-48-96015_р_НОЦ_Пермский край
Название Проекта «Управление структурой сред с неоднородной электропроводностью при кристаллизации с целью создания уникальных материалов при помощи электромагнитных сил специально приспособленной топологии»
Руководитель: Колесниченко И.В.

Аннотация

В проекте изучается процесс управления структурой электропроводной среды в ходе фазового перехода путем создания существенно неравновесного процесса с помощью электромагнитной силы. Использование электромагнитных сил для воздействия на структуру слитков активно изучается и применяется на некоторых передовых предприятиях металлургической промышленности. Электромагнитные силы генерируют течения разной топологии. При этом улучшается гомогенизация при добавлении легирующих добавок вследствие улучшения процесса перемешивания. Кристаллическая структура становится однородной и мелкозернистой. Достигается уплощение фронта кристаллизации при сложном перемешивании, улучшение структуры металла вблизи боковых стенок и устранение усадочной впадины в центре слитка. Однако, используемые ранее технологии позволяли генерировать течение строго определенной топологии. Это снижало перемешивающий эффект. Другая трудность связана с недостижимостью принципиально противоречивой цели обеспечения гомогенизации как состава, так и размера зерна. В данном проекте авторы выдвигают принципиально новую идею способа генерации магнитного поля. Это приводит к возникновению течений, существенно влияющих на структуру затвердевающего слитка. Идея заключается в конструкции индуктора нового типа, позволяющего генерировать магнитное поле произвольно заданной топологии. Это достигается как особой конструкцией индуктора, так и компьютерной системой управления, позволяющей регулировать питание каждой обмоти индуктора по отдельности. Мы получаем в руки инструмент, которым надо научиться эффективно пользоваться. Для этого будет проведено подробное численное и экспериментальное исследование влияния управляющих параметров на характеристики процесса и на получающуюся структуру слитка. В результате будет определена конфигурация процесса, которая специально предназначена для наилучшего управления структурой в ходе кристаллизации. Это потенциально приведет к созданию материалов с уникальными механическими свойствами. Такие материалы найдут применение для изготовления деталей с улучшенными механическими свойствами. Они востребованы, в том числе, в авиационной и нефтедобывающей промышленности. Это расширяет значимость применения МГД-технологий в рациональном природопользовании.

 

1 Этап (2021)

На начальном этапе проекта (2021 год) выполнены численные и экспериментальные исследования процессов в металле, помещенном во внешнее переменное магнитное поле. Переменное магнитное поле создается индуктором, состоящим из набора пространственно распределенных обмоток, размещенных на общем ферромагнитном сердечнике. Питание обмоток осуществляется как от источника трехфазного тока напрямую, так и через специально разработанную на данном этапе многоканальную систему управления. Эта система осуществляет компьютерное управление питанием, что позволяет создавать переменные магнитные поля заданной пространственной и временной конфигурации. Разработана математическая модель, описывающая электродинамические, гидродинамические и теплофизические поля, возникающие в объеме с металлом. Численная реализация модели осуществляется в программной среде Ansys-Fluent с привлечением UDF функций и среде Matlab для передачи данных с электродинамической на гидродинамическую сетку. Модель дополнена модулями расчета в среде с неоднородной электропроводностью и модулем оценки структуры твердого металла. Выполнены численные исследования процессов в установках малого, среднего и большого масштаба. В первых двух случаях расчеты выполнялись в тех же конфигурациях, что и проведенные эксперименты. В третьем случае расчеты позволили выбрать наилучшие параметры для установки большого масштаба, которая будет разработана и изготовлена на втором этапе проекта. Также выполнены расчеты, конструирование и изготовление дополнительного элемента установки большого масштаба, который необходим для подачи жидкого металла в область индуктора. Выполнена серия экспериментальных исследований на установке малого масштаба, что позволило оценить интенсивность возникающих электромагнитных сил, их зависимость от параметров и геометрии области. На установке среднего масштаба выполнены серии экспериментальных исследований электродинамических и гидродинамических характеристик. С помощью тесламера получены пространственные характеристики магнитных полей, создаваемых индуктором в исследуемой области, а также их зависимости от тока и частоты тока в обмотках. С помощью ультразвукового доплеровского анемометра получены зависимости формы средних профилей скорости вдоль луча от параметров процесса Также получены эволюции профилей скорости, что позволило оценить характер течения, определить частоты колебания в случае их наличия. С помощью кондукционных датчиков скорости получены оценки турбулентных характеристик течения и спектры пульсации скорости. Исследования выполнены в запланированном объеме. Полученные результаты позволяют перейти ко второму этапу исследований, где будет подробно изучаться процесс кристаллизации жидкого металла.

 

 project rffi 20 48 96015 1 stage img1

project rffi 20 48 96015 1 stage img2

 рисунок 3

 

2 Этап  (2022)

На втором этапе проекта (2022 год) выполнены следующие работы. С помощью разработанной на первом этапе математической модели, выполнены многовариантные исследования процессов в однородной и неоднородной электропроводной среде. Обнаружено, что режим с аксиальным чередованием направления вращения магнитного поля, существенно усложняет вид азимутального и полоидального течений. Это приводит к возникновению развитой интенсивной полоидальной компоненты течения. Возникающее течение сопровождается колебательным движением вихревых структур и взаимодействием между ними, приводящим к эффективному перемешиванию жидкого металла. Обнаружено, что умеренные значения силового параметра приводят к наиболее гомогенизированному составу среды при перемешивании. Время выхода на стационарное значение степени гомогенности среды снижается с увеличением силового параметра. Обнаружено, что при нестационарном воздействии модуляции силового параметра в некотором диапазоне частот практически не влияют на время выхода на гомогенное состояние и степень гомогенности. Это позволяет существенно экономить энергию, необходимую для питания индуктора. Рассмотрена формулировка задачи кристаллизации в терминах метода фазового поля. Решена задача кристаллизации цилиндрического объема. Предложена схема расчета, которая может определить зеренную структуру расплава после кристаллизации. Разработана методика, с помощью которой осуществляется поиск оптимальной конфигурации магнитного поля по выделенному результирующему параметру. Обнаружено, что в исследуемом диапазоне параметров задачи, на зависимости момента электромагнитных сил от частоты вращающегося поля существует экстремум при фиксированной частоте вращения среды. Найдена зависимость частоты питающего напряжения обмоток, которая обеспечивает максимальный момент электромагнитных сил при вращении электропроводной среды, от частоты вращения среды. Проведено исследование течения в установке малого размера. В результате расчетов выявлено, что увеличение частоты тока приводит к дестабилизации и нарушению симметрии течения. Были определены значения силы тока и частоты, при которых в системе достигаются вертикальные скорости течения, достаточные для их экспериментального определения с помощью ультразвукового доплеровского анемометра. Кондукционные датчики скорости успешно применены для изучения характеристик турбулентных течений, возникающих под действием вращающегося магнитного поля в установке среднего размера. При определенной величине электромагнитного воздействия на графиках спектральной энергии пульсаций скорости наблюдается Колмогоровский наклон -5/3, свидетельствующий о развитой однородной изотропной турбулентности и распространяющийся в частотном диапазоне до двух декад. Уровень пульсаций скорости варьируется в пределах от 4 до 10 процентов от значения тангенциальной скорости вращения, измеренной также при помощи датчиков. Это позволяет обоснованно использовать для численного расчета таких течений выбранные модели турбулентности. Численно и экспериментально исследован процесс кристаллизации металла в цилиндрическом объёме под действием принудительного электромагнитного перемешивания. Найдены характеристики процесса в зависимости от режима перемешивания. Установлено положительное влияние перемешивания магнитными полями комплексной топологии на темп и однородность застывания металла. Численно обнаружено, что увеличение длины ферромагнитных зубцовых элементов не снижает величину электромагнитной силы. Это позволило существенно усилить тепловую защиту индуктора без снижения его производительности. На основе численных результатов, разработана конструкция и подготовлен комплект чертежей большой установки. Изготовлены все основные элементы большой установки и выполняется ее окончательная сборка и наладка. Исследования выполнены в запланированном объеме. Полученные результаты позволяют перейти к третьему этапу исследований, где будут подробно изучаться процессы в установке большого масштаба.

Экспериментальная установка

Рис. 4. Экспериментальная установка: a) фото установки, b) 3D-модель перемешивателя (1. магнитопровод индукционного перемешивателя, 2. катушки индуктивности, 3. канал кристаллизатора), c) схема расположения ультразвуковых датчиков в верхнем теплообменнике.

 

                a                                                                            b

Рис. 5. a) Пример полей аксиальной компоненты скорости течения жидкого металла в двух плоскостях цилиндрического объёма для одного из режимов. b) Средний темп кристаллизации металла (движение границы раздела фаз) в зависимости от режима перемешивания для пяти моментов времени (эксперимент).

Номер Проекта  № 20-41-596001
Название Проекта «Пространственно-временная динамика и теплообмен в природных и технологических конвективных системах со свободно плавающими объектами»
Руководитель: Фрик Петр Готлобович

Аннотация

Проект направлен на решение фундаментальной проблемы конвекции и теплообмена при наличии свободно плавающих, теплоизолирующих объектов. Актуальность проблемы обусловлена широким спектром природных и промышленных систем, в которых существенное влияние на структуру течения, процесс теплообмена и экологический баланс оказывают свободно плавающие тела (не только твердые) различной природы. В рамках проекта предлагается сфокусировать внимание на двух ключевых проблемах. В первую очередь это пространственно-временная динамика объектов искусственного происхождения, представляющих угрозу экологии, в том числе Пермского края. В силу отличных, от окружающей среды физико-химических свойств они существенно влияют на структуру конвективных течений и процессы теплопереноса, что в свою очередь определяет их пространственно-временную динамику. Источниками таких объектов являются утечки продуктов нефтепереработки, химических реагентов и выбросы больших объемов примесей (газовых или мелкодисперсных) в атмосферу или водоемы. Понимание динамики распространения таких опасных для экологии и безопасности людей объектов необходимо для их своевременной локализации и минимизации ущерба. Другим типом свободноплавающих объектов являются твердые массивы на поверхности жидкой фазы. На геологических масштабах, свободно плавающими, теплоизолирующими объектами являются континенты, плавающие на поверхности мантии, а на более реалистичных пространственных и временных масштабах речь может идти о динамике ледяных массивов или нефтяных пятен на поверхности водоемов. В рамках проекта планируется провести систематическое исследование закономерности пространственно-временной динамики свободно плавающих тел в конвективных системах, их влияния на процесс тепломассопереноса. Предлагается решить несколько конкретных задач. Во-первых, будет изучена пространственно-временная динамика плавающего теплоизолирующего тела с одной степенью свободы и его влияние на структуру конвективного течения и интенсивность теплопереноса. Для широкого интервала чисел Рэлея и для жидкостей с различным значением числа Прандтля будут исследованы осциллирующие и хаотические режимы для объектов различной формы, структуры и глубины погружения. Во-вторых, будут рассмотрены движения теплоизолирующих тел на поверхности жидкости в двухмерной постановке с целью выявления закономерностей сложной динамики теплоизолирующих объектов, плавающих на поверхности конвективного слоя. В-третьих, будут изучены системы с теплоизолирующими телами нейтральной плавучести в развитых конвективных течениях в замкнутых объемах. Данная задача рассматривает наиболее сложный случай, когда движение теплоизолирующих тел происходит в объеме жидкости (газа).

Аннотация проекта: 

Целью проекта является создание научных основ описания и прогнозирования солнечной активности. Результатом проекта является математическая модель солнечной активности, основанная на понимании физических процессов, протекающих на Солнце, и ее программная реализация, что обеспечивает прогнозирование солнечной активности в среднесрочной и долговременной перспективе. Эпоха последних десятилетий характеризуется заметным снижением магнитной активности Солнца. Данный факт, подкрепленный также оценками, полученными рядом ученых, может являться предвестником значительного снижения в ближайшем будущем солнечной активности, которое, в свою очередь, может привести к существенным изменениям земного климата, факторов, влияющих на формирование погоды на Земле, и, в целом, условий существования и жизнедеятельности человека. Состояние солнечной активности значительным образом влияет на космическую погоду, телекоммуникационную технику, условия распространения радиоволн и навигации, безопасность авиационных и космических полетов, особенно на высоких широтах. Климатические изменения, происходящие сегодня на планете представляют собой серьезный вызов всему человечеству. С одной стороны, в течении последних десятилетий наблюдалось глобальное потепление, с другой - межледниковый период, в котором мы живем, по мнению многих климатологов явно затянулся. Это означает, что на относительно короткой временной шкале (десятки и сотни лет) привычное потепление может смениться глобальным похолоданием. Свой вклад в этот, процесс может внести и солнечная активность. Вариации межпланетного магнитного поля Солнца, обусловленные солнечной активностью, могут оказывать известное влияние на земной климат, например, за счет возрастания оптического альбедо Земли из-за увеличения размера ледяных аэрозолей высотных ледяных облаков. На это указывает заметное похолодание, сопровождавшееся ослабление солнечной активности во время минимума активности 17-18 веков. В этой связи изучение солнечной активности представляет собой важную задачу, как с научной, так и с прикладной точек зрения. Разработанная в рамках проекта теория открывает широкие возможности для решения практических задач. Надежные знания о солнечной активности важны для прогноза космической погоды, в частности, прогноза гео-магнитных бурь, условий распространения радиоволн и их влияния на работу навигационных систем, обеспечения безопасности пилотируемых космических полетов, прогноза воздействия солнечной активности на распределенные системы, такие как электросети и трубопроводы, предупреждение возникновения аварийных ситуаций с космическими и воздушными летательными аппаратами (в том числе и военного назначения), влияния солнечной активности на биологические системы, прогноза радиационной и геомагнитной обстановки в приполярных областях, а также изучения и прогноза динамики солнечно-земных связей. Также важно знать и понимать временные рамки изменения и понижения магнитной активности Солнца, их глубину и потенциальную опасность для экосистемы Земли.

Подробнее: Анализ механизмов нерегулярного поведения цикла магнитной активности Солнца на основе численного и...

Здесь планируется размещать Веб-версии сборников статей