Выпуск 5, 2025

Метод «Крупных частиц» при математическом моделировании неустойчивости Кельвина–Гельмгольца в воздухе

С. И. Косяков$^{1,2}$, С. Н. Куличков$^{1,2}$, М. Н. Закиров$^1$

Рассматривается применение известного метода «Крупных частиц» при математическом моделировании простейшего вида сдвиговых течений – двумерного нестационарного плоского слоя смешения. Описаны результаты прямого численного моделирования развития неустойчивости Кельвина-Гельмгольца на границе раздела двух слоев воздуха разной плотности, движущихся со сдвигом тангенциальной скорости в поле сильного внешнего ускорения. Достоверность результатов расчетов подтверждена их сравнением с аналитическими расчетами, с результатами численного решения аналогичной задачи, а также с экспериментальными данными. По результатам расчетов получена новая функциональная зависимость увеличения ширины слоя смешения от времени, внешнего ускорения, разности плотностей слоев воздуха и разности скоростей на контактной границе. Эта зависимость получена для больших значений величин ускорения, разностей скорости и плотности на разрыве. Она будет полезна для прогнозирования расширения зон смешения в различных течениях с тангенциальным разрывом скорости, повсеместно встречающихся как в технике, так и в атмосфере – например, на начальном участке струи, на начальной стадии смешения в цилиндрическом вихре, при развитии волнистых облаков или неустойчивости ясного неба в атмосфере.

С. И. Косяков$^{1,2}$, С. Н. Куличков$^{1,2}$, М. Н. Закиров$^1$

В настоящее время не до конца получил свое объяснение значимый эффект расширения фронтовой области интенсивных нелинейных акустических волн, создаваемых в атмосфере импульсными точечными источниками различной природы – регистрируемая ширина фронтовой области на несколько порядка больше, чем это следует из теоретических представлений. Для объяснения столь значимого эффекта выдвинута гипотеза о возможности развития неустойчивости Кельвина-Гельмгольца внутри фронтовой области волны при сдвиговом течении, вызванным градиентом массовой скорости в самой фронтовой области. В работе обосновывается выдвинутая гипотеза. Для этого выполняется прямое (без использования каких-либо полуэмпирических моделей) численное моделирование неустойчивости Кельвина-Гельмгольца внутри физически бесконечно малого объема воздуха во фронтовой области интенсивной нелинейной акустической волны. Рассматривается однородное плоское движение сжимаемого воздуха в волне. Впервые показано, что развитие неустойчивости Кельвина-Гельмгольца на различных расстояниях от источника должно обладать геометрическим подобием ввиду того, что процесс развивается в идеальной среде. При этом не важно, увеличивается ширина фронтовой области по мере удалении волны от источника или она увеличивается за счет роста его энергии.

Д. В. Селезнева

В нефтегазовой отрасли закачка диоксида углерода в пласт рассматривается как перспективный метод повышения нефтеотдачи: при растворении в углеводородах снижается вязкость нефти и происходит процесс разбухания, что улучшает эффективность вытеснения. При определённых значениях давления и температуры в системе может формироваться трехфазное равновесие — две жидкие фазы (обогащённая диоксидом углерода и обогащённая углеводородами) и газовая фаза, что серьёзно затрудняет применение классических итерационных алгоритмов расчета фазовых равновесий с тестами стабильности. В настоящей работе для определения границ областей двухфазного и трехфазного равновесия был применён метод прямой минимизации свободной энергии Гиббса при фиксированных значениях давления и температуры; дополнительно были рассчитаны вязкости каждой из фаз с использованием модели Лоренца–Брея–Кларка, что позволило количественно оценить снижение вязкости нефтяной фазы.

Структурные свойства хозяйских галактик легковесных сверхмассивных черных дыр на основе новых данных космического телескопа "Хаббл"

Л. Г. Осипова$^1$, К. А. Гришин$^2$, И. В. Чилингарян$^2$

В настоящей работе было проведено двумерное и одномерное фотометрическое моделирование новых данных с космического телескопа имени Хаббла для галактик с IMBH и для объектов из расширенной выборки с ограничением по массе ЧД до миллиона масс Солнц. При помощи полученных моделей была оценена звездная масса балджа галактики и установлено положение галактик на масштабном соотношении "масса черной дыры - масса балджа". Их расположение на данном соотношении позволяет наложить ограничения на процессы роста черных дыр в режиме малых масс.

П. С. Созинова, Н. Н. Шахворостова

В работе представлены результаты наблюдений излучения метанола в линии 5$_{-1}$---4$_{0}E$ на частоте 84.5 ГГц в направлении на 32 источника --- темные молекулярные облака (Infrared Dark Clouds – IRDC) на разных стадиях эволюции. Из 32 источников, наблюдавшихся на 20-метровом радиотелескопе в Онсале в 2019 и 2020 годах, в 24 обнаружено излучение метанола на частоте 84.5 ГГц. Все обнаружения являются новыми. В 5 источниках излучение имеет мазерную природу. Проведено сравнение излучения на 84.5 ГГц с ранее наблюдавшимся излучением на 44 ГГц в направлении на те же источники. Установлено, что между излучением на частоте 44 ГГц и 84.5 ГГц есть корреляция, а профили линий имеют заметное сходство.

А. В. Борисов$^1$, А. О. Шишанин$^2$

В методической заметке рассмотрены термодинамические свойства простой системы с бесконечным числом степеней свободы --- квантовой струны, эквивалентной бесконечному набору осцилляторов с частотами, кратными основной частоте $\omega$. Вычислены статистическая сумма, средняя энергия и теплоемкость струны как функции температуры. С использованием преобразования Лапласа статистической суммы показано, что статистический вес состояния струны с энергией $E = N \hbar\omega $ равен числу разбиений $p(N)$ натурального числа $N$ на сумму натуральных чисел, и воспроизведена (с точностью до численного коэффициента) известная в теории чисел асимптотическая формула Харди--Рамануджана для $p(N)$ при $N\gg 1$. Показано, что квантование струны эквивалентно также квантованию одномерной теории поля, описывающей, в частности, суперпозицию стоячих электромагнитных волн.

В. В. Храмков$^1$, Д. Р. Алиев$^1$, В. О. Скулкин$^1$, А. А. Воронцова$^1$, Э. А. Гердт$^1$

Целью работы является исследование влияние кюрия на нейтронно-физические и теплофизические характеристики ВВЭР-1200 и БН-600. Для проведения расчетов были созданы нейтронно-физическая и теплофизическая модели ТВС реакторов. Кюрий добавлялся к основному топливу гомогенно в различных долях в диапазоне от 0,1 до 20% в виде оксида CmO2. Рассматриваемые характеристики: коэффициент размножения нейтронов в бесконечной среде, энергетический спектр, пространственное распределение температур в ТВЭЛе. Более сильное воздействие наблюдается на реактивность модели ВВЭР-1200, где Kбеск уменьшается на 3,85%. В случае с БН-600 максимальное падение составило 3%. Добавление кюрия способствует увеличению плотности потока нейтронов в тепловой области ВВЭР-1200. Также кюрий значительно влияет на реактивность быстрого реактора, что говорит о возможности использования его в качестве топлива. При добавлении оксида кюрия максимальные температуры топлива снижаются на величину порядка 500 град.

С. Ю. Глазов, А. А. Ковалев

В данной работе теоретически исследована зависимость частоты плазменных волн от волнового вектора и плотность плазменных возбуждений в электронном газе двумерной графеновой сверхрешетки. Расчеты выполнены на основе квантовой теории плазменных волн в приближении случайных фаз с учетом процессов переброса. Оценка частоты плазмонов для теоретически исследуемых в настоящее время сверхрешеток на основе графена на полосчатой подложке дает ω ∼10$^13$ c$^−1$. Выполнено сравнение законов дисперсии плазмонов графеновых и квантовых полупроводниковых сверхрешеток.

С. Ю. Глазов, Е. И. Дударева

Изучено влияние постоянного однородного электрического поля на проникновение поля периодически заряженных плоскости и нити в двумерный электронный газ двумерной сверхрешетки. В присутствии постоянного квантующего электрического поля потенциал осциллирует с частотами, кратными штарковской частоте. В случае невырожденного электронного газа найдена амплитуда постоянной составляющей потенциала.

А. Н. Голодухина

Оптические микрорезонаторы с высокой добротностью являются передовой платформой для проведения актуальных научных исследований в области квантовой оптики и многих технических приложений. Эффект затягивания частоты диода на частоту микрорезонатора-пример эффекта, который может быть реализован на платформе подобных резонаторов. Затягивание частоты позволяет сузить ширину линии излучения до единиц кГц и менее. В данной работе были изучены особенности режима затягивания частоты при наличии в системе вынужденного комбинационного рассеяния света. Обнаружено, что в присутствии стоксовской оптической гребенки ширина линии выходного излучения оказывается на порядок выше ожидаемых значений.

Л. Л. Буджемила

Фотоэлементы очень хрупкие, и воздействие на них экстремальных погодных условий способствует появлению микротрещин, что приводит к ухудшению их производительности. Перовскитный материал в сочетании с самовосстанавливающимся полимером может образовывать композит с двойной непрерывной переплетенной сетью. Этот композит умеет самовосстанавливаться за счет синергетического роста зерен и процессов твердой диффузии при умеренно высоких температурах 333 К. Ионы могут мигрировать, чтобы заполнить зазоры или трещины, а их подвижность позволяет реорганизовать кристаллическую структуру, в теории восстанавливая электрическую связность. Различные экспериментальные методы были оптимизированы для достижения лучшей эффективности PSC в атмосферных условиях путем изменения концентраций самовосстанавливающегося полимера, включенного в перовскитный материал, для выявления наиболее подходящего. Измерения I–V показывают снижение потери эффективности поврежденного фотоэлемента с 40% до всего лишь 4%. Такой подход может обеспечить потенциальную защиту от потери эффективности из-за микротрещин, а также извлечь выгоду из оптоэлектрических свойств перовскитного материала.