Оксфордский университет решает междисциплинарные промышленные задачи
С 19 по 23 сентября российские и британские ученые, занимающиеся фундаментальными и прикладными исследованиями, вместе с конструкторами из ФГУП «НПЦ газотурбостроения “Салют”» бились над решением одной из самых актуальных инженерных проблем – автоколебания в лопатках компрессоров и турбомашин. Специалисты называют это явление флаттером. Оно очень опасно, потому что приводит к разрушению двигателя. Из-за флаттера происходят аварии самолетов.
В 1968 году прикладной математик Джон Окендон организовал в Оксфордском университете необычную форму работы – исследовательские группы по решению проблем промышленности (Study Groups with Industry). Деятельность этих междисциплинарных групп оказалась успешной, и с тех пор они превратились в сеть семинаров, проводимых ежемесячно в научных центрах Европы, Америки, Азии, Австралии.
Джон Окендон с помощью прикладной математики познает мир
Очередной интернациональный семинар под руководством Окендона прошел в Москве. Для него была выбрана сложнейшая задача, решение которой позволит на 36 процентов сократить эффекты, разрушающие компрессоры и турбомашины. А они используются на всех видах транспорта – наземном, водном, воздушном.
Проблема, по словам генерального конструктора НПЦ «Салют» Михаила Колотникова, в том, что на стадии проектирования до сих пор не удавалось однозначно определить все виды динамических нагрузок на детали машины, в том числе на лопатки. «Когда конструкторы создавали турбину и компрессор, они до конца не представляли себе, какие проблемы могут проявиться», – объяснил Михаил Колотников. Сегодня многие из причин их возникновения уже понятны, но флаттер – явление настолько сложное, что в любой момент может преподнести новые сюрпризы.
Михаил Колотников: На стадии проектирования однозначно определить динамические нагрузки на детали компрессора пока не удавалось
Экспериментальными методами, как сказал Колотников, не все и не всегда можно измерить, к тому же эксперименты – дорогостоящее занятие. Поэтому в последнее время конструкторы все чаще обращаются к имитационному моделированию динамических процессов. Оно позволяет увидеть и проанализировать качественные стороны флаттера, благодаря чему конструктор может принять более правильные решения еще на стадии проектирования. Но в этой сфере не обойтись без сотрудничества с наукой.
С 19 по 23 сентября ученые из Института космических исследований (ИКИ) РАН, Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ) им. Н. Е. Жуковского, Института прикладной математики (ИПМ) им. М. В. Келдыша РАН, Московского энергетического института, Института проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН, Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, Оксфордского центра прикладной математики (OCCAM) вместе с группой специалистов из НПЦ «Салют» искали новые подходы к решению проблемы флаттера.
После знакомства с поставленной задачей и ранее опробованными способами ее решения для поиска нестандартных путей исследователи разделились на две группы. Первая объединила математиков из Оксфорда и механиков мехмата МГУ. Во вторую вошли радиофизики (ИКИ РАН, МЭИ) и специалисты в области управления системами (ИПУ РАН).
В результате мозгового штурма группа математиков профессора Окендона сформулировала оригинальную математическую модель, объединившую возникающие на крыльях биплана явления (например, самолета У-2) и эффект срыва на лопатках компрессора. Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры гидромеханики мехмата МГУ Василий Веденеев предложил применить идеи, использованные при решении задачи панельного флаттера, возникающего на панелях обшивки летательных аппаратов, для моделирования флаттера в колесах турбомашин.
Вторая группа использовала подходы, распространенные в нелинейной динамике. Профессор Михаил Капранов из Московского энергетического института рекомендовал использовать для моделирования флаттера подход Эдварда Лоренса, применяемый в метеорологии. Суть его в моделировании среднестатистических величин и режимов потока, а не потока как такового. Председатель оргкомитета форума, ведущий научный сотрудник отдела космической динамики ИКИ РАН Елена Суровяткина предложила новую методику расчета и проведения эксперимента для предсказания флаттера, применяемую в радиофизике. Внедрение этой методики позволит более надежно определить границы флаттера на этапе проектирования и тем самым сократить затраты на производство новых компрессоров и турбомашин.
В завершающий день работы обе группы исследователей презентовали свои результаты, которые в ближайший месяц сведут в научный отчет. Его английская версия будет размещена на сайте Study Groups with Industry, а русская – передана в НПЦ газотурбостроения «Салют».
Фундаментальная и отраслевая науки у нас не пересекаются, например машиностроителям никогда не встретиться с радиофизиками. А на таком семинаре встретились, и это полезно для решения научно-технических проблем отрасли. В этом и состоит главный результат мозгового штурма, считает Елена Суровяткина. Российские ученые, работающие в разных областях науки, и инженеры, конструкторы – создатели новой техники нашли друг друга и в дальнейшем могут проверить и реализовать новые идеи.
Мероприятие оплатила британская сторона, но обычно расходы берет на себя та промышленная компания, которой нужно решить сложную, практически значимую проблему. Джон Окендон, похоже, был доволен результатами коллективного поиска, хотя рассчитывал увидеть больше молодых ученых. Для профессора Оксфорда прикладная математика – это способ познания мира, а Study Groups помогают решить конкретные проблемы, которые существуют в промышленности многих стран, благодаря объединению усилий ученых разных направлений.
Справка
Джон Ричард Окендон (John Richard Ockendon) родился в 1940 году. Профессор Института математики Оксфордского университета. Первый директор Центра прикладной математики (OCCAM) в Оксфорде. В 1999 году был избран членом Лондонского королевского общества. В 2006 году награжден золотой медалью IMA.
Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab® по материалам статьи Анны Горбатовой на сайте Наука и Технологии РФ.