Пермские ученые — заведующая лабораторией вычислительной гидродинамики Института механики сплошных сред ПФИЦ УрО РАН доктор физико-математических наук, профессор Татьяна Любимова и заведующий лабораторией вибрационной гидромеханики Пермского государственного гуманитарно-педагогического университета доктор физико-математических наук, профессор Виктор Козлов — стали лауреатами премии им. академика Г.И. Петрова. Эта награда, учрежденная в 1997 г. Российским национальным комитетом по теоретической и прикладной механике, присуждается за выдающиеся достижения в области теории гидродинамической устойчивости и турбулентности. Пермские ученые удостоены премии первой степени за цикл работ по вибрационной гидромеханике многофазных систем.
Татьяна Петровна Любимова и Виктор Геннадьевич Козлов — лидеры широко известной в нашей стране и за рубежом пермской гидродинамической научной школы. Мы попросили Татьяну Петровну коротко рассказать о ее истории и сегодняшнем дне.
— У истоков этого направления стояли профессор Георгий Андреевич Остроумов, начавший в Перми в конце 1940-х гг. экспериментальные и теоретические исследования тепловой конвекции, и профессора Виктор Сергеевич Сорокин и Иван Григорьевич Шапошников, результаты которых по этой тематике вошли в курс теоретической физики Ландау и Лифшица. Затем работу школы на протяжении четырех десятилетий возглавляли профессора Григорий Зиновьевич Гершуни и Ефим МихайловичЖуховицкий. Успешному развитию гидродинамики в Перми в эти годы способствовало тесное взаимодействие теоретического крыла школы с экспериментальным под руководством профессора Григория Федоровича Шайдурова. В 1963 г. Г.З. Гершуни и Е.М. Жуховицкий основали пермский гидродинамический семинар, гостями и участниками которого были ученые из разных городов страны, а также из-за рубежа. Монография Г.З. Гершуни и Е.М. Жуховицкого «Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости» (М.: Наука, 1972), обобщившая результаты исследований пермских гидродинамиков, стала настольной книгой для многих не только российских, но и зарубежных специалистов. В 1999–2012 гг. пермской гидродинамической школой руководил доктор физико-математических наук, профессор Дмитрий Викторович Любимов, ученик и преемник Г.З. Гершуни, лауреат премии им. академика Г.И. Петрова 2004 г. Ныне пермский гидродинамический семинар носит имена Г.З. Гершуни, Е.М. Жуховицкого и Д.В. Любимова и по-прежнему еженедельно собирает ведущих и молодых ученых, аспирантов и студентов.
— Что изучает гидродинамика и в чем актуальность ваших исследований сегодня?
— Гидродинамика — раздел физики сплошных сред, наука о движении идеальных и реальных жидкостей и газов и их силовом взаимодействии с твердыми телами, — поясняет Виктор Козлов. — Окружающий мир полон колебаний и осцилляций (осцилляция — это периодический процесс колебаний или изменения состояния системы относительно среднего значения). Они порождают неожиданные, нередко парадоксальные, эффекты в механических и биологических системах. Вибрации и колебания тел вызывают их осредненное перемещение: ящерицы всплывают (или тонут) в песке, бактерии и микроорганизмы приходят в движение, волны перемешивают жидкость, а массаж интенсифицирует массоперенос.
— Наши работы посвящены систематическому теоретическому и экспериментальному изучению осредненного поведения гидродинамических систем и выявлению механизмов возникающих осредненных вибрационных эффектов, — говорит Татьяна Любимова. — Построены математические модели и разработаны теоретические и экспериментальные методы исследования динамики различных многофазных систем (жидкостей со свободными поверхностями, систем с межфазными границами, жидкостей с твердыми, жидкими или газовыми включениями) в вибрационных полях.
Пермские ученые обнаружили и исследовали новые эффекты динамики таких систем, в том числе существование парадоксальных устойчивых состояний. Так, под действием вибраций граница раздела жидкостей принимает нетривиальную форму в статических полях; оседающий в жидкости песок «конденсируется» в облака; тяжелые тела в жидкости в поле силы тяжести отрываются от дна и «плавают» на некотором расстоянии от него либо «притягиваются» к потолку вибрирующей полости. Как показали исследования, последнее объясняется силой осредненного взаимодействия колеблющегося тела со стенкой, которая зависит от расстояния до этой стенки. Пермские специалисты установили, что характер осредненных сил определяется типом вибраций. Осредненное вибрационное взаимодействие тел в жидкости приводит к их объединению в регулярные пространственные структуры.
Особый интерес представляет влияние осциллирующих силовых полей на многофазные системы во вращающихся полостях. Оно определяется действием силы Кориолиса (одной из сил инерции) и связанными с ней резонансными эффектами. В прикладном плане интересен новый эффект — генерация осредненных сил в гетерогенных (неоднородных) системах, равномерно вращающихся во внешнем силовом поле, к примеру, гравитационном. При этом осредненные силы определяются приливными колебаниями системы и не связаны с вибрациями.
Как уже говорилось, вибрации оказывают значительное влияние на поведение неоднородных по плотности гидродинамических систем, поэтому они могут использоваться в качестве простого и эффективного средства управления их поведением. Особую эффективность вибрационные методы демонстрируют в условиях резонансных колебаний, в частности, во вращающихся системах, для которых характерно большое разнообразие резонансных явлений инерционной природы.
По словам Т.П. Любимовой, совместные исследования с учеными из Института кристаллографии Фрайбургского университета показали, что применение вибраций в процессах выращивания кристаллов методом плавающей зоныпозволяет добиться значительного улучшения их однородности. Эксперименты, проведенные в сотрудничестве с группой исследователей из Университета Тайбэя, подтвердили эффективность предложенной пермскими учеными технологии применения вращательных вибраций при кристаллизации бинарных сплавов методом Бриджмена для подавления неустойчивости фронта кристаллизации. Совместные работы со специалистами в области материаловедения из Университета Лотарингии свидетельствуют о перспективности ультразвукового воздействия для улучшения флотации (разделения мелкодисперсных частиц в жидкой среде) труднообогатимых руд. Использование ультразвука на разных стадиях процесса флотации повышает эффективность и селективность извлечения полезного компонента.
Виктор Козлов отметил, что вибрационные методы могут быть высокоэффективными для интенсификации темпа массопереноса через границу раздела несмешивающихся жидкостей (темпа химических реакций на границе). Благодаря этому можно оптимизировать химические и биологические технологии жидкостной экстракции, в частности, за счет контролируемой генерации осредненных потоков вблизи межфазной границы. С использованием вибрационных методов пермские ученые разработали вибрационный биореактор (совместно с коллегами из Ecole Centrale Paris), способ вибрационного управления неоднородными по плотности гидродинамическими системами во вращающихся контейнерах и инерционно-волновой перемешиватель. Эти разработки защищены патентами.
Пермская гидродинамическая школа активно развивается, в том числе благодаря многолетней плодотворной педагогической деятельности лауреатов — под руководством профессора Т.П. Любимовой защищена 21 кандидатская диссертация, под руководством профессора В.Г. Козлова — 15. Сегодня коллектив школы включает более ста ведущих и молодых ученых, аспирантов и студентов из Института механики сплошных сред УрО РАН, трех пермских университетов, научно-производственных объединений и предприятий Перми.
Е. ПОНИЗОВКИНА
На фото с церемонии вручения премии
им. академика Г.И. Петрова слева направо: профессор Т.П. Любимова, председатель жюри премии, зав. лабораторией общей аэродинамики НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова доктор физико-математических наук, профессор Н.В. Никитин, главный научный сотрудник ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского член-корреспондент РАН, профессор
А.М. Гайфуллин, профессор В.Г. Козлов