Ученый НИУ ВШЭ оптимизировал решение задачи по гидродинамике

© iStock

Доцент департамента прикладной математикиМИЭМ НИУ ВШЭ Роман Гайдуков смоделировал движение жидкости вокруг вращающегося диска с малыми неровностями. Разработка делает возможным предсказание поведения потока жидкости без мощных суперкомпьютеров. Результаты опубликованы в журнале Russian Journal of Mathematical Physics.

Гидродинамика изучает движение жидкостей и их взаимодействие с твердыми поверхностями. Этот раздел физики позволяет понять и прогнозировать, как жидкости и газы будут вести себя в различных условиях. В том числе принципы гидродинамики используются в электрохимии при расчетах реакций гальванизации (молекулы серебра прилипают к металлической детали) и окисления (формирование патины на меди).

В этих процессах используется дисковый электрод — плоская металлическая пластина, вращающаяся в жидкости. Для расчета электрохимических реакций необходимо знать, как именно жидкость будет двигаться вокруг электрода и какие условия нужно соблюдать. Для этого ученым приходится рассчитывать множество переменных. Даже небольшие неровности на поверхности диска могут существенно влиять на течение жидкости, создавая сложные и неожиданные эффекты.

Ранее исследования касались только симметричных неровностей, ученый из НИУ ВШЭ рассмотрел более сложный случай. Роман Гайдуков рассчитал, как изменится поток жидкости, если на поверхности вращающегося диска встречаются асимметричные неровности.

Для этого он использовал метод многопалубных структур пограничного слоя, который позволил разложить трехмерную задачу на серию двухмерных. Метод помогает решать сложные задачи гидродинамики при высоких значениях числа Рейнольдса, когда прямое моделирование невозможно. Хотя этот метод известен с конца 1960-х годов, строгая математическая формулировка была разработана автором статьи совместно с профессором Владимиром Даниловым не так давно. Математический алгоритм метода может быть интегрирован в любой математический пакет символьных вычислений.

Роман Гайдуков

«В реальных условиях абсолютно гладких поверхностей не бывает. Мы показали, как небольшие неровности на поверхности диска влияют на поток жидкости, образуя зоны с вихрями и изменяя структуру пограничного слоя, — объясняет Роман Гайдуков. — Наш метод позволяет моделировать задачу за несколько часов, тогда как на суперкомпьютере это могло бы занять дни или даже недели. Это не только экономит время, но и снижает затраты на вычислительные ресурсы. Метод эффективно работает при больших, но конечных числах Рейнольдса».

Число Рейнольдса — это безразмерное число, описывающее соотношение между инерционными и вязкими силами в потоке жидкости. Большое число Рейнольдса указывает на преобладание инерционных сил, что приводит в том числе к турбулентным (хаотическим) потокам, а малое — на преобладание вязких сил, что приводит к ламинарным (упорядоченным) потокам.

Разработанный подход может использоваться для точного моделирования процессов движения жидкостей в ходе химических реакций, что может найти широкое применение в промышленности.

В будущем ученый планирует расширить свои исследования на более сложные системы, включающие взаимодействие различных фаз — например, капель жидкости в потоке воздуха или аэрозолей. Это позволит еще глубже понять процессы, происходящие в многокомпонентных и многофазных системах, и улучшить существующие модели.

Роман Гайдуков добавляет: «Мы с моим аспирантом Никитой Буровым планируем изучить, как изменяется форма капель жидкости на поверхности при обтекании их потоком воздуха и как одновременно сама капля как неровность влияет на этот поток, в том числе с учетом возможного замерзания капли».

На завершившейся недавно в Иране Международной олимпиаде по физике (IPhO 2024) школьники из Саудовской Аравии показали лучший результат в истории страны, завоевав одну серебряную и три бронзовые медали. Заключительную подготовку к соревнованию команда королевства впервые прошла в России — на факультете физики НИУ ВШЭ.

Это еще один шаг к созданию квантового компьютера. Ученые из Российского квантового центра, НИУ ВШЭ и МФТИ изучили фазовый переход в одномерных системах с беспорядком в присутствии коррелированного перескока частиц. Работа была опубликована в Physical Review Journals. Она открывает возможности для создания устойчивых одномерных атомных ловушек, квантовых нитей, кристаллов с одномерной проводимостью.

Ученые МИЭМ ВШЭ разработали новую модель анализа коммуникационных сетей, которая может значительно повысить скорость мобильной связи. Для этого исследователи использовали методы вычислительной физики и модели фазовых переходов. Оказалось, что работа сотовой сети во многом похожа на рост поверхностей в физике. Работа выполнена с использованием суперкомпьютерного комплекса “cHARISMa” НИУ ВШЭ. Результаты исследования опубликованы в журнале Frontiers in Physics.

Ученые ВШЭ, МФТИ и Института физики твердого тела РАН совместно с коллегами из Англии, Швейцарии и Китая изучили свойства тонкослойной гетероструктуры «платина — ниобий». Проведенные ими эксперименты и теоретические расчеты подтвердили, что при контакте со сверхпроводником в платине возникает спин, который можно использовать как носитель информации. Платина не обладает собственным магнитным моментом, что в перспективе дает возможность создавать на базе новой структуры еще более миниатюрные чипы, чем в «традиционной» спинтронике. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

Ученые из Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге исследовали, как размер резонатора влияет на температуру работы микродискового лазера с квантовыми точками в режиме двухуровневой генерации. Выяснилось, что микролазеры способны генерировать излучение на нескольких частотах даже при высокой температуре. Это позволит в будущем использовать микролазеры в фотонных интегральных схемах и передавать в два раза больше информации. Результаты исследования опубликованы в журнале Nanomaterials.

В конце мая факультет физики Вышки впервые организовал День света для студентов и абитуриентов. Его целью стало погружение школьников и учащихся младших курсов в увлекательный мир науки. Ученые ВШЭ рассказывали о распространении света в галактике, демонстрировали волновую теорию света на потолке лекционного зала и опыты с получением флуоресцеина. А студенты старших курсов представили свои исследовательские работы.

Российские физики показали, что можно использовать туннельный контакт для спектроскопии электронных состояний углеродных нанотрубок. Предложенная технология изготовления туннельного контакта и метод спектроскопии помогут точно определять ширину запрещенной зоны нанотрубок, которая является ключевой характеристикой для разработки любых электронных устройств на их основе. Результаты работы были представлены в журнале Applied Physics Letters.

Чем молодых физиков привлекает обучение в Вышке? Какие лаборатории ИСАН открыты для будущих профессоров и академиков? Выяснила новостная служба портала.

В этом году состоялся первый выпуск магистерской программы «Физика». О том, чего удалось достичь студентам, какими исследованиями они занимались во время учебы и как будет меняться программа в будущем, рассказал ее академический руководитель, директор Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау, член-корреспондент РАН Владимир Лебедев. Подать документы на программу можно до 31 июля.

Студенты магистерской программы «Физика» сразу приступают к исследованиям в ведущих академических институтах, участвуют в проводимых в лабораториях этих институтов экспериментах и готовят научные публикации по результатам своих работ. Рассказываем о трех исследованиях выпускников 2019 года, которые получили высокие оценки экспертов, а сами выпускники — рекомендации в аспирантуру.