Проект Инжинирингового центра (CompMechLab®) СПбПУ «Динамика газопылевой атмосферы и эволюция поверхностного слоя ядра кометы:…» в рамках гранта Российского научного фонда

Проект Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) «Динамика газопылевой атмосферы и эволюция поверхностного слоя ядра кометы: комплексная модель, разномасштабное компьютерное моделирование и интерпретация результатов наблюдений» стал одним из победителей Конкурса на получение гранта Российского научного фонда (РНФ) по приоритетному направлению «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами». 

Исследование под руководством доктора физико-математических наук, профессора Физико-механического института СПбПУ, главного научного сотрудника ИЦ ЦКИ СПбПУ Николая Быкова ведет Инжиниринговый центр «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab^®) СПбПУ (ИЦ ЦКИ). В научную группу входят: к.т.н., доцент Высшей школы электроэнергетических систем Института энергетики СПбПУ, научный сотрудник ИЦ ЦКИ СПбПУ Никита Образцов; к.т.н., доцент Высшей школы передовых цифровых технологий Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг», научный сотрудник ИЦ ЦКИ СПбПУ Илья Керестень; аспирант СПбПУ, младший научный сотрудник ИЦ ЦКИ СПбПУ Дмитрий Тонков; аспирант СПбПУ, инженер ИЦ ЦКИ СПбПУ Даниил Шмыр, а также другие сотрудники.

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого традиционно принимает участие грантовых программах Российского научного фонда и неизменно оказывается в числе лауреатов. Инжиниринговый центр «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab^®) СПбПУ как часть Экосистемы технологического развития СПбПУ сосредоточен на разработках оригинальных технологий, конструкций, оборудования и продуктов на основе передовых производственных технологий, которые отвечают мировому уровню актуальности, и способны обеспечить технологическое лидерство страны в науке и промышленности.

Проекты Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab^®) СПбПУ также входят в число победителей конкурсов РНФ и получают грантовую поддержку исследований. Так, проект научной группы  под руководством проректора по цифровой трансформации СПбПУ, руководителя Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг», Научного центра мирового уровня СПбПУ «Передовые цифровые технологии», Центра компетенций НТИ СПбПУ и Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab^®) СПбПУ Алексея Боровкова, посвященный исследованию физико-механических свойств аддитивно-производимых мета-биоматериалов, выиграл грант Российского научного фонда в 2023 году и уже опубликовал первые успешные результаты.

Всего в рамках конкурса отдельных научных групп Российского научного фонда в 2024 году было подано более 4,8 тысяч заявок, из которых утверждено к финансированию 515 проектов. Проекты планируется реализовать в 2024-2026 годах. Размер грантовой поддержки составляет до 7 миллионов рублей ежегодно. Полный список победителей конкурса опубликован на официальном сайте РНФ. Среди них три проекта Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.

Научные проекты СПбПУ, получившие грант Российского научного фонда в 2024 году

• Проект «Управление характеристиками перемешивающей и вытесняющей вентиляции при нестационарных режимах течения» (руководитель – Иванов Н.Г.,Физико-механический институт СПбПУ);
• Проект «Сборные конструкции из гибридных стеклобазальтопластиковых композитных труб для умеренных и арктических условий» (руководитель – Ватин Н.И., Передовая инженерная школа СПбПУ «Цифровой инжиниринг»);
• Проект «Динамика газопылевой атмосферы и эволюция поверхностного слоя ядра кометы: комплексная модель, разномасштабное компьютерное моделирование и интерпретация результатов наблюдений» (руководитель – Быков Н.Ю., Инжиниринговый центр (CompMechLab^®) ПИШ СПбПУ).

«Конкурс проектов отдельных научных групп – это востребованная в научной среде форма поддержки исследований, несколько последних лет мы наблюдаем прирост количества заявок на этот конкурс. В этом году в конкурсе участвовали руководители завершенных «первых» проектов малых групп. Это также усилило конкуренцию. По оценкам экспертов число достойных проектов превышает утвержденные 515, в связи с чем экспертный совет отобрал большее количество проектов. В случае соответствующего увеличения объема бюджетных ассигнований правление Фонда может воспользоваться этим решением экспертного совета», – рассказал пресс-службе Фонда заместитель генерального директора РНФ Андрей Блинов.

Проект «Динамика газопылевой атмосферы и эволюция поверхностного слоя ядра кометы: комплексная модель, разномасштабное компьютерное моделирование и интерпретация результатов наблюдений» направлен на создание комплексной модели активности ядра и динамики атмосферы кометы, которая позволит согласованно описывать протекающие физические процессы на разных пространственно-временных масштабах. Модель включает нагрев, сублимацию и эрозию поверхностного слоя ядра, формирование и развитие газопылевого течения в околоядерной и дальней атмосфере кометы с учетом физико-химических превращений продуктов кометной активности. Предлагаемая модель является необходимым инструментом для планирования и интерпретации наблюдений комет с различных расстояний.

«Данные о составе и строении ядра кометы являются крайне важными для понимания процессов формирования и эволюции Солнечной системы, в том числе, эволюции Земли.

Реализация проекта позволит установить взаимосвязь наблюдаемых параметров газопылевой атмосферы с параметрами кометного ядра и провести интерпретацию результатов наблюдений, как удаленных, так и непосредственных, полученных космическими зондами. Ожидаемые результаты полностью соответствуют мировому уровню исследований», – заключил руководитель проекта, доктор физико-математических наук, профессор Физико-механического института СПбПУ, главный научный сотрудника ИЦ ЦКИ СПбПУ Николай Быков.

Интерес мирового научного сообщества к моделированию кометных атмосфер в настоящее время возрастает в связи с реализацией программ исследования комет с помощью космических зондов (Rosetta, EPOXI, Deep Impact, Stardust и пр.). В результате этих программ получен большой объем экспериментальной информации из непосредственной окрестности кометного ядра (от поверхности до нескольких сотен километров) и даже из приповерхностного слоя ядра. Указанные данные имеют первостепенную научную значимость для понимания “первородного” состава и структуры ядра. Обработка и анализ этой информации невозможны без наличия комплексной модели кометной атмосферы с учетом физико-химических процессов, протекающих в ней и на поверхности ядра. Выполнение проекта безусловно усилит роль российской науки в области исследования космического пространства.

Предлагаемая в проекте разработка самосогласованной модели газопроизводительности и разрушения приповерхностного слоя ядра, динамики газопылевой комы для всех режимов и масштабов течения является актуальной задачей и имеет абсолютную научную новизну. Проект предусматривает использование данных наблюдений, полученных космическими зондами в последнее десятилетие. Проект предполагает проведение масштабных междисциплинарных исследований в областях физики твердого тела, газодинамики, плазмодинамики, физический кинетики, компьютерных наук и наук о космосе.

Математическое моделирование и расчёты будут осуществляться на базе Суперкомпьютерного центре «Политехнический», который является самым мощным на Северо-Западе России.

«В сферу основных интересов Экосистемы технологического развития СПбПУ входят мультидисциплинарные проекты, которые направлены на развитие отечественной науки и достижение технологического лидерства в разных отраслях промышленности нашей страны. Разработанные модели и компьютерные программы могут использоваться в инженерных приложениях для расчета многофазных реагирующих течений в вакуумных устройствах, для оценки параметров пылевых и плазменных потоков в задачах внутренней и внешней аэродинамики, в том числе для расчетов спуска и посадки космических аппаратов на различные космические объекты. Результаты проекта будут полезны при решении практических задач в области геологии. Проект внесет большой вклад в развитие отечественных программ изучения космического пространства и позволит подготовить новое поколение исследователей космоса», – отметил проректор по цифровой трансформации СПбПУ, руководитель Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг», Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab^®) СПбПУ Алексей Боровков.

Публикации

• N. Y. Bykov (Н. Ю. Быков), S. A. Fyodorov (С. А. Фёдоров), Yu. E. Gorbachev (Ю. Е. Горбачев). Small cluster formation in a free argon jet // Physics of Fluids 36, 087134 (2024) DOI: 10.1063/5.0222569, (IF 4.98, Q1, Scopus);
• S. L. Ivanovski, V.V. Zakharov, F. Moreno, N.Y. Bykov, O. Muñoz, M. Fulle, A. Rotundi, V. Della Corte, and A.V. Rodionov. On the similarity of rotational motion of dust particles in the inner atmosphere of comets // MNRAS. 2023. DOI: 10.1093/mnras/stad2665, (IF 5.235, Q1, Scopus);
• N. Y. Bykov, Yu. E. Gorbachev, S. A. Fyodorov. Highly underexpanded rarefied jet flows//Front. Mech. Eng. 9:1216927 (2023). DOI: 10.3389/fmech.2023.1216927, (IF 2.3, Q2, Scopus);
• A. V. Bulgakov, N. Y. Bykov, A. I. Safonov, Y. G. Shukhov, S. V. Starinskiy. Silver Vapor Supersonic Jets: Expansion Dynamics Cluster Formation, and Film Deposition // Materials, 16, 4876 (2023) DOI: 10.3390/ma16134876, Impact factor: 3.4 (IF 3.748, Q2, Scopus);
• T. A. Andreeva, N. Y. Bykov, Y. A. Gataulin, A. A. Hvatov, A. K. Klimova, A. Y. Lukin, M. A. Maslyaev. Methods of Partial Differential Equation Discovery: Application to Experimental Data on Heat Transfer Problem // Processes 2023, 11, 2719. DOI: 10.3390/pr11092719, (IF 3.352, Q2, Scopus);
•  V.V. Zakharov, A. Rotundi, D. Bockele-Morvan, N.Y. Bykov, M. Fulle, N. Biver, V. Della Corte, A.V. Rodionov, S.L. Ivanovski. Stationary expansion of gas mixture from a spherical source into vacuum // Icarus. Vol. 395 (2023) 115453. DOI: 10.1016/j.icarus.2023.115453, (IF 3.657,Q2, Scopus);
•  T. A. Andreeva, N. Y. Bykov, T. A. Kompan, V. I. Kulagin, A. Ya. Lukin, V. V. Vlasova. Precision Calorimeter Model Development: Generative Design Approach // Processes. 11. 152. (2023) DOI: 10.3390/pr11010152, (IF 3.352, Q2, Scopus);
• Н. Ю. Быков, С. А. Фёдоров. Алгоритм параллелизации по данным для метода прямого статистического моделирования течений разреженного газа на основе технологии OpenMP // Журнал вычислительной математики и математической физики. – 2023. - т.63. - N12. - c1993–2015. DOI: 10.31857/S0044466923120086;
• N. Y. Bykov and V. V. Zakharov. Rarefied gas mixtures with large species mass ratio: Outflow into vacuum // Physics of Fluids, Vol. 34, 057106 (2022). DOI: 10.1063/5.0089628. (IF 4.98, Q1, Scopus);
• N.Y. Bykov, F.V. Ronshin, A.I. Safonov, S.V. Starinskiy, V.S. Sulyaeva. Fluoropolymer coatings deposition on rotating cylindrical surfaces by HW CVD: experiment and simulation. Journal of Physics D: Applied Physics. - Vol. 54, N.22, 225204 (2021). DOI: 10.1088/1361-6463/abe8fd, (IF 3.207, Q1, Scopus);
• V. V. Zakharov, A.V. Rodionov, M. Fulle, S.L. Ivanovski, N.Y. Bykov, V. Della Corte, A. Rotundi. Practical relations for assessments of the gas coma parameters // Icarus. - Volume 354, 114091 (2021). DOI: 10.1016/j.icarus.2020.114091, (IF 3.657, Q2, Scopus);
• N. Y. Bykov, N. V. Obraztsov, A. A. Kobelev and A. V. Surov. Modeling of an AC Plasma Torch – Part I: Electrical Parameters and Flow Temperature // IEEE Transactions on Plasma Science. - Vol. 49, N.3, pp. 1017-1022 (2021). DOI: 10.1109/TPS.2020.3040845, (IF 1.368, Q2, Scopus);
• N. Y. Bykov, N. V. Obraztsov, A. A. Kobelev and A. V. Surov. Modeling of an AC Plasma Torch – Part II: Gasdynamic Pattern and Effect of Flow Rate // IEEE Transactions on Plasma Science. - Vol. 49, N.3, pp. 1023-1027 (2021). DOI: 10.1109/TPS.2021.3066035, (IF 1.368, Q2, Scopus);
•  V.V. Zakharov, A. Rotundi, V. Della Corte, M. Fulle, S.L.Ivanovski, A.V. Rodionov, N. Y. Bykov, On the similarity of dust flows in the inner coma of comets // Icarus, 364, 114476 (2021) DOI: 10.1016/j.icarus.2021.114476, (IF 3.657,Q2, Scopus);
• N. Y. Bykov, and V. V. Zakharov. Binary gas mixture outflow into vacuum through an orifice// Phys. Fluids. - Vol. 32, 067109 (2020). DOI: 10.1063/5.0009548, (IF 4.98, Q1, Scopus);
• N.V. Obraztsov, D.I. Subbotin, E.A. Pavlova, V.Y. Frolov, V.L. Belyaev, Synthesis of the nickel-containing catalyst on the aluminum oxide supporter produced by glycine-nitrate synthesis, Materials Today: Proceedings SJR 0.42 (Q2), 2020 V.30, №3, p.528-531,​ DOI: 10.1016/j.matpr.2020.01.042.

Исследование планируется осуществить в три этапа в 2024-2026 гг. Всего в рамках проекта будет опубликовано 10 Scopus статей, в том числе не менее 3-х статей Q1-Q2.

Отметим, что специалисты Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab^®) СПбПУ имеют большой опыт компьютерного моделирования сложных физических процессов, визуализации и анализа полученных результатов, разработки высокопроизводительных суперкомпьютерных алгоритмов и алгоритмов обработки больших данных, полученный в процессе исполнения НИОКР в интересах индустриальных партнеров, работающих в области двигателестроения, нефтегазового, атомного, тяжелого, железнодорожного и специального машиностроения, автомобильной промышленности, авиастроения и ракетно-космической техники, судостроения, кораблестроения и морской техники.