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

Проект Передовой инженерной школы 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». 

Руководитель проекта –  доктор физико-математических наук, профессор Физико-механического института СПбПУ, главный научный сотрудник Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab^®) СПбПУ (ИЦ ЦКИ) Николай Быков.

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 в конкурсах грантов Российского научного фонда и часто оказывается в числе победителей. 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, но в Инжиниринговом центре успешно работают научные группы, которые занимаются инициативными фундаментальными исследованиями или фундаментальными проблемно-ориентированными исследованиями.  

Проекты Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab^®) СПбПУ также входят в число победителей конкурсов РНФ и получают грантовую поддержку фундаментальных 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» 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 опубликовал результаты текущих научных исследований.

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 будут реализованы в 2024-2026 годах. Размер гранта составляет до 7 миллионов рублей ежегодно. Полный список победителей конкурса опубликован на официальном сайте РНФ. Среди победителей три проекта Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, два из которых выиграли научные сотрудники Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг».

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).

Заместитель генерального директора РНФ Андрей Блинов рассказал пресс-службе Фонда: 

• «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 проектов-победителей, 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».

Проект ПИШ СПбПУ «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.
Математические и компьютерные модели описывают 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. Предлагаемые модели являются 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», 
  – пояснил руководитель проекта, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник 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 цифровой 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 мультидисциплинарных исследований в областях физики твердого тела, газодинамики, плазмодинамики, физический кинетики, компьютерных наук и наук о космосе.

Математическое моделирование и суперкомпьютерные расчёты будут выполняться в Суперкомпьютерном 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, как фундаментальной, так и прикладной, и, конечно, на достижение технологического лидерства в разных отраслях промышленности нашей страны.
• Разработанные в рамках проекта РНФ математические и компьютерные модели и компьютерные программы могут использоваться в инженерных приложениях для
  – расчета многофазных реагирующих течений в вакуумных устройствах,
  – 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. Кроме того, 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.
• Безусловно, важным результатом деятельности научной группы проекта РНФ и Отдела разработки Цифровой платформы разработки и применения цифровых двойников CML-Bench^® станет плановая работа по интеграции разработанных математических и компьютерных моделей, алгоритмов и компьютерных программ на Цифровой платформе  CML-Bench^® с целью расширения круга исследователей и направлений практического применения результатов фундаментальных научных исследований как в научно-образовательном процессе, так и в прикладных разработках», 
  – отметил проректор по цифровой трансформации СПбПУ, руководитель Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» и 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 первого и второго квартилей (Q1-Q2).

Отметим, что специалисты Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab^®) СПбПУ имеют большой опыт компьютерного и суперкомпьютерного моделирования сложных физико-механических 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 всех отраслей машмностроения, как системообразующей отрасли высокотехнологичной промышленности России: двигателестроения, нефтегазового, атомного, тяжелого, железнодорожного и специального машиностроения, автомобильной промышленности, авиастроения и вертолетостроения, включая БПЛА и БВС, ракетно-космической техники, приборостроения, судостроения, кораблестроения и морской техники, а также медицинского инжиниринга.