Институт № 8 «Информационные технологии и прикладная математика»

Основные направления научных исследований

  • механика многофазных сред
  • физическая газовая динамика
  • тепломассообмен
  • численные методы
  • экология
  • гемодинамика
  • информатика
  • базы данных и системы искусственного интеллекта
  • машинная графика и малтимедиа
  • параллельные высокопроизводительные вычисления

Основные достижения научной школы

По проблемам физической газовой динамики и математического моделирования

  • Развиты теоретические и вычислительные методы исследований течений газа в соплах с учетом неравновесного протекания химических реакций, возбуждения колебательных степеней свободы, неравновесной конденсации и кристаллизации неравновесного движения многофазных смесей.
  • Созданы современные методы проектирования оптимальных сопел реактивных двигателей, оригинальные аналитические и численные методы решения задач динамики сжимаемого газа, в том числе метод решения обратной задачи теории сопла для общего случая пространственных неравновесных течений, метод решения релаксационных уравнений, методы сквозного счета.
  • Предложены газодинамические модели новых технологических процессов, в том числе получения ультрадисперсных порошков, детонационного и непрерывного напыления, лазерно-электрического метода нанесения покрытий, метода обработки поверхностей двухфазным потоком.
  • Разработана замкнутая физико-математическая модель двухфазного течения, позволяющая учитывать наличие неравновесных химических реакций, конденсацию паров, кристаллизацию, плавление и испарение материала частиц. Создана методика постановки вычислительного эксперимента при решении задач физической газовой динамики. Составлены алгоритмы и комплексы программ для IBM, совместимых ПК. Проведено математическое моделирование течений в установках непрерывного напыления, дробеструйной очистки, в генераторах кластерных пучков, камерах сгорания, соплах и струях ЖРД и РДТТ, а также специально отобранных экспериментов по воспламенению газовых и жидких углеводородных топлив.
  • Аналитически исследовано течение в плоском канале постоянного сечения и примыкающем сопле Лаваля в случае сверхзвукового неравномерного изоэнтропического течения. Показано, что течение имеет существенно двумерный характер, при этом распределение числа Маха на контуре и на оси имеет колебательный характер. Выявлено существование четырех различных типов характеристик течения. Показано, что в плоском канале при неравномерном сверхзвуковом течении возникают ударные волны. Проведено сравнение результатов аналитического исследования с результатами численных расчетов и экспериментов. Проведено обобщение метода на случай нестационарных одномерных течений.
  • Создана математическая модель пленочного охлаждения высокотемпературных элементов конструкций ЛА на основе уравнений Навье-Стокса, теплообмена, анизотропной теплопроводности и анизотропной фильтрации. Развита теория анизотропной теплопроводности путем получения новых аналитических решений и качественно новых результатов на основе этих решений.
  • Создана информационная поддержка ППП решения задач физической газовой динамики, работающая в операционных системах UNIX и MS WINDOWS и обеспечивающая дружественный интерфейс с пользователем.

В области численных методов

  • Разработана новая квазимонотонная схема повышенного порядка точности TVD-типа, предназначенная для моделирования двумерных нестационарных и пространственных течений в областях сложной геометрической формы с использованием адаптивных расчетных сеток. Реализованный на базе данной схемы алгоритм позволяет с высокой точностью рассчитывать сложные внешние, внутренние и струйные газодинамические течения, содержащие большое количество газодинамических разрывов. Созданы обобщения численных алгоритмов для расчетов двумерных нестационарных течений многокомпонентных реагирующих газовых смесей.
  • Предложен метод расчета многофазных реагирующих течений с явным выделением произвольного числа взаимодействующих разрывов: ударных и детонационных волн, вееров разрежения, контактных поверхностей, граничных траекторий частиц и т.д., разработаны алгоритмы, составлен комплекс программ.
  • Разработан метод прецизионного решения жестких систем обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих неравновесное протекание химических реакций, конденсации и кристаллизации; составлены алгоритмы и комплексы программ.
  • Разработан и методически исследован алгоритм метода характеристик 3-го порядка точности, разработаны обобщенные явные замкнутые, однородные по точности интегро-дифференциальные сплайны, сформулирован и применен для математического анализа принцип подобия сплайнов различных степеней; сформулированы и решены параметрические прямые и обратные задачи интерполирования явными сплайнами 2-й и 3-й степени.
  • Предложен и обоснован новый метод численного решения параболических задач со смешанными дифференциальными операторами. Применительно к решению задачи Коши на основе ИД-сплайнов сконструированы двух- и трехшаговые схемы 2-го и 3-го порядков на нерегулярном шаблоне.

По проблемам гемодинамики

  • Представлен качественный анализ одномерных нестационарных уравнений гемодинамики для крупных кровеносныхсосудов.
  • Построены аналитические решения при больших временах, в том числе для сосудов с закрытыми концами.
  • Проведены численные расчеты с использованием схемы Годунова и представлены результаты расчетов уравнений гемодинамики при различных начальных и граничных условиях.
  • Предложена качественная трактовка возникновения тонов Короткова.
  • Предполагается продолжение исследований для двумерных и трехмерных нестационарных уравнений; уравнений гидродинамики и теории упругости и пластичности с учетом вязкости и двухфазности.

По проблемам экологии

  • Созданы физико-математические модели и методы расчета процесса образования токсичных компонент в соплах и струях авиационных и ракетных двигателей, в котлоагрегатах ТЭЦ и на испытательных станциях.
  • Разработана физико-математическая модель течения пылегазовой смеси в газодинамическом фильтре.
  • Разработана принципиальная схема и конструкторская документация на газовые горелки, обеспечивающие нейтрализацию вредных выбросов в атмосферу.
  • Разработана математическая модель и проведено численное моделирование загрязняющего воздействия струй управляющих ЖРДМТ на элементы конструкции орбитальных комплексов.
  • Разработана физико-математическая модель и рассчитано загрязняющее воздействие пусков ракет на космодроме «Плесецк».
  • Проведен монтаж устройства нейтрализации образования окислов азота в факеле ТЭЦ-7 Ленэнерго и на ТЭЦ г. Жуковский МО, получено уменьшение количества загрязненности отходящих газов.
  • Проведен комплекс исследований по охране воздушного бассейна от загрязнения токсичными компонентами, предложен способ нейтрализации окисей углерода и азота, внедренный в энергетике, ракетно-космической технике, металлургии.
  • Проведен цикл исследований по определению загрязняющего воздействия струй управляющих ЖРДМТ на орбитальную космическую станцию Alрha, за который руководителю работ Пирумову У.Г. присвоено звание «Заслуженный деятель науки РФ».

По разделам «Базы данных и системы искусственного интеллекта» и «Информатика»

  • Разработана и реализована схема базы данных внешних спецификаций расчетных модулей и средств конфигурирования оптимальных топологий транспьютерных сетей. Подняты теоретические и практические аспекты проблемы разработки специализированных программных средств пользовательского интерфейса, информационное сопровождение процесса математического моделирования.
  • Сотрудниками кафедры доцентами Зайцевым В.Е., Крыловым С.С., Станченко С.В., ассистентами Дзюбой Д.В., Левинской М.А., аспирантами Прилуцким С.О. и студентом Абрамовым Д.А. разработаны электронные малтимедиа учебники по математике на CD-ROM, выпущенные в издательстве КУДИЦ в 1999-2001 гг.

По разделу «Параллельные высокопроизводительные вычисления»

  • Основным инструментарием распараллеливания пользовательских процессов в высокопроизводительном вычислительном кластере МАИ806 является библиотека MPI/MPE (Message-Passing Interface/Environments). MPI/MPE — мировой стандарт параллельного и распределенного окружения, позволяющего автоматически строить и выполнять на многопроцессорной системе различные пользовательские приложения.
  • Среда MPI поддерживает стандартные языки программирования С, С++, FORTRAN 77, FORTRAN 90.
  • Задача пользователя выполняется на четырех процессорах независимо от их загруженности другими процессами. В случае низкой загруженности процессоров наблюдается практически линейное увеличение быстродействия (в данном примере в 4 раза). При увеличении загрузки процессоров необходимо вносить поправочный коэффициент понижения производительности.
  • В дальнейшем, предполагается проведение широкомасштабных вычислительных экспериментов с реальными прикладными задачами с активным применением MPI/MPE технологии на высокопроизводительном ALPHA-кластере.