Отдел информационно-вычислительного моделирования

Отдел Информационно-вычислительного моделирования ИВМ СО РАН создан в 2018 г. на базе научно-исследовательской группы «Тепловые системы космических аппаратов». Деятельность отдела направлена на разработку математических моделей теплофизики и гидрофизики, проведение теоретических и экспериментальных работ для решения прикладных теплофизических задач.

Основные направления

• Проведение прикладных исследований и экспериментальных работ для решения практических теплофизических задач.
• Разработка, исследование и применение математических моделей гидрофизики и теплофизики.
• Разработка и совершенствование тепловых систем космических аппаратов.
• Вычислительное моделирование, исследования и испытания гипертеплопроводящих конструкций (плоских тепловых труб).
• Разработка программного обеспечения для проведения вычислительного моделирования теплофизических процессов.
• Создание информационных систем для накопления и обработки данных с использованием методов интеллектуального анализа.
• Построение точных решений нелинейных уравнений математической физики, развитие теоретико-групповых методов и их применения к изучению моделей механики сплошной среды (группа Капцова О.В.)

Основные достижения

• Создана и отработана технология по производству гипертеплопроводящих конструкций. Работы проводились в кооперации с АО «ИСС» (г. Железногорск) и Уральским электрохимическим комбинатом (г. Новоуральск). Гипертеплопроводящие конструкции содержат встроенные плоские тепловые трубы, обеспечивающие эффективную теплопроводность на порядок превышающую теплопроводность меди. Перенос тепла в таких конструкциях осуществляется за счет энергии фазового перехода и пассивной циркуляции теплоносителя внутри герметичной конструкции от области подвода тепла в области охлаждения. Использование технологии позволяет создавать новые высокоэффективные системы отвода тепла и стабилизации температуры на борту космических аппаратов.
• Разработаны и внедрены основания для радиоэлектронных блоков повышенной мощности со встроенными плоскими тепловыми трубами для бортовой аппаратуры космических аппаратов. Разработка позволила увеличить энергоемкость и надежность боровой аппаратуры, при этом улучшить массогабаритные параметры космических аппаратов. Разработка внедрена и используется в штатных изделиях. Более двух десятков функционирующих на орбите спутников, созданных в АО «ИСС», оснащены высокоэффективной системой отвода тепла с использованием гипертеплопроводящих конструкций.
• Разработана система прецизионной стабилизации температуры бортового стандарта частоты (бортовых атомных часов) для космических аппаратов ГЛНАСС. Результаты летного эксперимента на борту показали точность временной и пространственной стабилизации температуры не ниже ±0.04 °C.
• Разработан тепловой аккумулятор, основанный на применении материалов с фазовым переходом "твердое тело – жидкость", для системы терморегулирования бортовой радиоэлектронной аппаратуры периодического и кратковременного действия. Применение таких тепловых аккумуляторов позволяет существенно уменьшить размеры и вес радиатора космического аппарата и снизить амплитуду температурных колебаний на посадочном месте блоков РЭА.
• Разработан программный комплекс для проведения тепловых расчетов бортовой электронной аппаратуры. В составе комплекса используются разработанные в отделе математические модели и вычислительные алгоритмы для расчета двухфазных процессов теплопередачи в плоских тепловых трубах.
• Создана система интеллектуального анализа данных для использования в составе автоматизированного рабочего места имитации условий открытого космического пространства и проведения автоматизированного контроля теплофизических характеристик бортовой РЭА при производстве космических аппаратов в АО «ИСС».
• Разработана технология многослойных печатных плат из низкотемпературной керамики (Low temperature co-fired ceramic, LTCC) со встроенной плоской тепловой трубой для эффективного отвода тепла от радиоэлементов с высокой плотностью мощности тепловыделения.
• Разработан термоэлектрический блок охлаждения для судовых холодильных установок с системой, препятствующей обратным перетокам тепла, на базе термосифонов.
• Найдены новые решения уравнений газовой динамики, гидродинамики, линейных и нелинейных диффузионных уравнений, получены решения для моделей несжимаемой жидкости. Исследованы классы автомодельных решений иерархии моделей турбулентности, хорошо описывающие течения в дальнем следе за телом и струйные течения (группа Капцова О.В.).

Основные приборы и оборудование

• Космофизический стенд КС-1
• Вакуумный космофизический стенд КС-1 предназначен для экспериментального исследования различных объектов, приборов, систем регулирования, образов материалов в условиях, приближенных к космическим условиям, а также для моделирования параметров космического пространства в рабочем объеме стенда.
• Вакуумная камера диаметром 1 м и длиной 2 м оснащена вакуумной системой, состоящей из форвакуумного насоса Anest Iwata ISP-1000 и турбомолекулярного насоса Shimadzu TMP-803 LM и обеспечивающую предельный вакуум до 10^-6 мм. рт. ст. В составе камеры имеется система теплоотвода на базе криостата, обеспечивающая температуру термостабилизированной панели в диапазоне от минус 60 °С до плюс 80 °С с отводом тепловой мощности до 500 Вт. Имеется возможность имитации космических условий (азотный экран).
• Стенд оснащен автоматизированной системой сбора и обработки данных, обеспечивающей многоканальную регистрацию электрических сигналов. Камера оснащена инфракрасными иллюминаторами из фторида бария (BaF₂) для проведения тепловизионных измерений и регистрацию тепловых полей.
• Рисунок – Космофизический стенд КС-1
• Стенд ТВС-М (термовакуумный стенд малый)
• Стенд предназначен для проведения вакуумных тепловых испытаний и используется для получения теплофизических характеристик компонентов разрабатываемых тепловых систем, макетов электронной аппаратуры и других объектов исследований.
• Вакуумная система стенда оснащена высокоэффективными спиральными и турбомолекулярными насосами (250 л/сек) и измерителями вакуума. Внутри вакуумной камеры располагается теплоотводящее основание, которое представляет собой двухзаходный плоский теплообменник. Основание подключается к жидкостной системе поддержания температуры (термостату) в диапазоне от минус 40 до плюс 90 °C, с допустимыми тепловыми нагрузками до 2 кВт.
• Камера с двух сторон оснащена инфракрасными иллюминаторами из фторида бария (BaF₂) для проведения тепловизионных измерений. Перед иллюминаторами устанавливаются тепловизоры (FLIR SC660) для получения тепловизионных снимков обеих сторон исследуемого объекта.
• Крышка камеры содержит вакуумные разъемы для ввода питающих и сигнальных проводов к объекту, а также гермовводами трубопроводов системы поддержания температуры.
• Стенд оснащен компьютерным рабочим местом, а также системой измерения и сбора данных для управления оборудованием и получения теплофизических характеристик исследуемых объектов.
• Рисунок – Малый термовакуумный стенд
• Тепловизоры
• Тепловизоры FLIR SC 660/640 предназначены для регистрации тепловых полей с разрешением 640 на 480 точек в режиме фото и видеосъемки. Тепловизоры используются в ходе проведения экспериментов для измерения распределений температур и тепловых потоков.
• Универсальные системы сбора данных L-CARD
• Модульная система сбора данных LTR предназначена для построения многоканальных измерительных систем ввода/вывода аналоговых и цифровых данных. Система используется при проведении экспериментальных исследований для регистрации сигналов с датчиков, оцифровки полученных данных и передачи в компьютер для накопления и обработки.
• Измерительные системы National Instruments
• Высокопроизводительная модульная измерительная платформа National Instruments – PXI предназначенная для создания автоматизированных и испытательных комплексов. Системы при проведении исследований для регистрации сигналов, оцифровки полученных данных и передачи в компьютер для накопления и обработки.

Методы исследований

• Разработка математических моделей и проведение вычислительного моделирования теплофизических процессов.
• Экспериментальные исследования теплофизических характеристик изделий, макетов, образцов с возможностью имитации условий, приближенных к космическим условиям.
• Использование тепловизионных средств измерений в ходе испытаний для измерения распределений температур и тепловых потоков.
• Теоретические исследования уравнений гидродинамики проводятся с помощью разработанного нового метода построения точных решений нелинейных уравнений – метод определяющих уравнений. Предложен способ построения многопараметрических решений уравнений с частными производными. Развит метод преобразований Эйлера-Дарбу.

Сотрудники

Заведующий отделом Нестеров Денис Александрович кандидат физико-математических наук +7 391 2495377 ndanda@icm.krasn.ru