УТВЕРЖДАЮ И.о. Исполнительного директора ФГУП «ЦАГИ», д.т.н., профессор

УТВЕРЖДАЮ
И.о. Исполнительного директора
ФГУП «ЦАГИ», д.т.н., профессор
_______________ И.Е. Ковалёв
ОТЗЫВ ВЕДУЩЕЙ ОРГАНИЗАЦИИ
о диссертации Мальцева Романа Владимировича
«Численное исследование сверхзвуковых течений разреженных газов с
сильно отличающимися массами компонент»,
представленной на соискание учёной степени
кандидата физико-математических наук
по специальности 01.02.05 «Механика жидкости, газа и плазмы»
Актуальность темы
Диссертационная работа Мальцева Р.В. посвящена решению практически
важной и актуальной задачи – изучению течений и развитию методов
исследований, связанных с созданием новых наноструктурных материалов и
покрытий. Одним из способов получения таких покрытий является газоструйный
метод, использующий явление ускорения тяжелой примеси в сверхзвуковой струе
лёгкого несущего газа. Кинетическая энергия тяжёлых ускоренных молекул при
столкновении с подложкой – мишенью может достигать единиц и десятков
электрон-вольт, что может привести к получению покрытий с уникальными
свойствами. Сверхзвуковая струйная технология может быть также применена
1
для изучения высоко пороговых химических реакций в газовой фазе и на
поверхности твердого тела.
В диссертации численно исследуются эффекты в разреженных газовых смесях,
обусловленные большой разницей масс, сечений и концентрацией компонент. В
качестве метода используется метод прямого статистического моделирования
(ПСМ). Почти 50 – летняя история развития этого метода показала его
адекватность для решения задач динамики разреженного газа, описание которых
проводится на основе уравнения Больцмана. Метод ПСМ постоянно
совершенствуется в соответствии со все возрастающими сложностями решаемых
проблем. Именно новые подходы и методики, развитые в диссертации с целью
повышения эффективности численного метода, позволили автору добиться
получения надежных результатов для указанных выше экстремально сложных
неравновесных струйных течений газовых смесей.
Краткий анализ содержания работы.
Представленная к защите диссертация состоит из введения четырёх глав,
заключения и списка литературы.
Во введении представлены соображения автора по актуальности работы,
сформулированы цели диссертации и основные положения, выносимые на
защиту, отмечена научная новизна результатов и их практическая ценность,
изложены аргументы, указывающие на достоверность результатов. Также описан
личный вклад соискателя в получение результатов диссертации, представлен
список публикаций по теме диссертации и изложено содержание работы.
В первой главе содержится краткий обзор сведений о способах описания
состояния газа, свойствах течений разреженного газа. Большая часть главы
посвящена методу ПСМ, практике его применения, описанию моделей
столкновения частиц, постановке граничных условий и некоторым другим
особенностям метода.
Во второй главе, наибольшей по объёму, представлен разработанный автором
комплекс новых подходов и схем для метода ПСМ, позволяющий повысить
эффективность метода, снизить трудоёмкость вычислений и ресурсные
требования к ЭВМ и повысить точность результатов. Вводится новый критерий
оценки необходимого количества моделирующих частиц, разрабатывается новый
подход с применением временных множителей, позволяющий использовать
разный временной шаг для разных сортов модельных частиц. Предложены новые
схемы весовых множителей для решения осесимметричных задач и ряд других
усовершенствований метода. Введение новых подходов сопровождается
проведением необходимых тестовых расчётов, в том числе на модельных задачах.
Например, на задаче Фурье о теплопередаче между двумя пластинами, и
сопоставлением получаемых результатов с известными решениями и
«эталонными» результатами по существующим методикам.
В третьей главе представлены результаты численного исследования задач,
которые представляют самостоятельный научный и практический интерес, а
2
также могут рассматриваться как модельные, имеющие отношение к
газоструйным методам нанесения покрытий. Изучаются неравновесные эффекты
при столкновении сверхзвуковых потоков смеси газов друг с другом и с твёрдым
препятствием. В задаче о столкновении оппозитных струй (смесь гелия и аргона)
расчёты проводились при очень «тяжелых» условиях для метода ПСМ – при
очень малых числах Кнудсена, вплоть до значения 0.0005. В области
взаимодействия струй полученные профили концентрации согласуются с
экспериментальными данными, но в области расширения струй наблюдается
заметное
отклонение
экспериментальных
и
расчётных
данных.
Удовлетворительное согласование расчётных результатов с экспериментом
достигнуто и в задаче о взаимодействии струи той же смеси газов с преградой.
Проведены исследования сжатого слоя перед пластиной, поставленной под
прямым углом к сверхзвуковому потоку одноатомного газа. Получено хорошее
согласование с решениями этой задачи с помощью уравнений Навье-Стокса (при
числе М∞=1.8) и с данными других расчётов (при числе М∞=5). Далее изучается
взаимодействие сверхзвукового потока смеси газов (гелий + ксенон) и подробно
исследуется энергетический спектр тяжелых молекул. В заключительном
параграфе главы 3 изучается очень интересная по геометрии течения задача о
трансформации энергии и состава газовых смесей при течении в цилиндрическом
коллайдере. Показано, что в таком истечении смеси газов (гелий + ксенон)
заторможенное облако обогащено тяжёлой компонентой и имеет температуру,
превышающую температуру торможения подаваемого газа. Область
заторможенного газа даёт начало двум новым оппозитным струям, в которых
достигаются сверхзвуковые скорости.
В четвёртой главе проводится исследование разнообразных процессов,
протекающих в экспериментальной установке по осаждению бактерицидных
покрытий. Рассматривались различные аспекты, связанные с течением смеси
аргона и серебра. Использованные численные методы на базе разработанных
автором
усовершенствований
метода
ПСМ
позволили
рассчитать
пространственное распределение плотности и потока паров атомарного серебра,
испаряющегося в тигеле, оценить движение кластеров и небольших наночастиц в
потоке несущего газа. Удалось выяснить, что осаждаемые на подложку
наноразмерные кластеры формируются на недогретых внутренних поверхностях
тигеля и сопла. В целом, численный анализ позволил объяснить механизм
образования кластеров и дал большую информацию, необходимую для
интерпретации результатов экспериментов.
В заключении перечислены основные результаты, полученные в
диссертационной работе.
Степень достоверности результатов проведенных исследований.
Предложенные в работе схемы – введение временных множителей, новые
подходы к решению осесимметричных задач и другие – существенно
расширяющие возможности метода ПСМ, тестированы на модельных задачах с
3
применением эталонных решений, полученных с помощью стандартных схем.
Для ряда задач проведены сопоставления с экспериментальными данными и с
результатами, полученными на основе решений уравнений Навье - Стокса.
Оценка новизны и практической значимости
Отметим
основные
результаты
автора,
являющиеся новыми и
представляющими, на наш взгляд, несомненный научный и практический
интерес:
1. В методе ПСМ предложена методика введения временных множителей,
позволяющая использовать разный временной шаг для разных сортов частиц.
Достоинством его применения является консервативность схемы (в отличие от
схем с весовыми множителями) и возможность уменьшения числа расчётных
частиц.
2. Обоснован новый критерий для оценки требуемого числа моделирующих
частиц, который необходим при определении ресурсных потребностей
вычислительной техники.
3. Предложена замечательная схема цилиндрического коллайдера для
исследования течения смеси газов с сильно отличающимися массами компонент и
формирования сверхзвуковых струй с новыми параметрами.
4. Проведен уникальный расчёт течений смеси аргона и наноразмерных частиц
серебра в условиях эксперимента по осаждению бактерицидных плёнок на всех
стадиях формирования потока. Кроме получения новых знаний о свойствах
потока и механизмах формирования кластеров, это исследование имеет большое
методологическое значение, как пример взаимодействия теоретиков и
экспериментаторов в постановке, проведении и анализе результатов сложных
экспериментов.
Замечания по диссертационной работе
1. Введение временных множителей, как уже отмечалось, является
существенным вкладом автора в усовершенствование метода ПСМ. Но можно
было бы более подробно изложить алгоритм применения метода, как это сделано
по ряду других предложенных процедур.
2. Следовало бы более подробно описывать постановку задач: например,
указывать границы расчетной области, и давать информацию о количестве ячеек,
количестве моделирующих частиц. Так, в главе 4 значение величины фонового
давления приведено в табл. 4-5 при описании условий быть может другого
эксперимента и только на стр. 185 упоминается о 7-кратном перепаде давления. В
процессе изложения появляются новые элементы: капилляр, стенки-экраны, но их
точное положение не указывается и не отмечается степень влияния на
теоретический анализ.
3. Представляется, что для обоснования модели взаимодействия атомов аргона
с кластерами нанометровых размеров (стр.190), требуется более тщательное
4
рассмотрение физической картины столкновения, например, методами
молекулярной динамики. Для кластеров больших размеров можно было бы
воспользоваться экспериментальными данными, полученными при столкновении
атомов с твердыми поверхностями. Можно было бы просто провести сравнение
для двух (или нескольких) разных моделей, как это было сделано при описании
движения кластера как макрочастицы. Заметим также, что и для принятой модели
следовало бы указать, как определялась скорость атома аргона после
столкновения с кластером.
Заключение
В целом, диссертационная работа Мальцева Р.В. представляется значительным
научным исследованием на актуальную тему, содержащим большое количество
идей и предложений, реализованных в решениях конкретных задач.
Последовательность изложения соответствует логике научного поиска.
Автореферат диссертации отражает основные результаты работы.
Результаты диссертации опубликованы в рецензированных научных изданиях
и сборниках трудов ведущих конференций по профилю работы.
Таким
образом,
диссертация
Мальцева Р.В.
является
научноквалификационной работой, в которой на основании выполненных автором
исследований получены новые научные результаты, имеющие существенное
значение для науки и практики. Работа отвечает требованиям Постановления
Правительства РФ от 24.09.2013 г. «О порядке присуждения ученых степеней»,
предъявляемым к диссертациям на соискание учёной степени кандидата наук, а её
автор, Мальцев Роман Владимирович, заслуживает присуждения ему учёной
степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.02.05
«Механика жидкости, газа и плазмы».
Отзыв обсужден и одобрен на научно-техническом совете НИО-8 ЦАГИ
11.03.2014 г.
Начальник НИО-8 ФГУП «ЦАГИ»
член-корр. РАН, д.ф.-м.н., профессор
Егоров И.В.
Доктор технических наук
по специальности «Механика жидкости и газа»,
главный научный сотрудник ЦАГИ
Ерофеев А.И.
Подписи рецензентов заверяю
Учёный секретарь диссертационных Советов ЦАГИ
доктор технических наук, профессор
Чижов В.М.
5