КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер проекта 23-11-00363

НазваниеРазработка методов многомасштабного моделирования переноса энергии различной природы в твердых телах

Руководитель Иванова Елена Александровна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем машиноведения Российской академии наук , г Санкт-Петербург

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-217 - Математическое моделирование физических сред

Ключевые слова перенос энергии, неклассические модели механики, аномальные тепловые свойства, электромагнитные явления, баллистическая теплопроводность, низкоразмерные материалы, новые материалы

Код ГРНТИ30.03.15


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект направлен на разработку подхода, позволяющего с единых позиций описывать волновой перенос энергии различной природы (механической, тепловой, электромагнитной) в деформируемых твердых телах. Подход основывается на аналогии между переносом массы в пространстве и переносом энергии в твердом теле. Данная аналогия позволяет рассматривать любое возмущение как "энергетическое тело", для которого могут быть получены уравнения баланса, аналогичные уравнениям, используемым в механике. С использованием данного подхода будет исследовано распространение энергии различной природы в одномерных, двумерных и трехмерных средах, обладающих различным числом степеней свободы. При этом будут рассматриваться как континуальные, так и дискретные среды. Одной из особенностей метода является возможность получения аналитических решений, описывающих изменение во времени и пространстве энергетических характеристик системы (энергии, моментов энергии, потока, суперпотока и других). Для проверки аналитических решений будет использовано численное моделирование. Помимо актуальности проекта для решения вызовов фундаментальной науки, он будет способствовать разработке эффективных методов передачи энергии и отвода тепла при проектировании микроэлектронных устройств и устройств, работающих в космосе.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


 

Публикации

1. Е.А. Иванова Thermo-electrodynamics of conductive media based on the nonlinear viscoelastic Cosserat continuum of a special type Acta Mechanica, 234(12), страницы 6205–6249 (год публикации - 2023)
10.1007/s00707-023-03688-y

2. А.В. Бух, С.В. Каштанова, И.А. Шепелев Complex error minimization algorithm with adaptive change rate Chaos, Solitons and Fractals, 176, 114154 (год публикации - 2023)
10.1016/j.chaos.2023.114154


Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе выполнения настоящего этапа Проекта были получены следующие результаты: 1. С помощью метода энергетической динамики исследована временная эволюция локализованного энергетического возмущения произвольной формы в цепочке α-FPU для длинноволнового низкоамплитудного предела. Оказалось, что в определенных случаях начальная форма возмущения определяет скорость его энергетического центра на больших временах. 2. Найдены соотношения, позволяющие вычислить эффективную силу, действующую на локализованные возмущения в цепочке альфа-ФПУ, в зависимости от их формы. 3. Выведены уравнений баланса энергии и потока энергии для цепочки альфа-ФПУ в длинноволновом низкоамплитудном пределе. 4. Исследована динамики «тел» энергии, соответствующих солитонам альфа-ФПУ, и установлено, что энергетический центр солитона движется с постоянной скоростью, а скорость эта равна известной солитонной скорости. 5. Был проведён сравнительный анализ фундаментальных уравнений континуума Коссера и уравнений Максвелла в контексте движущихся сред. С использованием разработанной модели континуума Коссера был получен закон Гаусса для электрического поля, закон сохранения заряда, первое уравнение Максвелла и модифицированное уравнение Максвелла--Фарадея. 6. Было построено описание прохождения и отражения электромагнитных волн через границу раздела двух сред с помощью модифицированной электродинамики, построенной на модели нелинейного вязко-упругого континуума Коссера. 7. Был проведён сравнительный анализ определяющих уравнений континуума Коссера и соотношений Лоренца и Минковского в движущихся средах. Оказалось, что конститутивные уравнения отличаются как от уравнений Лоренца, так и от уравнений Минковского. 8. Выведены уравнения электродинамики из механической модели континуума Коссера, разработанной в рамках пространственного описания, соответствующего движущейся точке наблюдения. 9. Исследовано расплывание движущегося локализованного возмущения в многомерной упругой среде. В результате продемонстрирована возможность прямого получения энергетических характеристик возмущения из уравнений сплошной среды. 10. Представлено кинетическое описание распространения тепла в кристалле с разрывами связей. Получено и аналитически решено кинетическое уравнение, описывающее изменение функции распределения квазичастиц. 11. С использованием концепции образов Жилина исследовано, как преобразуются балансовые соотношения для импульса и момента импульса в инерциальной системе отсчета.

 

Публикации

1. А.М. Кривцов, В.А. КЕузьуин, В.А. Цаплин Transition from ballistic to diffusive heat transfer in a chain with breaks Physical Review E, 110, 054123 (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevE.110.054123

2. Вольфганг Х. Мюллер, Елена А. Иванова, Елена Н. Вильчевская Momentum and spin balance in an inertial frame obtained by using the concept of images Advanced Structured Materials, 205, страницы 217–261 (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-56132-0_11

3. Ю.А. Баимова, Н.М. Бессонов, А.М. Кривцов, И.Н. Трунова Energy dispersion of localized disturbance in continuum and discrete media Physical Review E, Т. 110. – №. 6. – С. 065004. (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevE.110.065004

4. С.А. Щербинин Dynamics of the energy center of a long-wave low-amplitude disturbance in an anharmonic one-dimensional lattice Mechanics of Solids, Т. 59. – №. 5. – С. 3235-3243. (год публикации - 2024)
10.1134/S0025654424606001

5. Вольфганг Х. Мюллер, Елена А. Иванова, Елена Н. Вильчевская On Attempts to Interpret Maxwell’s Equations Mechanically Advanced Structured Materials, 205, страницы 263–299 (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-56132-0_12


Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе выполнения настоящего этапа Проекта проделаны следующие работы. 1. Проведено исследование расплывания возмущения конечной энергией в цепочке альфа-ФПУ в длинноволновом низкоамплитудном предела на основе подхода энергетической динамики. Для этого рассчитан второй энергетический момент возмущения, описана его временная эволюция и сделаны выводы о характере изменения энергетического радиуса возмущения с течением времени. На основе данного подхода проведено исследование явлений «торможения» и «ускорения» возмущений в уравнении КдВ (описывающем динамику цепочки альфа-ФПУ в длинноволновом низкоамплитудном пределе) слабо отличающихся от точных солитонных решений. При помощи методов энергетической динамики описан характер движения возмущений с конечной энергией в двух предельных случаях уравнения КдВ: линеаризованном уравнении КдВ и чисто нелинейном уравнении без дисперсионного слагаемого. 2. Сформулирована система дифференциальных уравнений для решения задач магнитостатики на основе модифицированных уравнений электромагнетизма, основанной на модели нелинейного вязко-упругого континуума Коссера. Определен тензор электромагнитной индукции для частного случая вектора магнитного заряда. На основе данной системы уравнений получено аналитическое решение для магнитного поля катушки с сердечником. Проведено сравнение подходов, на основе уравнений классического и модифицированного электромагнетизма для решения задач магнитостатики. 3. На основе уравнений динамики твердого тела построена модель движения тела-точки с учетом наличия притиягивающего центра. Проведено исследование частного решение задачи о движение тела-точки общего типа вблизи притягивающего центра. Проведен анализ траектории движения тела-точки при разных параметрах притягивающего центра. В частном случае, рассматриваемом в данной работе, траектория тела-точки расположена в области пространства, близкой к центру притяжения, и имеет такую форму, которую можно рассматривать как p-орбиталь в атоме водорода. 4. Получена система дифференциальных уравнений, описывающих модель модифицированной Среды Коссера в случае подвижной точки наблюдения. На основе электромагнитных аналогий и модифицированной cреды Коссера в случае подвижной точки наблюдения построена модифицированная система уравнений Максвелла для движущихся сред. Проведена аналогия с классическими движущимися электромагнитными средами. 5. Получены аналитические решения для поведения электромагнитных волн на границе раздела диэлектрика и проводника в рамках классической и расширенной электродинамики. Выведены новые уравнения Френеля в рамках расширенной электродинамики для обобщения интерпретации экспериментальных данных. Проведен анализ механических моделей электродинамических процессов, показав, что две из них приводят к уравнениям Максвелла, а третья — к уравнениям расширенной электродинамики. 6. Проведен анализ решения задачи отражения и преломления волн от границы сред в рамках классической электродинамики для аппроксимации экспериментальных данных. Установлено, что классическая электродинамика не позволяет одновременно аппроксимировать экспериментальные зависимости коэффициента отражения и фазового сдвига, используя известное значение удельной электропроводности. Показано, что расширенная электродинамика позволяет одновременно аппроксимировать обе экспериментальные зависимости за счёт введения дополнительной материальной константы при использовании известного значения проводимости.

 

Возможность практического использования результатов
Разработка математических моделей и методов для описания переноса энергии в сплошных и дискретных средах создает фундаментальную основу для развития в высокотехнологичных отраслях экономики. Прямым практическим применением результатов проекта станет создание новых и усовершенствование существующих технологий управления переносом различных форм энергии: механической, тепловой и электромагнитной. В частности, это позволит разработать эффективные методы охлаждения и управления процессами для микроэлектроники следующего поколения, включая процессоры и серверное оборудование, что имеет ключевое значение для обеспечения конкурентоспособности и импортозамещения в отечественной IT-индустрии. Полученные фундаментальные знания и теоретическая основа для описания экспериментов с наноматериалами, такими как углеродные нити и нанотрубки, открывают путь к целенаправленному дизайну новых композиционных и метаматериалов с заданными свойствами. Это найдет применение в аэрокосмической отрасли, энергетике и строительстве, способствуя созданию инновационной продукции. Кроме того, разработанные алгоритмы и методы лягут в основу специализированного программного обеспечения для инженерного анализа, что сократит сроки и стоимость проектирования новых устройств. Таким образом, вышеизложенное подчеркивает важность разработки фундаментальных подходов, реализуемых в рамках данного проекта.