История создания и становления научной школы кафедры вычислительной механики ИЕТН ЮУрГУ

В 1989 году в Челябинском государственном университете была создана кафедра прикладной газовой динамики и был заложен фундамент научной школы «Математическое моделирование быстропротекающих процессов в многокомпонентных и многофазных средах». Ее рождение стало возможным благодаря поддержке академика РАН, Героя Социалистического Труда, специалиста в области атомной науки и техники, исследований физики взрыва и высоких плотностей энергии, одного из создателей ядерных зарядов и ядерных взрывных устройств Бориса Васильевича Литвинова со стороны Российского федерального ядерного центра Всероссийского научно-исследовательского института технической физики имени академика Е.И. Забабахина (РФЯЦ – ВНИИТФ) и Первого заместителя Генерального конструктора, Героя Социалистического Труда, специалиста в области разработки ракетной техники Владимира Леонидовича Клеймана со стороны Государственного ракетного центра имени академика В.П. Макеева (ГРЦ Макеева). Возглавил школу доктор физико-математических наук, профессор, член Российского национального комитета по теоретической и прикладной механике Юрий Ковалев – в то время проректор по научной работе и заведующий кафедрой прикладной газовой динамики ЧелГУ.

– Мы объединили усилия и стали работать над задачами, которые были интересны и РФЯЦ – ВНИИТФ, и ГРЦ Макеева: разрабатывать математические модели многокомпонентных многофазных сред для быстропротекающих процессов, – поясняет Юрий Михайлович. – Это актуальное направление, так как в природе нет чистых веществ, везде есть примеси. Нам необходимо было создать такую математическую модель, которая бы учитывала поведение и влияние примесей на характеристики течения при соответствующих высоких давлениях. Это была основная задача, которая оказалась актуальной и для РФЯЦ – ВНИИТФ, и для ГРЦ Макеева.

На протяжении двух десятков лет на базе ЧелГУ решались практические задачи, связанные с подводным стартом, изучением конвективных течений в замкнутых объёмах, расчётами тепловлажностных режимов, распространением ударных волн и их взаимодействием с многофазными средами, были подготовлены десятки специалистов для РФЯЦ – ВНИИТФ и ГРЦ Макеева.

В 2009 году, благодаря ректору Южно-Уральского государственного университета Александру Леонидовичу Шестакову научная школа «получила прописку» в ЮУрГУ, где была создана кафедра вычислительной механики во главе с Ю.М. Ковалевым. На первоначальном этапе она состояла из специалистов ЧелГУ, которые, перейдя работать в ЮУрГУ, продолжили свои исследования в данном направлении совместно со специалистами РФЯЦ – ВНИИТФ и ГРЦ Макеева.

– Изначально в коллективе, работавшем по данной тематике, было шесть человек. Потом стали подрастать молодые кадры. Специалисты из Ядерного центра стали принимать активное участие в подготовке студентов, работая в вузе по совместительству, – вспоминает профессор Ковалёв. – Работал в данном направлении и выдающийся учёный-механик, доктор физико-математических наук, профессор, лауреат государственной премии СССР, заслуженный деятель науки Российской Федерации, член Международной академии информатизации и Петровской академии наук и искусств Валентин Федорович Куропатенко. Он внес большой вклад в развитие научной школы, активно работал с молодыми сотрудниками. Продолжая читать лекции в ЮУрГУ, выпустил две монографии: «Модели механики сплошных сред» и «Основы численных методов механики сплошной среды» в соавторстве с Еленой Сергеевной Шестаковской.

Под руководством Ю.М. Ковалева были открыты направление подготовки бакалавриата «Механика и математическое моделирование», магистерская программа «Физическая и химическая механика сплошных сред» по направлению «Прикладные математика и физика», аспирантура по специальности «Математика и механика». В настоящее время бакалавры направления «Механика и математическое моделирование» получают вторую квалификацию «Программная инженерия».

В.Ф. Куропатенко руководил разработкой численных методов и аналитических решений механики сплошных сред, математических моделей многокомпонентных сред, уравнений состояния различных материалов – сейчас эти исследования продолжает кандидат физико-математических наук, доцент Елена Сергеевна Шестаковская, которая возглавляет кафедру и руководит ее научной работой.

– Наше взаимодействие с РФЯЦ – ВНИИТФ в последние годы только развивается. В рамках договора о сотрудничестве мы занимаемся совместной научно-исследовательской работой, ведем подготовку специалистов для РФЯЦ – ВНИИТФ, – говорит Елена Сергеевна. – Сотрудники Ядерного центра принимают в этом активное участие. Под руководством Евгения Борисовича Смирнова, Инги Равильевны Макеевой и Егора Евгеньевича Пигасова студенты реализуют научные проекты.

– Программа совместной подготовки, которая включает выполнение научно-исследовательской работы на базе РФЯЦ – ВНИИТФ, позволяет, в первую очередь, «перекинуть мостик» от теоретических знаний, которые студенты получают на лекциях и семинарских занятиях, к практической работе, которая ждет их после окончания университета, в частности, в РФЯЦ – ВНИИТФ, – рассказывает Инга Равильевна. – Кроме того, от студентов требуется использовать на практике весь объем полученных ими знаний, как в части механики сплошной среды, так и численных методов. Принимая участие в такой комплексной программе, будущие специалисты получают представление о командной работе, что является необходимым навыком для производства.

В настоящее время кафедра является участником новой программы практической подготовки магистров «Новый Снежинск», в рамках которой студенты получат еще больше знаний и практических навыков от специалистов РФЯЦ – ВНИИТФ. Заинтересованность предприятия в выпускниках велика и проявляется также в том, что стремление ребят связать свое будущее с РФЯЦ – ВНИИТФ поддержано именными стипендиями.

В последние годы основные научные направления школы связаны с разработкой уравнений состояния энергетических и конструкционных материалов, разработкой методик построения уравнений состояния новых материалов на основе данных экспериментов с применением синхротронного излучения, изучением механизмов образования горячих точек в энергетических материалах, разработкой математических моделей многокомпонентных сред и численных методов.

– Создание новых перспективных материалов неизбежно связано с диагностикой их поведения в экстремальных состояниях, – объясняет Е.С. Шестаковская. – Быстропротекающие гидродинамические и физико-химические процессы в сплошных средах характерны для широкого класса задач физики взрыва и физики экстремальных состояний вещества, в частности таких, как взаимодействие интенсивных электромагнитных полей с веществом, высокоскоростное соударение твердых тел, воздействие продуктов детонации конденсированных взрывчатых веществ на материалы. Математическое моделирование поведения материалов под действием динамических нагрузок можно проводить с помощью собственных программных комплексов или коммерческих пакетов прикладных программ, однако для замыкания системы уравнений, выражающей законы сохранения массы, импульса и энергии, необходимо знать уравнение состояния исследуемого материала. Оно является характеристикой вещества, определяющей взаимосвязь термодинамических параметров состояния, в котором это вещество может находиться под действием различных внешних условий. Важно, чтобы уравнение состояния было определено во всем диапазоне параметров, которые могут реализоваться в моделируемом процессе. Очевидно, что разработка уравнений состояния – задача сложная и актуальная.

Аспиранты, молодые ученые и студенты кафедры имеют возможность перенимать опыт и получать знания у ведущих ученых-механиков кафедры: доктора физико-математических наук, профессора Александра Павловича Яловца, который разрабатывает математические модели многокомпонентных многофазных сред для описания быстропротекающих процессов в энергетических и композиционных материалах, а также численные методы для решения задач аэрогидроупругости и взаимодействия излучения с веществом; кандидата физико-математических наук, доцента Наталии Леонидовны Клиначевой, которая занимается разработкой математических моделей для изучения процессов, связанных с взаимодействием ударных волн с тепловыми и механическими неоднородностями, а также математическим моделированием распространения ударных и детонационных волн, возникающих в результате горения и взрыва; кандидата физико-математических наук Константина Владимировича Хищенко, который является руководителем лаборатории «Широкодиапазонные уравнения состояния» Объединённого института высоких температур РАН в г. Москва и по совместительству старшим научным сотрудником кафедры. К.В. Хищенко – ведущий специалист в области построения уравнений состояния конструкционных и композиционных материалов, а также в области математического моделирования быстропротекающих процессов и взаимодействия излучения с веществом.