Гидроинтегратор Лукьянова

:

Компьютер, но не электрический.
Гидроинтегратор — гидравлический вычислитель:

Вода, перетекающая из одной стеклянной трубки в другую, позволяла решать дифференциальные уравнения с частными производными.

Дело было в период индустриализации СССР, когда свежеиспеченный инженер Владимир Лукьянов попал на строительство железной дороги и столкнулся в проблемой невысокого качества бетонирования (при застывании бетон растрескивался). Лукьянов предположил, что это связано с температурными напряжениями и обобщил существующие теоретические наработки. Процесс описывался дифференциальными уравнениями, требующими длительных расчетов, но Лукьянов увидел главное — аналогию между уравнениями, описывающими теплообмен, и уравнениями, описывающими течение жидкости. Т.е. первый процесс можно было смоделировать с помощью второго.

Через нескольких лет Лукьянов создает аппарат для решения этой совершенно конкретной задачи — анализа изменения температуры в бетоне в зависимости от его состава, технологии заливки и внешних условий.

Пример решаемой задачи

Теплопередача в нестационарных условиях — охлаждение многослойной плоской стенки.

Модель собирается из ряда цилиндрических сосудов, последовательно соединенных между собой калиброванными трубками. Каждый из сосудов имитирует теплосодержание слоя стенки, на которые разбито исследуемое ограждение. Сосуды наполняются водой до уровней, соответствующих начальной температуре в каждом из слоев, после чего открываются краны, и вода из сосудов начинает вытекать. Изменение уровней воды в сосудах при этом будет аналогичным изменению температур в соответствующих слоях стенки при ее охлаждении.

Использованы следующие аналогии с теплотехническими параметрами исследуемых ограждающих конструкций:
а) уровни воды в сосудах в см соответствуют разностям температур слоев и воздуха в градусах;
б) площади поперечного сечения сосудов в см соответствуют теплоемкости слоев в ккал/градус;
в) количество воды в сосудах в см соответствует теплосодержанию слоев в ккал;
г) гидравлические сопротивления трубок в мин/см(?), соединяющих сосуды между собой, соответствуют термическим сопротивлениям слоев в град-ч/ккал;
д) гидравлическое сопротивление у выходной трубки соответствует сопротивлению теплопереходу от поверхности стены к воздуху в град-ч/ккал;
е) расход воды в см/мин соответствует тепловому потоку в ккал/ч.
Масштаб времени, т. е. отношение фактической продолжительности процесса теплопередачи в часах к длительности процесса на гидроинтеграторе в минутах, равен произведению отношения теплоемкости к площади сечения сосуда на отношение термического сопротивления к гидравлическому сопротивлению.

Для возможности фиксации температур (уровней воды в сосудах) в определенные моменты времени гидроинтегратор имел специальное приспособление, одновременно перекрывающее все краны между сосудами. В этот момент нужно было отметить на миллиметровой бумаге, расположенной за трубками, уровни воды в пьезометрах. Затем краны открывали, и так до следующего замера. Полученная в итоге кривая являлась решением уравнения.

Иными словами, интегратор позволял заменить процесс, прямое наблюдение за которым затруднено, аналогичным, но более наглядным процессом. При этом важно то, что оба процесса описывались одинаковыми математическими зависимостями.

Судьба проекта

Дело на этом, как ни странно, не кончилось. Инженер В.С. Лукьянов со временем стал доктором технических наук и получил Сталинскую премию. Он сконструировал двухмерные и трехмерные гидравлические интеграторы в виде стандартных унифицированных блоков, которые можно было компоновать в зависимости от решаемой задачи. Более того — гидроинтеграторы были запущены в серийное производство. Это с их, в частности, помощью рассчитывали проекты Каракумского канала, Байкало-Амурской магистрали, первой в мире гидроэлектростанции из сборного железобетона — Саратовской. Их использовали в геологии (движение грунтовых вод), металлургии (остывание отливок), ракетостроении и др.

Два гидроинтегратора Лукьянова представлены в коллекции аналоговых машин московского Политехнического музея. Один из них:


Фотография сделана в Политехническом музее

1. Статья в «Науке и жизни».
2. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий.