авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
-- [ Страница 1 ] --

XL Неделя науки СПбГПУ : материалы международной научно-практической

конференции. Ч. V. – СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2011. – 202 с.

В сборнике публикуются материалы докладов

студентов, аспирантов, молодых

ученых и сотрудников Политехнического университета, вузов Санкт-Петербурга,

России, СНГ, а также учреждений РАН, представленные на научно-практическую

конференцию, проводимую в рамках ежегодной XL Недели науки Санкт-

Петербургского государственного политехнического университета. Доклады отражают современный уровень научно-исследовательской работы участников конференции в области фундаментальных, технических, экономических, социальных и гуманитарных наук.

Представляет интерес для специалистов в различных областях знаний, учащихся и работников системы высшего образования и Российской академии наук.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.

Редакционная коллегия физико-механического факультета:

В.К. Иванов (декан факультета), А.С. Немов (отв. ред.), Я.А. Бердников, Ю.Я. Болдырев, А.И. Боровков, Е.Е. Журкин, Н.Ю. Золотаревский, Н.Г. Иванов, Н.М. Кожевников, А.М. Кривцов, С.В. Лупуляк, Р.Г. Полосков, А.Н. Сварчевский, Е.М. Смирнов, В.Б. Штейнберг © Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ СЕКЦИЯ «БИОФИЗИКА»

УДК 577.214. Д.С.Виноградова (6 курс, каф. БФ), Н.Г.Соболева, к.ф-м.н., ст.н.с. (ОМРБ ПИЯФ РАН), В.И.Катунин, к.б.н., ст.н.с. (ОМРБ ПИЯФ РАН) ИЗУЧЕНИЕ ЦИКЛА ЭЛОНГАЦИИ ТРНК С РАСШИРЕННЫМ АНТИКОДОНОМ В 70S РИБОСОМАХ Господствующее долгие годы представление, что критерием шага транслокации является размер антикодона тРНК (т.н. модель yardstick, в рамках которой допускалось существование тетрануклеотидной транслокации), по-видимому, является ошибочным.

Появившиеся к настоящему моменту экспериментальные данные не подтверждают возможность декодирования тРНК с четырехбуквенным антикодоном в А-сайте 70S рибосомы с последующей тетрануклеотидной транслокацией. Возникновение +1 сдвига рамки считывания (+1СРС) скорее всего происходит после изомеризации кодон антикодонового комплекса в Р-сайте рибосомы.

Однако до сих пор остается открытым вопрос - происходит ли данное событие во время транслокации, или все-таки изомеризация расширенного кодон-антикодонового комплекса осуществляется на Р сайте после окончания транслокации. Очевидно, что существенный прогресс в понимании данного явления невозможен без получения количественных данных о кинетике и термодинамике синтеза пептидов на рибосоме, программируемой особой матричной РНК и использующей тРНК с расширенным антикодоном.





Целью данной работы явилось изучение молекулярного механизма элонгации тРНК с расширенным антикодоном в рибосоме. Для этого мы предполагаем измерить термодинамические и кинетические параметры взаимодействия различных аминоацил- и пептидил-тРНК с соответствующими сайтами рибосомы, охарактеризовать возможный эффект увеличения антикодона тРНК на один нуклеотид в процессе селекции аминоацил тРНК, оценить скорость и эффективность транслокации для соответствующих претранслокационных комплексов. Сравнение стабильности аминоацил- и пептидил-тРНК (нативной либо с расширенным антикодоном) в А и Р сайтах рибосомы, возможно, позволит оценить способность модифицированных тРНК к проскальзыванию на один нуклеотид в процессе (+1 СРС). Дополнительные детальные количественные данные о кинетике и термодинамике +1 СРС (в частности, зависимость констант скоростей от температуры, концентрации ионов магния и полиаминов), безусловно, позволят прояснить молекулярный механизм этого сложного многоступенчатого процесса и уточнить роль расширенной антикодоновой петли тРНК в процессе элонгации.

Для проведения экспериментов in vitro в качестве модельной системы предполагается использовать систему, содержащую 70S рибосомы, аминоацилированные транскрипты тРНК с расширенным антикодоном и особую матрицу (мРНК UUU или мРНК UUC), на которой декодирование с участием тРНК с расширенным антикодоном происходит альтернативным путем в случае возникновения +1СРС.

На начальном этапе работы, используя сайт-направленный мутагенез гена дрожжевой фенилаланиновой тРНК получены:

1) мутантная форма гена тРНК с расширенным антикодоном, содержащим дополнительный нуклеотид А33.5 между U33 и G34, т.е. тетрануклеотид AGAA вместо стандартного антикодона GAA, а в положении 37 стоит G.

2) мутантная форма гена тРНК с расширенным антикодоном, содержащим дополнительный нуклеотид А33.5 между U33 и G34, т.е. тетрануклеотид AGAA вместо стандартного антикодона GAA, а в положении 37 стоит А.

В качестве контроля будет использован немодифицированный транскрипт дрожжевой фенилаланиновой тРНК, содержащий стандартный антикодон GAA и гуанозин в 37-м положении, а также нативная дрожжевая тРНКPhe, имеющая в положении гипермодифицированное основание Y. После синтеза in vitro препаративных количеств контрольного и модифицированных транскриптов тРНК с помощью РНК-полимеразы фага Т7 и очистки аминоацилированных производных предполагается перейти к изучению стабильности аминоацил- и пептидил-тРНК (нативной либо с расширенным антикодоном) в А и Р сайтах рибосомы.

УДК 577.323. П.А.Егорова (6 курс, каф. БФ), А.В.Слита, к.б.н., зав. лаб. (ФГБУ НИИ Гриппа) ВЛИЯНИЕ КОЛИЧЕСТВА МЕТАКРИЛОИЛАМИНОГЛЮКОЗЫ В СОСТАВЕ СОПОЛИМЕРОВ пДМАЭМ-МАГ И пДЭАЭМ-МАГ НА СВОЙСТВА ИНТЕРПОЛИЭЛЕКТРОЛИТНЫХ КОМПЛЕКСОВ.



Способность поликатионов образовывать стабильные интерполиэлектролитные комплексы (ИПЭК, полиплексы) с ДНК основана на взаимодействии положительно заряженных аминогрупп поликатиона с отрицательно заряженными фосфатными группировками ДНК. В свою очередь, возможность использовать поликатионы в качестве трансфецирующих агентов обусловлена, как принято считать, связыванием аминогрупп поликатионов с фосфолипидами клеточной мембраны, последующей локальной дестабилизацией мембраны и интернализацией комплекса поликатиона и генетического груза внутрь клетки [1].

В настоящей работе тестировались сополимеры пДМАЭМ-МАГ (полидиметиламиноэтилметакрилат- метакрилоиламиноглюкоза) и пДЭАЭМ-МАГ (полидиэтиламиноэтилметакрилат- метакрилоиламиноглюкоза).

Цель работы – изучение влияния количества метакрилоиламиноглюкозы в составе сополимеров пДМАЭМ-МАГ и пДЭАЭМ-МАГ на способность связываться с ДНК и на трансфекционные свойства полиплексов.

Для достижения поставленной цели были предприняты следующие шаги: проверена способность каждого поликатиона связываться с ДНК;

установлено минимальное количество поликатиона, при котором происходит связывание определенного количества ДНК;

проведена трансфекция культуры клеток глиобластомы человека T-98G полиплексами с плазмидой, несущей репортрный ген, кодирующий зелный флуоресцентный белок (GFP).

Для получения интерполиэлектролитных комплексов смешивали растворы поликатионов и плазмидной ДНК определнных концентраций и инкубировали полученную смесь при комнатной температуре в течение 40 минут.

Эффективность связывания поликатионом молекул ДНК оценивалась по гашению флуоресценции бромистого этидия. Как известно, бромистый этидий, являясь интеркалирующим агентом, связывается с молекулами нуклеиновых кислот и флуоресцирует в ультрафиолете, однако, в результате образования ИПЭК, поликатионы способны защищать молекулы ДНК от проникновения красителя, что и приводит к гашению флуоресценции при постепенном увеличении концентрации поликатиона. Другим критерием оценки эффективности связывания было наблюдение ретардации комплексов при проведении электрофоретического разделения в агарозном геле. Изменение общего заряда ИПЭК и увеличение его массы при повышении концентрации поликатиона и приводит к явлению ретардации.

В зависимости от молекулярной массы поликатиона и количества заместителя наблюдаются различия в образовании полиплексов. Так, в отсутствие МАГ, с увеличением молекулярной массы пДМАЭМ наблюдается уменьшение эффективности связывания ДНК поликатионом. Увеличение процентного содержания МАГ в составе сополимера приводит к такому же эффекту. Данные получены в результате электрофоретического разделения ИПЭК в 0.8% агарозном геле.

Для трансфекции клеток полиплексы готовили, используя оптимальные концентрации поликатионов и плазмидной ДНК. Клетки инкубировали с растворами ИПЭК в течение 40- минут и рассевали на чашки Петри. Результаты трансфекции оценивали на инвертированном микроскопе в ультрафиолетовом диапазоне.

Проведнные эксперименты показали низкую эффективность трансфекции клеток T 98G исследованными комплексами: лишь в отдельных клетках наблюдалось характерное свечение GFP. Наиболее эффективными трансфецирующими агентами оказались соединения пДМАЭМ-МАГ и пДЭАЭМ-МАГ с содержанием МАГ 96,1% и 95,3% соответственно и имеющие средний среди исследованных поликатионов молекулярный вес: 35 и 73 кДа.

Таким образом, в результате проведнной работы было показано, что при увеличении количества метакрилоиламиноглюкозы в составе сополимеров пДМАЭМ-МАГ и пДЭАЭМ МАГ наблюдается понижение эффективности связывания ДНК и повышение эффективности трансфекции клеток T-98G полученными ИПЭК. Было показано, что не все полиплексы обладают одинаковой способностью проходить через клеточную мембрану, однако с помощью некоторых из них, как было доказано в эксперименте, можно доставлять определнный генетический груз в клетку.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Кабанов А.В., Кабанов В.А. Интерполиэлектролитные комплексы нуклеиновых кислот как средство доставки генетического материала в клетку.// Высокомолекулярные соединения.1994. Т.36, №2.C.198-211.

УДК 577. В.А.Ливинская (5 курс, каф. БФ), А.А.Никифоров, к.б.н., н.с. (ИНЦ РАН) ИММУНО-АФФИННАЯ ОЧИСТКА КОРОВОГО (20S) И РЕГУЛЯТОРНОГО (19S) КОМПЛЕКСОВ ПРОТЕАСОМ ЧЕЛОВЕКА ПРИ ПОМОЩИ FLAG-СЛИТЫХ ПРОТЕАСОМНЫХ СУБЪЕДИНИЦ Протеасома представляет собой мультисубъединичный белковый комплекс, который является основным компонентом убиквитин-зависимой системы деградации клеточных белков. Этот белковый комплекс вовлечен в АТФ-зависимый протеолиз ключевых регуляторных белков, контролирующих основные клеточные процессы, такие как:

прохождение по клеточному циклу, дифференцировка, иммунный ответ, транскрипция и репарация ДНК, апоптоз. 26S-протеасома состоит из 20S-корового комплекса, обладающего протеолитической активностью, и 19S-регуляторного комплекса, отвечающего за узнавание и связывание полиубиквитинилированного субстрата, а также за его разворачивание и транслокацию в канал 20S-корового комплекса для последующей деградации [1,2].

Ключевыми механизмами тонкой регуляции активностей протеасом при различных изменениях физиологического состояния клетки являются посттрансляционные модификации и белок-белковые взаимодействия ее субъединиц [2].

Важным этапом многих экспериментальных подходов, направленных на изучение белок-белковых взаимодействий и посттрансляционных модификаций протеасом, является выделение мультибелкового протеасомного комплекса. От качества данного выделения зависит успешность выполнения всех последующих поставленных экспериментальных задач.

Существует классический биохимический подход для выделения протеасом из клеточных экстрактов, основными этапами которого являются: ультрацентрифугирование, ионообменная хроматография и последующая очистка от солей [3]. Основной проблемой такого выделения протеасом является недостаточная чистота получаемого препарата, а также жесткость условий, при которых оно происходит, что существенно влияет на сохранность интактных белок-белковых взаимодействий и посттрансляционных модификаций.

Метод иммуно-аффинной очистки мультикомпонентных белковых комплексов широко применим в молекулярной биологии и имеет ряд существенных преимуществ перед другими способами очистки. Иммунопреципитация является высокоспецифичным методом и позволяет выделять очень чистые препараты, не содержащие примесей, с проблемой наличия которых экспериментаторы сталкиваются, используя классический биохимический подход для выделения протеасом. Кроме того, иммуно-аффинная очистка занимает гораздо меньшее время и проходит при более мягких условиях, что дает возможность ко иммунопреципитировать белки, ассоциированные с протеасомой in vivo, а также позволяет сохранить посттрансляционные модификации протеасомных субъединиц.

Иммуно-аффинная очистка протеасом при помощи иммунопреципитации с использованием специфических антител к е субъединицам [4] имеет ряд существенных экспериментальных ограничений, так как протеасомы очень трудно элюировать с антител, не повреждая структуру и сохраняя активность этих комплексов.

Не так давно в литературе был описан метод иммуно-аффинной очистки 26S-протеасом при помощи иммунопреципитации белкового комплекса из экстрактов клеток человека после сверхэкспрессии в них субъединицы 20S-корового комплекса, слитой с пептидом FLAG.

Данный экспериментальный подход основан на том, что FLAG-слитая субъединица способна встраиваться в протеасомный комплекс, что дат возможность иммунопреципитировать 26S протеасому с использованием специфических антител к FLAG-пептиду и затем элюировать ее при помощи свободного пептида FLAG [5].

Целью данной работы было, используя аналогичный экспериментальный подход, разработать метод иммуно-аффинной очистки 20S- и 19S-протеасомных комплексов по отдельности и получить активные препараты с минимальным количеством примесей.

Для достижения поставленной цели нами были сконструированы экспрессионные векторы для линий клеток человека, кодирующие субъединицы протеасомы человека PSMA (входящую в состав коровой частицы 20S) и PSMD14 (входящую в состав регуляторного комплекса 19S), слитые с N-концом пептида FLAG. Последовательности ДНК, кодирующие белки PSMA3 и PSMD14 были получены методом полимеразной цепной реакции с использованием кДНК клеток человека линии К562 в качестве матрицы. После обработки амплифицированных фрагментов и экспрессионного вектора pIRES-hrGFP-1a соответствующими рестриктазами была произведена реакция лигирования, в результате которой были получены экспрессионные векторы, кодирующие рекомбинантные белки PSMA3-FLAG и PSMD14-FLAG. На следующем этапе была проведена трансфекция клеток человека линии 293Т полученными плазмидами с использованием кальций-фосфатного метода. Сверхэкспрессированные рекомбинантные белки PSMA3-FLAG и PSMD14-FLAG встраивались в 20S- и 19S-протеасомные комплексы, соответственно, и через 96 часов после трансфекции эти комплексы были иммунопреципитированы из клеточных экстрактов при помощи специфических антител к FLAG-пептиду. Эффективность иммунопреципитации была подтверждена при помощи метода иммуноблоттинга с использованием специфических антител к различным субъединицам протеасомы человека. Элюция 20S- и 19S-протеасомных комплексов была осуществлена с помощью инкубации иммунопреципитата с FLAG пептидом.

Таким образом, в результате данной работы были получены чистые препараты 20S- и 19S-протеасомных комплексов, которые можно будет использовать для изучения белок белковых взаимодействий, посттрансляционных модификаций протеасом и других экспериментальных задач, в которых чистота препарата играет важную роль.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Цимоха А.С., Протеасомы: участие в клеточных процессах // Цитология - 2010. - Т. 52, N 4. - С.

277- 2. А.В. Сорокин, Е.Р. Ким, Л.П. Овчинников. Протеасомная система деградации и процессинга белков // Успехи биологической химии. 2009. Т. 49, C. 3- 3. Leggett D.S., Glickman H.M., Finley D., Purification of Proteasomes, Proteasome Subcomplexes, and Proteasome-Associated Proteins From Budding Yeast // Methods in Molecular Biology, Ubiquitin– Proteasome Protocols – 2005. - Vol. 301, - p. 57- 4. Bousquet-Dubouch M.P., Baudelet E., Guerin F., Matondo M., Uttenweiler-Joseph S., Burlet-Schiltz O., Affinity purification strategy to capture human endogenous proteasome complexes diversity and to identify proteasome-interactingproteins // Molecular & Cellular Proteomics – 2009.-Vol. 8 – No. 5 - p. 1150- 5. Qiu X.-B., Ouyang S.-Y., Li C.J., Miao S., Wang L., Goldberg A.L., hRpn13/ADRM1/GP110 is a novel proteasome subunit that binds the deubiquitinating enzyme, UCH37 // The EMBO Journal – 2006. –Vol. – No. 24 – p. 5742- УДК 576. К.Е.Москвина (5 курс, каф. БФ), Е.Ю. Варфоломеева, к.б.н. (ОМРБ ПИЯФ РАН) ВЛИЯНИЕ H2O2, NaNO2, НИТРОПРУССИДА и O2 НА СПОСОБНОСТЬ НЕЙТРОФИЛОВ К ВЫРАБОТКЕ АКТИВНЫХ ФОРМ КИСЛОРОДА Нейтрофилы – одни из главных клеток врожденного иммунитета (белые кровяные тельца). Это одна из важнейших групп лейкоцитов. Интенсивность реакции окислительного (респираторного) взрыва коррелирует с наличием воспалительных процессов в организме. В лаборатории клеточной биологии ОМРБ ПИЯФ ФГБУ был разработан метод измерения данной реакции с помощью проточного цитофлуориметра [1]. В ходе экспериментов было выяснено, что при наличии воспалительных процессов различной природы в организме, способность нейтрофилов к выработке активных форм кислорода изменяется. При этом интенсивность реакции окислительного взрыва меняется. Пик распределения нейтрофилов по способности к выработке активных форм кислорода меняет свое положение по оси абсцисс. Он может сдвигаться к началу координат, также может появиться несколько субпопуляций нейтрофилов. Интенсивность воспалительных процессов коррелирует с интенсивностью реакции окислительного взрыва. Отклонение от стандартного положения пика при измерении образцов доноров с воспалениями в организме составляло от 5% до 50%.

В ходе проведения экспериментов было выяснено, что образцы венозной и капиллярной крови молодых здоровых доноров показывают одинаковую способность нейтрофилов к выработке активных форм кислорода. При этом пики распределения интенсивности реакции окислительного взрыва совпадают.

При воспалительных процессах в организме, способность нейтрофилов к выработке активных форм кислорода изменяется. Это было определено для образцов венозной крови.

Однако образцы капиллярной крови в значительной степени как бы «теряли» информацию о воспалении. Пики распределения нейтрофилов к реакции окислительного взрыва при этом не совпадают. У всех образцов венозной и капиллярной крови было различие в распределениях нейтрофилов по способности к выработке активных форм кислорода. Разница составляла от 5 % до 40 %.

Разница распределений нейтрофилов к выработке активных форм кислорода показывает, что для адекватного измерения реакции окислительного взрыва при воспалениях необходима венозная кровь. Была выдвинута гипотеза, что способность к реакции нейтрофилов крови из пальца снижается из–за взаимодействия с эндотелием сосудов. При попытке понять механизм изменения интенсивности выработки активных форм кислорода в образцах венозной крови, были проведены эксперименты с использованием Н 2О2, NaNO2, нитропруссида и O2.

Образцы венозной крови доноров с воспалительными реакциями в организме были обработаны О2. После чего была поставлена стандартная реакция окислительного взрыва нейтрофилов. Значение интенсивности флуоресценции положения пика, а следовательно, интенсивность реакции окислительного взрыва нейтрофилов образцов венозной крови, обработанные О2 совпадало с контрольными образцами. Из этого следует, что обработка образцов О2 не влияет на ход реакции окислительного взрыва.

Для изучения механизма активации нейтрофилов и протекания реакции окислительного взрыва в эксперименте к образцам венозной крови была добавлена Н2О2. В ходе эксперимента к образцам венозной крови добавляли Н2О2 в различных концентрациях.

После чего проводили инкубацию в термостате при 370 С в течение 60 минут. После инкубации проводили стандартную реакцию.

При инкубации образцов с Н2О2 было выявлено, что при добавлении ее в больших концентрациях (0,3%) интенсивность реакции окислительного взрыва значительно снижалась. Это происходит из-за того, что Н2О2 является сильным окислителем. Снижение способности нейтрофилов к выработке активных форм кислорода происходит из–за влияния среды. При концентрациях 10-4 % распределение нейтрофилов совпадало с контрольным образцом. Однако, при очень малых концентрациях Н2О2 10-6 %–10-8 % выявлялось увеличение интенсивности выработки активных форм кислорода нейтрофилами. Значение интенсивности реакции при таких концентрациях стремилась к значению интенсивности реакции окислительного взрыва образцов капиллярной крови, характерной для нормы. Такие концентрации можно считать сигнальными.

При добавлении NaNO2 и нитропруссида в больших концентрациях 10-2 моль/л, в образцах венозной крови значение интенсивности выработки активных форм кислорода нейтрофилами снижалось по сравнению с контрольными образцами. При добавлении меньших концентраций от 10-6 до 10-9 моль/л, которые могут считаться сигнальными, распределения нейтрофилов образцов венозной крови совпадали с контрольными.

Были сделаны следующие выводы:

Распределения интенсивности реакции окислительного взрыва из образцов венозной и капиллярной крови одного и того же человека могут различаться.

При добавлении в образцы венозной крови Н2О2 в концентрациях от 10-6 до 10- способность нейтрофилов к выработке активных форм кислорода изменяется (приближается к нормальному). Эти результаты могут доказывать гипотезу о том, что Н2О2 является индуктором реакции окислительного взрыва в нейтрофилах.

Эксперименты с добавлением NaNO2, нитропруссида и обработкой образцов крови O2 не дают достоверных результатов изменения способности нейтрофилов к выработке активных форм кислорода ЛИТЕРАТУРА:

1. Е.Ю.Варфоломеева, Е.И.Иванов, Е.А.Дробченко, Е.В.Семенова, М.В.Филатов. Регистрация воспалительных процессов при различных заболеваниях методом проточной цитофлюориметрии – Бюллетень экспериментальной биологии и медицины, т. 149, № 4. 2010 г. – с. 2. А.Н.Маянский. НАДФН – оксидаза: активация и регуляция – Цитокины и воспаление, № 3, 2007 г.

3. Marjorie A. Maxey, Observation of Phagocytosis and Respiratory Burst in Neutrophils, УДК 577. Е.Д.Руденко (5 курс, каф. БФ), М.Г.Петухов, д.ф.-м.н, проф.

МЕХАНИЗМЫ СВЯЗЫВАНИЯ БЕЛКОВ TIP49A С РАСТЯНУТЫМИ ФОРМАМИ днДНК.

Белки семейства TIP49 высоко консервативны и вовлечены во множество клеточных процессов, таких как перестройка хроматина, репарация двунитевых разрывов ДНК, регуляция транскрипции, поддержание стабильности генома, биогенез малых ядерных РНК, сборка теломераз и клеточное деление во время митоза. TIP49A и TIP49B также играют важную роль в канцерогенезе человека. В работе мы исследовали крупномасштабную конформационную подвижность белков семейства TIP49 с днДНК с помощью методов молекулярного моделирования, молекулярной динамики (МД) и конформационного анализа.

На первом этапе работы мы получили несколько вариантов растянутых на 50% форм днДНК за 3’ и 5’ концы с помощью разработанных нами процедур пакета программ ICM-Pro [1]. В качестве стартовой конформации днДНК использовалась классическая В-форма двойной спирали ДНК. Величина растяжения соответствовала экспериментальным данным, полученным с помощью исследования комплексов белков семейства TIP49 с днДНК на установке Лазерный пинцет НОЦ Бионанотехнологии СПбГПУ (Сабанцев A. и соавторы, неопубликованные результаты).

С помощью современных методов докинга мы попытались найти возможные сайты связывания растянутых форм днДНК в мономерной форме белка TIP49A. Эта работа проводилась с помощью методов подвижного рецептора (в данном случае белка) и фиксированного лиганда (днДНК) из пакета программ ICM-Pro [2]. В качестве лиганда использовалась днДНК с последовательностью чередующихся G/С длиной 20 нуклеотидных пар.

В работе нами была получена 30 нс траектории МД наиболее низкоэнергетических комплексов белков TIP49 c растянутыми формами днДНК в периодическом водном боксе.

Моделирование молекулярной динамики нуклеопротеиновых комплексов проводилось с двойной точностью с помощью GROMACS 4.5.5, широко используемого пакета программ для молекулярной динамики белков [3] с использованием многопроцессорных кластеров Санкт-Петербургского государственного политехнического университета и Национального научного центра "Курчатовский институт" (Москва). На основе анализа данных МД и расчетов электростатического потенциала в периодическом водном боксе показано, что днДНК преимущественно связывается в районе неструктурированной петли L2 белка TIP49A, где днДНК имеет максимальное количество водородных связей с белком и сильные стабилизирующие электростатические взаимодействия.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Руденко Е.Д., Штиль А.А., Григорьев М.Ю., Петухов М.Г. Исследование эластичности двухцепочечной молекулы ДНК in silico // XVIII-й Российский национальный конгресс «Человек и лекарство» /. -: Издательство ЗАО РИЦ «Человек и лекарство», 2011. - pp. 562-563.

2. Totrov M., Abagyan R. Flexible protein-ligand docking by global energy optimization in internal coordinates // Proteins. - 1997. - Vol. Suppl. - P. 215-220.

3. Van Der Spoel D., Lindahl E., Hess B., Groenhof G., Mark A.E., Berendsen H.J. GROMACS: fast, flexible, and free // J Comput Chem. - 2005. - Vol. 26. - P. 1701-1718.

УДК 616-092. Е. А. Скоморохова (4 курс, каф. БФ), М.Н.Карпенко, к.б.н., доц.

УРОВЕНЬ ДОФАМИНА И НОРАДРЕНАЛИНА В СТРИАТУМЕ КРЫС С ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ АЛЛЕРГИЧЕСКИМ ЭНЦЕФАЛОМИЕЛИТОМ Экспериментальный аллергический энцефаломиелит (ЭАЭ) у крыс - наиболее адекватная модель аутоиммунного нейродегенеративного заболевания человека рассеянного склероза (РС). У животных с ЭАЭ, как и у людей при РС, наблюдается аутоиммунный ответ на компоненты миелина, приводящий к демиелинизации, а затем и к дегенерации аксонов и, в итоге, к гибели нервных клеток;

проявляется патологическая цепь событий с развитием парезов, параличей и другими симптомами болезни [1].

В последние десятилетия в качестве нейроиммунных медиаторов, нарушение функционирования которых способствует развитию тяжелых форм нейродегенерации, стали рассматривать производные катехоламина: дофамин и норадреналин. Однако пока остается неясным как меняется уровень этих соединений в мозге в зависимости от стадии ЭАЭ. Таким образом, целью настоящего исследования было определение уровня дофамина и норадреналина в стриатуме крыс с ЭАЭ.

ЭАЭ индуцировали у 35-ти самок крыс породы Вистар однократной инокуляцией энцефалитогенной смеси, (гомогенат гомологичного спинного мозга, полный адъювант Фрейнда (ПАФ) и физиологический раствор). В качестве контроля использовали интактных животных и крыс, которым в день индукции ЭАЭ в основание хвоста вводили ПАФ. Затем у этих животных на 0,7,14 и 21 день после индукции ЭАЭ извлекали стриатум. В гомогенате клеток стриатума с помощью метода ВЭЖХ с электрохимическим детектором анализировали уровень дофамина и норадреналина.

Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Экспериментальная группа Норадреналин, пг/мг ткани Дофамин, пг/мг ткани Интактные 344 ± 104 5404 ± ПАФ, 7-й день 265 ± 43 8158 ± 1118* ЭАЭ, 7-й день 275 ± 123 9215 ± 623* ПАФ, 14-й день 217 ± 41 11337 ± 568** ЭАЭ, 14-й день 206 ± 53 9820 ± 987* ПАФ, 21-й день 201 ± 85 6584 ± ЭАЭ, 21-й день 256 ± 69 6895 ± * - р0,05;

**- р0,002 по отношению к интактным животным.

Таким образом, развитие ЭАЭ сопровождается увеличением уровня дофамина в стриатуме крыс. Этот эффект может быть опосредован действием провоспалительного цитокина ИЛ-1, уровень которого в мозге значительно возрастает при развитии ЭАЭ.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Gold R, Linington C, Lassmann H. 3. (2006) Understanding pathogenesis and therapy of multiple sclerosis via animal models: 70 years of merits and culprits in experimental autoimmune encephalomyelitis research.

Brain. 129(Pt 8):1953- 2. Lisak RP, Benjamins JA, Bealmear B, Nedelkoska L, Studzinski D, Retland E, Yao B, Land S. (2009) Differential effects of Th1, monocyte/macrophage and Th2 cytokine mixtures on early gene expression for molecules associated with metabolism, signaling and regulation in central nervous system mixed glial cell cultures. J Neuroinflammation. 2009 Jan 21;

6:4.

УДК 616.34-006. К.С. Смирнов (6 курс, каф. БФ), Ю.А. Романова, ст. лаб. (ОМРБ ПИЯФ РАН), О.А. Вострюхина, к.х.н., доц.

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПОДГОТОВКИ ПРОБ ПЛАЗМЫ КРОВИ ОНКОЛОГИЧЕСКИХ ПАЦИЕНТОВ ДЛЯ ПРОТЕОМНОГО АНАЛИЗА Карциномы органов желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) являются одними из самых распространенных злокачественных новообразований. Важную роль в онкологии играет развитие неинвазивных методов диагностики опухолей. Одним из подходов является протеомный анализ.

В литературных источниках обозначен ряд белков, появляющихся в плазме крови пациентов с выявленной карциномой ЖКТ (например PKM2, PSME3, NNMT). Кроме того, у таких больных обнаружено изменение экспрессии ряда белков плазмы крови (например SCGN, PRL, DEFA1-3). Перечисленные белки находятся в диапазоне молекулярных масс от 10 до 80 кДа [1-3].

Важным шагом на пути к выявлению потенциальных белковых онкомаркеров с помощью протеомного анализа является процесс пробоподготовки. Плазма крови должна быть очищена от ряда мажорных белков, в частности от альбумина.

Целью данной работы явилась разработка методики подготовки плазмы крови больных, страдающих карциномой ЖКТ, для протеомного анализа. В соответствии с целью были поставлены следующие задачи: 1) фракционирование подготовленных проб с помощью гель-фильтрации на различных типах матриц (Sephadex G-75, G-150, G-150 Superfine;

Sepharose CL-6B) с использованием различных буферных систем;

2) электрофоретический анализ фракций, полученных после гель-фильтрации;

3) вырезание из геля зон индивидуальных белков для протеомного анализа.

Образцы крови были предоставлены СПбГМУ им. академика И.П. Павлова и НИИ онкологии им. проф. Н.Н. Петрова. Забор крови осуществляли в вакуумные пробирки, содержащие 3,8% цитрата натрия. Форменные элементы осаждали центрифугированием минут на 4500 g при комнатной температуре. Супернатант, представляющий собой плазму крови, собирали в отдельные пробирки. До проведения гель-фильтрации пробы хранили в морозильной камере при температуре -70о.

Гель-фильтрацию проводили на матрицах, указанных выше. Варьировали условия обработки образцов плазмы, состав буферного раствора для предварительной денатурации белков плазмы и буферного раствора для элюции.

Анализ фракций проводили с помощью белкового гель-электрофореза в полиакриламидном геле (ПААГ) при денатурирующих условиях.

Результаты и выводы.

В результате фракционирования подготовленных образцов плазмы крови с помощью гель-фильтрации показали, что среди различных типов матриц наилучшее разделение белков наблюдается в случае использования матрицы Sepharose CL-6B. Хроматограмма представлена на рис.1. Полученные фракции подвергали электрофоретичекому анализу в ПААГ.

На рис.2 представлены характерные электрофореграммы фракций, соответствующих различному положению (относительно Vo, Vo+Vi и Vt) на рис.1. Видно, что белки выходили из хроматографической колонки в зависимости от их молекулярной массы.

Полученные электрофореграммы показывают, что из-за большого содержания альбумина и IgG в плазме крови, соответствующие им зоны размываются, что мешает интерпретации результата, в частности нахождению белковых зон в интересующем нас диапазоне молекулярных масс, указанном выше.

Рис.1. Хроматограмма гель-фильтрации на матрице Sepharose CL-6B. V0 – свободный объем колонки.

Vi –внутренний объем всех гранул геля. Vt – полный объем колонки.

Рис.2. Электрофорез полученных фракций в 16% ПААГ в присутствии SDS. М – маркер. Числами обозначены номера фракций, соответствующие рис.1.

Интерес представляют две белковые зоны на электрофореграмме 45-ой фракции.

Значения молекулярной массы белков, соответствующих этим зонам, меньше 25 кДа и возможно принадлежат интересующему нас диапазону. Кроме того, на электрофореграмме этой фракции не видно помех со стороны мажорных белков плазмы крови, поэтому вышеназванные зоны планируется вырезать и послать на масс-спектрометрический анализ.

Таким образом, гель-хроматографического фракционирования недостаточно для выделения индивидуальных белков плазмы крови. Одной из причин является наличие в ней большого количества альбумина и иммуноглобулинов. Для избавления от мажорных белков планируется провести аффинную хроматографию, используя в качестве матрицы Blue Sepharose, которая обладает свойством связывать и удерживать молекулы альбумина во время элюции. Для удаления иммуноглобулинов планируется провести обработку образцов сорбцией в статическом режиме на Sepharose с пришитым A-белком.

Исследование поддержано грантом Министерства образования и науки РФ №2.2.1.1/11.16.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Hye-Jung Kim et al // BMB reports, 2008;

41(10): 685- 2. Connie R. Jimeneza et al // Journal of proteomics, 2010;

73: 1873 – 3. Takuji Tanaka et al // Int. J. Mol. Sci. 2010;

11, 3209-3225;

doi:10.3390/ijms УДК 57.085. М.В.Согоян (5 курс, каф. БФ), Р.А.Пантина, к.б.н., н.с. (ОМРБ ПИЯФ РАН) ИЗУЧЕНИЕ СПОНТАННОГО РЕПАРАТИВНОГО СИНТЕЗА ДНК В НОРМАЛЬНЫХ И ЗЛОКАЧЕСТВЕННО ТРАНСФОРМИРОВАННЫХ КЛЕТКАХ Цель работы - предложить и реализовать метод для визуализации спонтанной нестабильности генома в клетках млекопитающих.

Для достижения поставленной цели была разработана система фиксации спонтанно возникающих повреждений комбинацией ингибиторов синтеза ДНК – арабинозидом цитозина (АЦ) и оксимочевиной (ОМ), которая позволила выявить и визуализировать спонтанную нестабильности генома в клетках млекопитающих с помощью флуоресцентных антител к gamma-Н2АХ (белок gamma-Н2АХ образуется в ответ на двунитевой разрыв ДНК).

В ходе выполнения работы была поставлена следующая задача: выявление белка gamma-H2AX в нормальных и злокачественно трансформированных клетках, обработанных ингибиторами синтеза ДНК и гамма-излучением. Для изучения поставленного вопроса выбран метод иммунофлуоресцентного окрашивания клеток антителами к белку gamma H2AX.

Явление спонтанной нестабильности ДНК проявляется в низком уровне репаративного синтеза ДНК, который происходит во время любой фазы клеточного цикла. Под спонтанными повреждениями понимаются любые изменения структуры ДНК, вызванные метаболическими процессами, происходящими в клетке. В результате этих изменений участки ДНК становятся более чувствительными к действию нуклеаз. После нуклеазной атаки в одной из нитей ДНК образуется надсечка, переходящая затем в брешь, за счет частичного гидролиза поврежденного участка ДНК. В норме в клетках при эксцизионной репарации происходит постоянное возникновение таких брешей и их застройка, т.к.

репарация или незапланированный синтез ДНК в клетках может продолжиться без внешнего разрушительного воздействия. Множество факторов, как например, продукты метаболизма клетки, разрушающие целостность структуры ДНК, химическая нестабильность ДНК, случайная атака нуклеаз на нативную ДНК или ДНК с измененной конформацией могут способствовать спонтанной нестабильности ДНК. Трудность в регистрации этих повреждений состоит в том, что спонтанный уровень нестабильности генома в клетках млекопитающих очень низок. Предлагаемая нами система фиксации спонтанно возникающих повреждений ингибиторами синтеза ДНК позволяет не только выявить, но и визуализировать их с помощью флуоресцентных антител к gamma-Н2АХ. Наш метод оценивает спонтанную нестабильность ДНК, блокированием любого участка репаративного синтеза ДНК комбинацией ингибиторов.

Ингибируя процесс репарации, бреши можно стабилизировать, т.е. не давать им застраиваться. Инкубация клеток, остановленных вне S-фазы клеточного цикла, с ингибиторами синтеза ДНК приводит со временем к накоплению в ДНК брешей, которые, возможно, трансформируются в двунитевые разрывы, являющиеся летальными событиями для клетки. Известно, что в клетках, обработанных гамма-излучением, накапливаются двунитевые разрывы, в ответ на которые во многих типах клеток фосфорилируется гистон Н2АX, притягивающий к себе репарационный комплекс белков для исправления повреждений ДНК, как случайных, так и при программируемых разрывах. Нами показано, что при обработке клеток ингибиторами синтеза ДНК также происходит фосфорилирование гистона Н2АX, но повреждения все-таки другого характера, т.к. столько двунитевых разрывов в клетке быть не может.

Гистон H2AX является одним из известных вариантов корового гистона H2A, который в отличие от основного H2A и других коровых гистонов может быть встроен в хроматин в течение всех фаз клеточного цикла, а не только во время S-фазы. Мегабазные участки хроматина, покрывающие двунитевые разрывы, можно визуализировать в ядрах облученных клеток в виде большого количества белка gamma-H2AX с помощью специфических антител к фосфорилированному короткому пептиду, соответствующему C-концу H2AX. Накопление этой формы гистона в области двунитевых разрывов может служить маркером и способствовать индукции и процессинга повреждений ДНК.

Gamma-H2AX помимо фундаментальных исследований репарации ДНК изучается и в других областях, в том числе разработки лекарственных средств, исследовании трансляции, радиационных и экологические исследований. Благодаря своему свойству локализоваться в местах разрывов ДНК вскоре после воздействия и исчезать по завершении репарации, этот белок может быть использован в качестве биомаркера двунитевых разрывов ДНК. В настоящее время гистон gamma-H2AX считается биомаркером рака, так как раковые клетки и клетки опухоли часто демонстрируют высокий уровень содержания этого белка.

В нашей лаборатории было показано, что используемые в экспериментах ингибиторы синтеза ДНК арабинозид цитозина и оксимочевина могут быть успешно использованы для подавления и репарационных процессов в клетках млекопитающих [1], а не только репликативных как считалось ранее. Механизм действия оксимочевины заключается в том, что она подавляет рибонуклеотидредуктазу, блокируя, таким образом, образование предшественников синтеза ДНК. Арабинозид цитозина фосфорилируется в клетках до трифосфата и, включаясь в ДНК вместо дезоксицитидин трифосфата, терминирует рост синтезирующейся цепи. Наиболее же эффективное действие на репарацию оказывает комбинация этих ингибиторов. На основании полученного результата в нашей лаборатории была предложена новая схема противоопухолевой химиотерапии. В основу данной схемы положен известный факт, что во многих злокачественно трансформированных клетках уровень спонтанной нестабильности генома значительно выше и, как результат, они значительно более чувствительны к инактивации комбинацией АЦ и ОМ, чем нормальные клетки. Это позволяет достигать избирательной преимущественной инактивации опухолевых клеток как in vitro, так и in vivo.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Filatov MV, Pantina RA, Noskin LA. Methods for registration of spontaneous DNA instability in mammalian cells. Mutat Res. № 403, 1998 г. с. УДК 616-092. О.В.Харина (4 курс, каф. БФ), И.В.Милюхина (врач клиники НИИЭМ СЗО РАМН), М.Н.Карпенко, к.б.н., доц.

УРОВЕНЬ ИНТЕРЛЕЙКИНА-1 СВЯЗАН С ТЯЖЕСТЬЮ ТЕЧЕНИЯ БОЛЕЗНИ ПАРКИНСОНА Болезнь Паркинсона (БП) – хроническое, прогрессирующее заболевание нервной системы, занимающее одно из первых мест по социальной значимости, фатальности и затратам на лечение среди других нейродегенеративных болезней [1]. В последнее десятилетие нейровоспаление рассматривается как патогенетическое звено в развитии БП.

Было показано, что IL-1B вовлекается в прогрессирование заболевания и является одним из триггеров нейродегенерации [2]. В базальных ганглиях и цереброспинальной жидкости пациентов с БП обнаружен высокий уровень провоспалительных цитокинов (ИЛ1b, ИЛ2, ИЛ4, ИЛ6) Однако данных о связи между уровнем цитокинов в крови в зависимости от формы, тяжести и темпов прогрессирования заболевания практически нет. Таким образом, цель исследования было оценить уровень ИЛ-1 в сыворотке крови и в ликворе пациентов с различной стадией, тяжестью и темпом прогрессирования БП.

Было обследовано 13 пациентов с БП, 5 мужчин, 8 женщин, средний возраст 58 (54-65) лет. Клинические стадии заболевания определяли по шкале Hoehn и Yahr, а тяжесть симптомов – по суммарному баллу шкалы UPDRS. Контрольную группу составили человек: 1 мужчина, 4 женщины, средний возраст 56 (52-63) лет. У всех пациентов осуществлялся забор венозной крови, у 2-х пациентов – спинномозговой жидкости (СМЖ), для последующего определения уровня ИЛ-1 методом ИФА. Оказалось, что у пациентов с тяжелыми стадиями болезни наблюдался более высокий уровень ИЛ-1. Так, у пациентов с 3-й стадией БП показатели уровня ИЛ-1 в 3 раза превышали контрольные значения и были выше, чем у пациентов со 2-й стадией БП, получавших сходную терапию. Уровень ИЛ-1 у пациентов с ранним началом, как и у пациентов с медленным типом прогрессирования не отличался от контроля. Исключив из анализа пациентов с атипичным течением БП, мы выявили значительную связь (r=0.71) между уровнем сывороточного ИЛ-1 и суммарным показателем UPDRS. У двух пациентов со 2-й стадией болезни дрожательной формы помимо сыворотки крови был проанализирован ликвор. Оказалось, что у обоих пациентов уровень ИЛ-1 в крови был в 1,7 раза выше, чем в ликворе. По приведенным результатам можно заключить, что наблюдается связь между уровнем ИЛ-1 в сыворотке крови со стадией и тяжестью клинических проявлений заболевания. Уровень ИЛ-1 у пациентов с ранним началом, как и у пациентов с медленным типом прогрессирования не отличался от контроля.

Исключив из анализа 3-х пациентов с атипично медленным прогрессированием БП, мы выявили значительную связь (r=0.71) между уровнем сывороточного ИЛ-1 и суммарным показателем UPDRS. По приведенным результатам можно заключить, что наблюдается связь между уровнем ИЛ-1 в сыворотке крови со стадией и тяжестью клинических проявлений БП.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Нейродегенеративные заболевания. Фундаментальные и прикладные аспекты. Под редакцией М.В.

Угрюмова. М., «Наука», 2010.

2. Chung YC, Ko HW, Bok E, Park ES, Huh SH, Nam JH, Jin BK. (2010) The role of neuroinflammation on the pathogenesis of Parkinson's disease. BMB Rep. 43(4):225-232.

УДК 576. Л.Л. Чечик (5 курс, БФ), Е.Н. Толкунова, к.б.н. (ИНЦ РАН) ПОЛУЧЕНИЕ LGR5-ИНДУЦИБЕЛЬНОЙ ЛИНИИ ЭМБРИОНАЛЬНЫХ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК МЫШИ Стволовые клетки (СК) обладают способностью к быстрому размножению и дифференцировке в клетки, образующие разные ткани. Во взрослом организме такими свойствами обладают клетки-предшественники, способные дифференцироваться в различные типы клеток – стволовые клетки взрослого организма (СКВ). Они отвечают за способность различных тканей к самообновлению и регенерации. Активное исследование СК (в том числе СКВ) связано как с фундаментальным интересом к механизмам развития организма, так и с надеждами на возможность их использования в регенеративной медицине [1].

Тонкий кишечник покрыт простым эпителием. Эпителий кишечника активно регенерирует в течение всей жизни организма. Процесс обновления идт за счт компартмента СК в зоне основания крипт. Поверхностным маркером для этих клеток считается Lgr5 (Leucine-reach repeat-containing G-protein-coupled Receptor).

Lgr5 – маркерный белок для нескольких типов СКВ, в том числе для СК эпителия тонкого кишечника. Кодирующий его ген является мишеневым для Wnt-сигнального пути, играющего важную регуляторную роль в поддержании мультипотентности СКВ. Доказано, что при подавлении Wnt-сигнального пути СК эпителия кишечника теряют способность к самоподдержанию своей популяции и уходят в терминальную дифференцировку.

Существуют данные, позволяющие предположить, что Lgr5 может играть ключевую роль в поддержании гомеостаза СК эпителия тонкого кишечника [2].

К тому же, недавними исследованиями было показано, что единичные Lgr5-позитивные клетки, отобранные из первичной культуры клеток эпителия тонкого кишечника, способны образовывать органоиды, по морфологии и клеточному составу схожие с исходным органом [3].

Мы предполагаем, что оверэкспрессия Lgr5 в эмбриональных стволовых клетках (ЭСК) может привести к активации механизмов дифференцировки в СК эпителия тонкого кишечника.

Для проверки этой гипотезы необходимо было получить Lgr5-индуцибельную линию ЭСК мыши.

В рамках достижения этой цели мы создали конструкцию LVTHM-Lgr5 и запаковали е в вирус для последующего заражения ЭСК.

Было проведено одновременное заражение ЭСК вирусами, несущими LVTHM-Lgr5 и KRAB-репрессор. Этот репрессор в отсутствие доксициклина связывается с tet-оператором, под контролем которого находится Lgr5 в полученной конструкции.

После заражения мы проводили анализ отдельных клонов методом rtPCR со специфическими праймерами к Lgr5 и KRAB. Отбор клонов, заражнных одновременно обоими вирусами, дат возможность избежать гибели интересующих нас клеток в результате неоптимальных условий культивирования, а также преждевременной дифференцировки. Это необходимо для того, чтобы наработать достаточное количество клеточного материала для дальнейшего эксперимента.

Исследование направления прошедшей дифференцировки будет состоять из нескольких этапов. Во-первых, будет проведена визуальная оценка морфологических изменений. Во-вторых, клетки могут быть подвергнуты проверке на наличие других белков, считающихся маркерными для СК эпителия тонкого кишечника. В-третьих, окончательный вывод возможно будет сделать после функционального теста на способность образовывать органоиды, схожие по структуре с эпителием тонкого кишечника.

ЛИТЕРАТУРА:

1. M.R.Alison, S.Islam. Attributes for adult stem cells. // J Pathol. 2009;

217: 144-160 / Published online November 2008 in Wiley InterScience.

2. N.Barker, H.Clevers. Leucine-Rich Repeat-Containing G-Protein-Coupled Receptors as Markers of Adult Stem Cells. // Gastroenterology Volume 138, Issue 5, Pages 1681-1696, May 2010.

3. T.Sato et al. Single Lgr5 stem cells build crypt-villus structures in vitro without a mesenchymal niche. // Nature Vol. 459, Pages 262-265, 14 May 2009.

СЕКЦИЯ «ГИДРОГАЗОДИНАМИКА»

УДК 532. А.Р.Бачурина (5 курс, каф. ГАД), Е.М.Смирнов, д.ф.-м.н., проф.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВХОДНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ НА РАЗВИТИЕ ВИХРЕЙ ДИНА В ИСКРИВЛЕННОМ КАНАЛЕ Течение в криволинейных каналах являлось и в настоящее время является предметом многих исследований. Особый интерес вызывает изучение вторичного течения в виде вихрей Дина, возникающего в результате наличия кривизны канала. Причиной появления этих вихрей является потеря устойчивости течения из-за наличия области «центробежной»

неустойчивости у внешней стенки криволинейного канала. Определяющим параметром задачи является число Дина, De = (UсрH/)(H/R)1/2 = Re1/2, включающее число Рейнольдса и безразмерный параметр, характеризующий геометрию криволинейного участка канала. В предположении 1 Дин [1] определил критическое значение Dec = 36, при превышении которого возможно образование вихрей.

В настоящей работе исследовалось влияние контролируемых входных возмущений на развитие вторичных течений в форме вихрей Дина при ламинарном движении вязкой несжимаемой жидкости по искривленному каналу. При этом канал полагался бесконечным по размаху (по оси z). Использовалась стационарная постановка задачи.

Геометрия расчетной области представлена на рис.1. Канал состоит из прямого и криволинейного (R = 10) участков, длины которых примерно соотносятся как 1:24. Угол поворота 270°. За линейный масштаб принималась величина H, за масштаб скорости – Uср.

Ставились следующие граничные условия: на гранях, расположенных перпендикулярно направлению размаха канала, налагалось условие симметрии или периодичности;

грани, ограничивающие канал в радиальном направлении – твердые стенки;

на входе в канал задавалось поле скорости с контролируемыми начальными возмущениями: Vx 0, Vy = Vz = 0. Уровень возмущений продольной скорости (синусоидальных неоднородностей по размаху канала) характеризовался величиной.

Рис.1. Геометрия расчетной области и схема течения В работе были использованы расчетные сетки с неравномерным распределением узлов, число которых достигало 400 000, при этом обеспечивалось получение сеточно сошедшегося решения. Для проведения вычислений применялся исследовательский программный пакет FLOS, разработанный на кафедре гидроаэродинамики СПбГПУ.

На этапе предварительных расчетов определялась базовая протяженность Lz расчетной области по размаху канала (оси z). Для этого, при задании условия симметрии по оси z, исследовалось влияние надкритичности De/Dec на течение для области с Lz = 1. Выявлено, что при De = 45 и = 10% формировалось и сохранялось вниз по потоку одиновихревое поперечное сечение, а при De = 190 течение вниз по потоку перестраивалось в двухвихревое.

Как при малых, так и при больших числах Дина на выходе из криволинейного канала имелось не до конца развитое течение. Приближение к развитому течению в обоих случаях происходило в процессе затухающих вдоль по потоку колебаний, с той лишь разницей, что при высоких надкритичностях амплитуда колебаний была на порядок больше. В целях лучшего приближения расчетной модели к реальному течению были проведены вычисления и при увеличенной протяженности Lz, при этом условия симметрии заменялись условиями периодичности. Расчеты при Lz = 4 проводились для = 10%, De = 45, 150. Было установлено, что при малой надкритичности размер одного вихря в направлении оси z составлял единицу, а при большой надкритичности – 0,5 (рис.2). Это учитывалось при выборе Lz на основном этапе работы – исследовании влияния уровня входных возмущений на развитие вихрей Дина: для случая De/Dec = 1,25 использовалась расчетная область с Lz = 1, а для De/Dec = 4,17 – с Lz = 0,5. Расчеты показали, что при малой надкритичности уменьшение приводит существенному росту длины участка развития течения. При большой надкритичности длина участка развития течения практически не зависит величины, если последняя превышает 1%. Это иллюстрируется на рис.3.


Рис.2. Вихри Дина в поперечном сечении канала при = 10%, с Lz = 4 и De = а) б) Рис.3. Графики зависимости радиальной составляющей скорости в точке мониторинга от угла поворота а) при De/Dec = 1,25 и Lz = 1, б) при De/Dec = 4,17 и Lz = 0. ЛИТЕРАТУРА:

1. W.R.Dean. Fluid Motion in a Curved Channel // Proc. of the Royal Society. - A121. - 1928. - P.402-420.

УДК 532. И.И.Исаенко (5 курс, каф. ГАД), Н.Г.Иванов, к ф.-м.н., доц.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВУМЕРНОГО НЕСТАЦИОНАРНОГО ОБТЕКАНИЯ РЕШЕТОК ЦИЛИНДРОВ КВАДРАТНОГО СЕЧЕНИЯ Классические задачи гидродинамики о нестационарном обтекании плохо обтекаемых тел ньютоновской вязкой жидкостью представляют существенный интерес для современных исследователей. Настоящая работа посвящена численному моделированию плоского нестационарного обтекания бесконечной решетки цилиндров квадратного сечения вязкой жидкостью с постоянными физическими свойствами. Цилиндры имеют одинаковую форму и размеры, высота сечения цилиндра равна d, расстояние между соседними цилиндрами равно s/d. Поток направлен перпендикулярно оси решетки. Число Рейнольдса, построенное по высоте цилиндра и скорости набегающего потока, принимается равным Re = 150.

На входной границе расчетной области, расположенной на расстоянии 7.5d от оси решетки задается однородный профиль скорости. На выходной границе, расположенной на расстоянии 30.5d от оси решетки, задается постоянное нормированное давление. На горизонтальных границах, перпендикулярных оси решетки, задаются условия периодичности. На поверхности цилиндров задается условие прилипания.

Геометрическое моделирование и расчеты течения произведены с помощью программного пакета FLOS, разработанного на кафедре гидроаэродинамики СПбГПУ.

Расчеты проводились со вторым порядком точности дискретизации по пространству и времени.

В рамках методического исследования выполнено пять расчетов для одного цилиндра с разным шагом по пространству и 3 расчета с шагами по времени t = 0.05;

0.1;

0.2 также для одного цилиндра. Признано достаточным использовать равномерный шаг по пространству x = 0.0625 (16 ячеек на единицу длины), шаг по времени t = 0.1. Далее проведено расчетов при выбранных величинах дискретизации по пространству и времени с числом цилиндров от 1 до 5. Выявлено, что количество цилиндров, включаемых в расчетную область, оказывает заметное влияние на структуру течения, а также амплитуды и частоты сил, действующих на цилиндр. В то же время на среднее значение силы сопротивления число цилиндров влияет слабо.

Параметрическое исследование влияния расстояния между цилиндрами на получаемое решение проводилось при значениях интервала s/d между ними 2, 3, 4 и 6. Картины обтекания при s/d = 4 и s/d = 6 представлены на рис. 1. В ходе параметрических расчетов использовалась расчетная область, включающая 5 цилиндров.

При значении s/d = 4 наблюдался противофазный режим схода вихрей с поверхностей цилиндров, при этом было замечено влияние заданных граничных условий периодичности. В случае s/d = 2 основным являлся режим синхронизированного по фазе схода вихрей с любых соседних цилиндров. Переходные (несинхронные) режимы наблюдались при значениях s/d = 3 и s/d = 6. В первом случае происходил переход от противофазного режима к синфазному, во втором – к режиму независимого обтекания каждого из цилиндров.

На рис. 2 приведены зависимости числа Струхаля St, выражающего безразмерную частоту схода вихрей, и максимального значения коэффициента подъемной силы CL и среднего значения коэффициента сопротивления CD от интервала s/d, определенные по результатам проведенных расчетов, в сопоставлении с данными работы [1], полученными при том же значении Re. Здесь же построены кривые St и CD, полученные в [2] на основании систематических расчетов, проведенных при меньшем значении числа Рейнольдса, Re = 80.

Рис. 1. Поле завихренности при обтекании решетки цилиндров. Слева: s/d = 4, справа: s/d = Рис. 2. Зависимости числа Струхаля St, коэффициента сопротивления CD и коэффициента подъемной силы CL от интервала между цилиндрами s/d:

«» - настоящие расчеты, «» - данные расчетов [1], кривые – обобщение данных [2] Значения чисел Струхаля, полученные в настоящей работе, выше значений из [2] примерно на 10%, что, по всей видимости, следует отнести на различия в значениях числа Рейнольдса. В то же время качественный характер зависимости числа Струхаля от расстояния s/d аналогичен представленному в [2]. Согласие результатов расчетов с данными [1] по St и CD следует признать вполне удовлетворительным, в то же время имеет место заметное различие в рассчитанных значениях подъемной силы. Отметим, что зависимости частоты схода вихрей, подъемной силы и силы сопротивления от s/d имеют асимптотический характер, при s/d кривые выходят на значения, характерные для обтекания одиночного цилиндра.

ЛИТЕРАТУРА:

1. D. Chatterjee, G. Biswas, S. Amiroudine. Numerical simulation of flow past a row of square cylinders for various separation ratios. // Computers & Fluids. - Vol. 39. - 2010. - P.49-59.

2. Kumar S.R., Sharma A., Agrawal A. Simulation of flow around a row of square cylinders. // J. Fluid Mech. - Vol. 606. - 2008. - P.369-397.

УДК 519. Г.А.Ковалев (5 курс, каф. ГАД), А.Г.Абрамов, к.ф.-м.н., доц.

ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СВОБОДНО РАСПРОСТРАНЯЕМЫХ БИБЛИОТЕК ДЛЯ РЕШЕНИЯ СИСТЕМ ЛИНЕЙНЫХ АЛГЕБРАИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ С ПЛОТНЫМИ И РАЗРЕЖЕННЫМИ МАТРИЦАМИ Численное моделирование ресурсоемких задач из самого широкого круга областей знаний подразумевает решение больших систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) с матрицами нерегулярной структуры. К решению таких систем в значительной степени сводятся вычислительные алгоритмы, основанные на дискретизации дифференциальных уравнений в частных производных, к которым относятся и алгоритмы вычислительной гидрогазодинамики. Разработка новых и эффективное применение существующих итерационных алгоритмов решения СЛАУ, в том числе параллелизованных и исполняющихся на многопроцессорных платформах, остается крайне актуальной задачей в области современных вычислительных методов.

На протяжении последнего времени в целом ряде научных и учебных организаций, а также в коммерческих компаниях по всему миру ведутся работы по созданию и совершенствованию специализированных библиотек линейной алгебры, которые включают в себя наборы подпрограмм, реализующих различные методы решения СЛАУ, и сопутствующие матричные и векторные алгоритмы. Такие библиотеки позволяют разработчикам при написании собственных программ применять готовые, отлаженные, прошедшие широкое тестирование и реализованные в виде подпрограмм вычислительные алгоритмы, что повышает надежность программ и снижает затраты на их разработку. Кроме того, «готовые» подпрограммы, реализующие достаточно сложные вычислительные алгоритмы, и широкий опыт их использования могут оказаться весьма полезными при практическом обучении численным методам линейной алгебры в рамках соответствующих учебных дисциплин.

Целью работы являлось освоение нескольких наиболее развитых свободно распространяемых библиотек линейной алгебры и приобретение практических навыков и содержательного опыта их использования применительно к решению СЛАУ с плотными и разреженными матрицами.

По результатам проведенного предварительного анализа для обстоятельного практического освоения были выбраны библиотеки: LAPACK [1], ScaLAPACK [2] и PSBLAS [3]. Данные библиотеки являются свободно-распространяемыми, написаны на языке программирования Fortran, обладают достаточно развитой документацией, имеют возможность параллельного выполнения на многопроцессорных компьютерах (ScaLAPACK и PSBLAS), позволяют решать СЛАУ с плотными и разреженными матрицами (PSBLAS – на основе развитых итерационных методов подпространств Крылова).

Для приобретения практического опыта использования библиотек были задействованы входящие в состав библиотек, а также специально разработанные программы решения СЛАУ с плотными и разреженными матрицами, использующими вызовы вычислительных процедур из соответствующих библиотек. Специальное внимание было уделено анализу работоспособности и эффективности различных итерационных методов Крылова решения СЛАУ [4] из библиотеки PSBLAS на примере тестовых разреженных матриц, заимствованных из известного проекта Matrix Market (http://math.nist.gov/MatrixMarket/). По итогам проведенных исследований методов решения СЛАУ с тестовыми матрицами, структура которых типична для задач вычислительной гидрогазодинамики, наиболее эффективными из реализованных в библиотеке методов были признаны метод бисопряженных градиентов и стабилизированный метод сопряженных градиентов при использовании ILU-предобусловливателя.

На рис. 1 (слева) показаны типичные кривые истории сходимости итерационного процесса для метода бисопряженных градиентов при использовании разных типов предобусловливателей. Сходимость итерационного процесса имеет неустойчивый характер, что соответствует известным литературным данным [5]. Использование стабилизированных версий методов Крылова позволяет получить существенно более плавный характер истории сходимости.

Рис. 1. Сходимость метода бисопряженных градиентов (ВiCG) (слева) и зависимость ускорения от числа ядер (справа);

CGS – стабилизированный метод сопряженных градиентов, RGMRES – обобщенный метод минимальных невязок с перезапуском итераций На следующем этапе была разработана распараллеленная программа численного решения двумерного уравнения Пуассона, использующая подпрограммы решения СЛАУ из библиотек ScaLAPACK и PSBLAS. Программа позволяет решать уравнение Пуассона с возможностью задания различных правых частей и граничных условий первого и второго рода. На ее основе было проведено исследование эффективности параллелизации различных методов решения СЛАУ на многопроцессорной архитектуре. Полученные показатели ускорения для трех разных итерационных методов показаны на рис. 1 (справа).


По результатам проведенных исследований на основе исходных англоязычных текстов была разработана техническая документация по практическому использованию библиотек, обобщен технологический и методический опыт работы, написана серия программ и процедур на языке Fortran, которые можно применять в качестве шаблонов при создании собственных программ. Разработанные материалы могут оказаться полезными при практическом обучении современным численным методам решения СЛАУ, а также при освоении более сложных и развитых библиотек, таких как PetSC и Trilinos.

ЛИТЕРАТУРА:

1. LAPACK Users' Guide. http://www.netlib.org/lapack/lug/.

2. ScaLAPACK Users' Guide. http://www.netlib.org/scalapack/slug/.

3. PSBLAS. User's and Reference Guide. http://www.ce.uniroma2.it/psblas/UserGuide-2.4.0/.

4. Y.Saad. Iterative Methods for Sparse Linear Systems. Second edition. - SIAM, Philadelphia, 2003.

5. R.Barrett, M.Berry, T.F.Chan, et al. Templates for the Solution of Linear Systems: Building Blocks for Iterative Methods. Second edition. - SIAM, Philadelphia, 1994.

УДК 519.63:532.5:533. В.В.Михайлов (5 курс, каф. ГАД), Д.Б.Смирнов, к.т.н., доцент ПРИМЕНЕНИЕ АЛГЕБРАИЧЕСКОГО МНОГОСЕТОЧНОГО МЕТОДА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ДЕФОРМАЦИИ НЕСТРУКТУРИРОВАННЫХ СЕТОК НА ОСНОВЕ ЛИНЕЙНОЙ ТЕОРИИ УПРУГОСТИ.

При численном моделировании нестационарных течений в областях с подвижными или деформирующимися границами требуется соответствующим образом модифицировать расчетную сетку. Такие течения возникают при расчетах конструкций, геометрия которых меняется во времени под действием различных сил (колебания крылового профиля, поворот лопатки в турбине и т.д.).

Существует множество алгоритмов деформации сеток. В первую очередь, их различают по типам расчетных сеток. Если сетка является структурированной, то могут быть использованы простые интерполяционные схемы. Если вычислительная сетка неструктурированная, то, как правило, требуется привлечение более сложных методов, таких как пружинная аналогия, решение (би)гармонических уравнений, метод наименьших квадратов, интерполяционные методы.

В настоящей работе рассматривается метод деформации расчетной сетки, основанный на модели эластичного тела, описывающей деформацию с помощью линейной теории упругости. Выбор этого метода обусловлен учетом связи между компонентами вектора перемещений узлов расчетной сетки, что должно обеспечить качественный результат.

Поскольку данный метод связан с решением системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) большой размерности, важным и основным аспектом работы являлся выбор и эффективная реализация численного метода решения СЛАУ.

В основе математической формулировки метода лежат дифференциальные уравнения линейной теории упругости с граничными условиями первого рода. Для решения этой задачи использовался метод конечных элементов с кусочно-линейной аппроксимацией для полиэдральных ячеек.

Поскольку матрица СЛАУ, получаемая при аппроксимации, является симметричной положительно-определенной, то для решения СЛАУ был выбран метод сопряженных градиентов для переменного предобусловливателя IPCG. В качестве предобусловливателя использовался алгебраический многосеточный метод (AMG), основанный на агрегации [1].

Отличительной особенностью рассматриваемого AMG метода является то, что построение матриц грубых уровней производится путем агрегации, основанной на принципе сильной отрицательной связи. Получаемые при этом операторы продолжения не являются оптимальными в том смысле, что не обеспечивают точную интерполяцию полиномов степени, как это требуется в теории многосеточных методов. Поэтому в методе используется не классический V-цикл, а так называемый K-цикл, в котором на каждом уровне дополнительно производится 1 или 2 итерации Крыловского типа.

Данный алгебраический метод был реализован в виде программного модуля на языке C++. Верификация кода была произведена на ряде задач, имеющих аналитическое решение.

Тестовые расчеты продемонстрировали эффективность AMG K-цикла и его преимущество перед V-циклом. В частности, при решении уравнения Пуассона с граничными условиями первого рода на сетке с 263169 узлами временной проигрыш V-цикла относительно K-цикла составил 150%, на сетке с 1050625 узлами – около 250%. Следует отметить, что K-цикл является почти оптимальным в том смысле, что время получения решения растет пропорционально увеличению размерности задачи.

Для анализа эффективности AMG метода в качестве эталонного предобусловливателя для уравнения Пуассона был реализован геометрический многосеточный метод. Результаты сравнения показали временной проигрыш AMG K-цикла на 60-70% для сеток от 1089 до 1050625 узлов. Однако, вследствие несравненно большей универсальности алгебраического метода, этот проигрыш можно считать некритичным, а AMG K-цикл – достаточно эффективным.

Программный модуль, реализующий AMG К-цикл, был внедрен в программный комплекс, разработанный на кафедре гидроаэродинамики СПбГПУ для решения задач деформации неструктурированных сеток, и показал свою работоспособность на ряде демонстрационных примеров.

ЛИТЕРАТУРА 1. Y.Notay. An aggregation-based algebraic multigrid method // Numerical Analysis. - Vol.37. - 2010. P. 123-146.

УДК 536. В.В.Артемьев (5 курс, каф. ГАД);

А.С.Михальчук, вед. инженер, ОАО «Производственная фирма КМТ – Ломоносовский опытный завод»

МЕТОДИКА РАСЧЕТА КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ОКОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ Цель работы заключалась в разработке методики расчета коэффициента теплопередачи оконных конструкций. Объектами исследования являлись различные оконные конструкции, изготавливаемые на предприятии «Производственная фирма КМТ». Численное моделирование теплообмена в моделях оконных изделий проводилось с использованием пакета ANSYS Multiphysics.

В работе рассмотрены следующие оконные изделия: однокамерный энергосберегающий стеклопакет, двухкамерный энергосберегающий стеклопакет с низкоэмиссионным мягким покрытием, однокамерное энергосберегающее окно с низкоэмиссионным мягким покрытием, называемое «глухим» окном, однокамерное энергосберегающее окно с низкоэмиссионным мягким покрытием с форточкой, называемое «форточным» окном. Конструкция стеклопакета в «глухом» и «форточном» окнах одинакова. Исследуемые оконные изделия в качестве наполнителя межстекольных камер стеклопакетов содержали осушенный воздух и аргон. Каждая модель оконного изделия условно разбивалась на сборки: центральную и две боковые, для которых определялись коэффициенты теплопередачи. Используя полученные величины коэффициентов теплопередач для сборок, определялся коэффициент теплопередачи оконной конструкции. В частности, для центральной сборки возможно определение коэффициента теплопередачи, используя поперечное сечение этой сборки.

Методика расчета коэффициентов теплопередачи разрабатывалась с использованием [1, 2]. Теплообмен за счет теплопроводности и радиационный теплообмен моделировались в ANSYS Multiphysics непосредственно. Процессы конвективного теплообмена учитывались путем введения поправки в коэффициент теплопроводности газа в межстекольной камере по формуле k = Nu, где к – коэффициент теплопроводности газа с учетом поправки, Вт/(мK);

Nu – число Нуссельта;

– коэффициент теплопроводности газа при средней температуре в межстекольном пространстве, Вт/(мK). Число Нуссельта вычислялось по корреляционной формуле Nu = 0.035(GrPr)0.38, где Gr = (gs3T)/(2Tg) – число Грасгофа, Pr = cp/ – число Прандтля. Здесь где g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения;

s – толщина заполненного газом межстекольного пространства, м;

T – разность температур между граничными поверхностями межстекольного пространства, K;

– коэффициент кинематической вязкости газа, м2/с;

Tg – средняя температура газа в межстекольном пространстве, K;

c – удельная теплоемкость газа, Дж/(кгK);

– плотность газа, кг/м3. При определении чисел Gr и Pr свойства газов принимались соответствующими Tg.

Граничные условия на поверхностях модели представляли граничные условия третьего рода для внутренней и внешней сторон моделей с коэффициентами теплоотдачи и температурами сред, определенными на основе [1]. Для межстекольных газов величина коэффициента теплопроводности предполагалась зависящей от температуры, для остальных материалов задавались постоянные значения коэффициентов теплопроводности.

На основе температурных полей, рассчитанных с использованием ANSYS Multiphysics, определялись значения коэффициентов теплопередачи сборок, которые использовались для отыскания значений коэффициентов теплопередачи конструкций, представленных в табл. 1.

Из табл. 1 видно, что использование аргона в качестве наполнителя межстекольного пространства стеклопакета приводит к уменьшению коэффициента теплопередачи оконного изделия. Причина этому – меньшее значение коэффициента теплопроводности аргона по сравнению с осушенным воздухом. Для однокамерного стеклопакета значение коэффициента теплопередачи больше, чем для двухкамерного стеклопакета. Это объясняется меньшей конвективной составляющей теплового потока через стеклопакет в случае двухкамерного стеклопакета.

Рассмотренная методика позволяет определить достоверные значения коэффициентов теплопередачи оконных изделий [3]. Она может быть использована и для других строительных конструкций, в частности для дверей.

Таблица 1. Значения коэффициента теплопередачи k, Вт/(м2K) Наименование конструкции Наполнитель межстекольного Двухкамерный Однокамерный «Глухое» «Форточное»

пространства стеклопакет стеклопакет окно окно Аргон 1,2 1,3 1,6 1, Воздух 1,4 1,4 1,8 1, ЛИТЕРАТУРА:

1. СТБ ЕН 673-2007 Стекло в строительстве. Определение коэффициента теплопередачи (значения U). Метод расчета.

2. ГОСТ 31364 Стекло с низкоэмиссионным мягким покрытием. Технические условия.

3. ГОСТ 24866 Стеклопакеты клееные строительного назначения. Технические условия.

УДК 533.6. О.А.Гальченко, Е.С.Ивонин, Н.С.Юркина (4 курс, каф. ГАД), С.В.Юркин, к.ф.-м.н., техн.дир. ООО «НПП Иста»

МОБИЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛЕТА ТЕЛ СФЕРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ В АТМОСФЕРЕ: РАЗРАБОТКА И ОТЛАДОЧНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ При ударах выдающихся футболистов скорость движения мяча может достигать значений 30-50 м/с, соответствующих числам Рейнольдса порядка 105. Известно, что при таких условиях за счет действия различных факторов траектория мяча может быть весьма сложной. Так, статья [1] посвящена рассмотрению усложненной траектории вращающегося мяча в условиях действия силы Магнуса. Авторам неизвестны работы, посвященные исследованию траекторий полета мяча при отсутствии вращения. Таким образом, моделирование полета тел сферической формы в атмосфере представляет весьма актуальную задачу.

На основе расчетных данных, представленных в [2], была спроектирована и изготовлена мобильная баллистическая установка для исследования полета тел сферической формы со скоростями на срезе ствола до 60 м/с. Установка содержит ресивер, соединенный через клапан со стволом, внутрь которого помещается мяч. Основные параметры установки:

объем ресивера – 10 л, давление в ресивере до 1,0 МПа, длина ствола – 100 мм, масса установки – 5,4 кг, диметр проходного сечения клапана – 40 мм, время открытия клапана – 1 мс. Фотография установки представлена на рис. 1.

Рис. 1. Мобильная установка для исследования полета тел сферической формы В серии отладочных экспериментов измерялось давление в ресивере до пуска и скорость вылетающего из ствола мяча. Измерения скорости осуществлялись тремя способами: времяпролетным методом, с помощью скоростной съемки, а также допплеровским радаром. Было выявлено согласие значений, полученных двумя первыми методами, при этом измерений результаты измерений по допплеровскому методу существенно отличаются. Экспериментальные значения скорости во всех опытах превысили расчетные, что объясняется грубостью газостатической модели расчета, которая не учитывает неравномерность распределения давления сжатого воздуха в пространстве и времени.

На рис. 2 представлен график зависимости скорости на срезе сопла от давления в ресивере. Видно, что разработанная мобильная установка обеспечивает разгон мяча в интересующем практиков диапазоне скоростей. Видно, что зависимость скорости от давления в ресивере близка к линейной, на данном этапе дисперсию результатов следует признать удовлетворительной.

V, м/с p, атм Рис. 2. Экспериментальные данные измерения скорости на срезе ствола времяпролетным методом ЛИТЕРАТУРА:

1. G.Dupeux, A.Le Goff, D.Quere, C.Clanet. The spinning ball spiral // New Journal of Physics. - Vol. 12. 2010. doi:10.1088/1367-2630/12/9/ 2. В.В.Григорьев, С.Н.Исаков, Р.Л.Петров, С.В.Юркин. Газодинамическое исследование пневматического линемета // Журнал технической физики. - 2006. - Том 76, вып.3. - Стр.75-80.

УДК 533.6. М.А.Лапина, Е.А.Пивоварова (4 курс, каф. ГАД), А.С.Чернышев, н.с., ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН МОДИФИКАЦИЯ НАБЕГАЮЩЕГО ПОТОКА С ЦЕЛЬЮ УПРАВЛЕНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Исследования в области управления сверхзвуковыми летательными аппаратами представляют большой практический и научный интерес, как в силу прогресса в области авиастроения, так и из-за сложности рассматриваемых явлений. Локальное энерговыделение в набегающем потоке является одним из способов контроля обтекания тела. В натурных экспериментах энерговыделение организуется с помощью фокусирования лазерного луча, микроволнового излучения, либо электрическим пробоем вблизи тела. Энергия, необходимая для достаточного разогрева газа, высока, а характерное время процесса мало, что создает большие трудности при проведении экспериментов. С учетом сказанного, численное моделирование представляется хорошей альтернативой натурному эксперименту.

Численные эксперименты проводились с использованием пакетов с открытыми исходными кодами. Для построения сетки использовалась CAD/CAE система SALOME, включающая в себя модули для построения геометрии и неструктурированных расчетных сеток. Расчет течения был выполнен в пакете OpenFOAM, в котором реализованы возможности расчета сверхзвуковых течений сложной структуры. Используемая математическая модель включает в себя уравнения Навье-Стокса, дополненные уравнением сохранения энергии и уравнением состояния. Локальное энерговыделение задается выделением небольшой зоны на входном граничном условии с повышенной температурой. В рассматриваемой задаче степень перегрева задается в соответствии с работой [1]. На данном этапе работы предполагалось, что течение имеет ламинарный стационарный характер.

Для простоты предполагается, что течение осесимметрично. Так как OpenFOAM разработан для исследования трехмерных задач, то расчет течения проводится в вырезанном из цилиндрической области секторе с углом раствора 5°. В расчетной области строится неструктурированная гексагональная сетка со сгущением к поверхности тела и области течения с повышенной температурой, по азимутальной координате область имеет одну расчетную ячейку. На входе в область задаются полное давление, температура и число Маха набегающего потока, на выходе – статическое давление, а на поверхности тела – условие прилипания и температура. Число Маха входного потока – 1.89, температура – 300 K, давление – 102500 Па. Температура в зоне энерговыделения равна 600 K.

При расчете в пакете OpenFOAM использовалась схема дискретизации со вторым порядком точности по пространству. Задача решалась методом установления при помощи PISO алгоритма.

На рис. 1.а и 1.б представлены поля чисел Маха для случаев обтекания тела с учетом энерговыделения и без него. Видно, что в случае с энерговыделением вблизи поверхности тела образуется область малых чисел Маха, что соответствует малой скорости потока.

Можно сделать вывод, что трение на поверхности тела будет меньше по сравнению с обычным обтеканием.

а) б) Рис. 1. Распределение числа Маха при обтекании тела (а) без энерговыделения и (б) с локальным энерговыделением.

В дальнейшем планируется провести расчеты с несимметричным энерговыделением и в нестационарной постановке (импульсное энерговыделение), а также моделируя энерговыделение путем задания трехмерной области в набегающем потоке с источником тепла в этой области [2].

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России (Государственный контракт №02.740.11.0201).

ЛИТЕРАТУРА:

1. O.A.Azarova, D.Knight, Yu.F.Kolesnichenko. Flowfields around Supersonic Aerodynamic Bodies under the Action of Asymmetric Energy Release, Proc. of 4th European Conference for Aerospace Sciences, Saint Petersburg, Russia, July 2011 (CD Proceedings).

2. П.Ю.Георгиевский, В.А.Левин. Управление обтеканием различных тел с помощью локализованного подвода энергии в сверхзвуковой набегающий поток // Изв. РАН: Механика жидкости и газа. - №5. - 2003. - Стр. 154-167.

УДК 534.2:532.517. Н.С.Полякова (6 курс, каф. ГАД), М.С.Грицкевич (аспирант, каф. ГАД), А.В.Гарбарук, к.ф.-м.н., доц.

ЧИСЛЕННОЕ РЕШЕНИЕ АКУСТИЧЕСКОЙ ЗАДАЧИ С ИСТОЧНИКОМ ЗВУКА В ВИДЕ ДВУМЕРНОГО МОНОПОЛЯ Постоянное ужесточение требований к уровню шума в авиации и автомобилестроении стимулировало в последние годы активное развитие вычислительной аэроакустики. Многие вычислительные коды, как академические, так и коммерческие, дополняются акустическим постпроцессором, основанным на методе Фокса Вильямса и Хокингса (ФВХ) [1] – наиболее эффективном из существующих интегральных методов. Этот метод имеет довольно сложную формулировку, особенно при расчете шума в ближнем поле при наличии сносящего потока, поэтому работа по тестированию постпроцессора превращается в отдельную, далеко не тривиальную, задачу. Особую ценность при проведении подобного тестирования представляют задачи, имеющие аналитическое решение. В настоящей работе рассматривается методика тестирования акустического постпроцессора на основе численного решения задачи о точечном гармоническом источнике массы (двумерный монополь), находящемся в однородном дозвуковом потоке [2], а также представлены результаты применения этой методики к коду общего назначения ANSYS Fluent [3].

Рассмотрим точечный гармонический источник массы q Aq / Vq r r0 (t ), где Aq - амплитуда колебаний, r0 - радиус-вектор источника, r - радиус-вектор текущей точки потока, функция r r0 задает пространственную зависимость источника, Vq «эффективный объем» источника, (t) = sin(2ft) - гармоническая функция, f - частота колебаний, r0 - «радиус» источника. В предположении о малости «эффективного объема»

эта задача имеет аналитическое решение p ( 0Q0 / 4 ) exp it Mx / c0 1 M / H 0 r / c0 iMx / r H1 r / c0, где 2 2 (1) 2 (1) 1 M 2, x x 2, y y, r x 2 y 2, H 011 x J 0,1 x iY0,1 x - функции Ханкеля, [2].

Тестирование акустического постпроцессора проводится в два этапа. На первом этапе проводится решение нестационарных уравнений Навье-Стокса на расчетной сетке, обеспечивающей совпадение с аналитическим решением вплоть до положения приемников.

На втором этапе производится расчет акустических характеристик на приемниках при помощи метода ФВХ и его сравнение с аналитическим решением и решением уравнений Навье-Стокса. Совпадение всех трех решений свидетельствует о правильности работы акустического постпроцессора.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
 



Похожие работы:





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.