Astrahan_I.M._i_dr._Professor_Charnyy_I.A

ГОСУДАРСТВЕШIЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСГВЕННАЯ АКАДЕМИЯ НЕФТИ И ГАЗА им. И. М. ГУБКИНА

И. М. АСТРАХАН, К. С. БАСНИЕВ, Г. И. БАРЕНБЛАТТ,

Г. Д. РОЗЕНБЕРГ

ПРОФЕССОР

И. А. ЧАРНЫЙ

(1909-1967)

Москва 1995

УДК 661

Астрахан И. М., Басниев К. С., Баренблатт Г. И., Розенберг Г. Д. Профессор И.· А. Чарный (1909-1967). М.: Нефть н газ, 1995.- 39 с. (Серия: ВыДающиеся

ученые ГАНГ им. И. М. ГубКЮiа. Вып. 9).

Очерк посвящен жизни и творческой деятельноети выдающегося ученого-гид­ ромеханика И. А. Чарного. Творческие интересы И. А. Чарного в течение всей его жизни были тесно связаны с решением задач в области неустановившегося движе­ ния жидкости по трубам, с фундаментальными исследованиями в области подзем­ ной гидромеханики, результаты которых нашли широкое практическое применение при разработке нефтяных и газовых месторождений, с созданием теории использо­

вания горизонтальных и пологозалегающих водоносных пластов для подземных

хранилищ газа.

Приведен список основных трудов, написанных И. А. Чарным в различные периоды его творческой деятельности.

Для студентов, аспирантов и широкого круга .специалистов, занимающихся гидромеханикой.

Редакционная коJIЛегия .

серии «Выдающиеся ученые ГАНГ им. И. М. Губкина•

А. И. Влади.м.иров Т. Д. Гул.яхевич В. Ф. Дунаев С. В. Мещеряхов И. Т. Мищеюсо

В. Е. Попадько

А. Д. Прохоров С. А. Серкеров

О. И. Стеклов В. С. Шейнбаум

Редактор серии - проф. И. Г. Фукс

© Государственная академия нефти и газа им. И. М. Губкина, 1995

КРАТКИЙ ОЧЕРК ЖИЗНИ И ТВОРЧЕСТВА

И. А. ЧАРНОГО

Исаак Абрамович Чарный... Судьба не дала ему возможности пожать плоды своих трудов, а им было посеяно так много!

Исаак Абрамович родился 16 сентября 1909 г. в г. Гамеле в интеллигентной семье. Его отец, Абрам Соломонович Чарный, был

крупным инженером-электротехником. Еще до революции ему

предложили профессуру, но по регламентации, существовавшей в тогдашней, царской России, это было невозможно без обряда

крещения, на который он не согласился.

Мать Исаака Абрамовича, Анна Вениаминовна, была по про­ фессии зубным врачом, однако рано оставила практику, всецещ

отдав себя семье. Ум и доброта сочетались в ней с твердостьк характера, она умело и уверенно направляла семейную ладью. CI н. относился к ней с особой любовью и сильно горевал, когда ее не стало. Семья была дружной и прочной, с твердыми нравственными

правилами. Исаак Абрамович любил своих родителей, брата и

сестру и горячо переживал все события их жизни.

Исаак Абрамович получил прекрасное домашнее воспитание.

Социальное положение помешало ему в то время поступить в

университет сразу после школы. Поэтому вначале он закончил техникум и некоторое время работал слесарем на заводе, о чем

впоследствии часто вспоминал и любил рассказывать своим

ученикам.

В 1927 г. Чарный поступил на физико-математический факуль­ тет Московского университета и окончил его в 1931 г. В одно время с ним учились будущие выдающиеся ученые, в частности М. В. Келдыш, впоследствии Президент АН СССР; из более близких к немуизвестные физики С. Л. Мандельштам, С. М. Ры­

тов и др.

Исаак АбрамовИч пользовался любовью товарищей-студентов, которые дали ему ласковое прозвище <<Изя-чайнию>, со многими из них он сохранил дружеские отношения до конца своих дней.

Еще до окончания университета, в 1929 г., произошло событие,

3

навсегда определившее путь Чарного в науке, - он вошел в круг

учеников Л. С. Лейбензона и стал работать по его предложению

в Московском нефтяном институте. Здесь Исаак Абрамович в 1940 г.

стал профессором, пережил тяжелую эвакуацию, в 1943 г. возглавил

кафедру теоретической механики и гидравлики. В 1946 г. в связи

с переходом в МНИ проф. В. Н. Щелкачева кафедра была

разделена, и Исаак Абрамович возглавил вновь созданную кафедру общей и подземной гидравлики, впоследствии переименованную в

кафедру нефтегазовой и подземной гидромеханики. Исаак Абра­

мович высоко ценил свое положение профессора Нефтяного

института и гордился им, он не раз отклонял весьма лестные

предложения о переходе на другую работу. Параллельна он

длительное время работал в гидродинамической лаборатории ЭНИН, которая затем была перевед.ена в институт механики АН

СССР.

Как и его учитель Л. С. Лейбензон, Исаак Абрамович принад­

лежал к весьма примечательному типу ученых, сложившемуся в

последние десятилетия. До этого инженерное искусство и мате­ матическая механика существовали более или менее обособленно - в их связи не было особой необходимости. Бурное развитие техники, появление технических проблем общегосударственного значения повысили требования к инженерному труду и сделали их крайне

разнообразными. Понадобились гораздо более детальное понимание

явлений, возникающих при работе тех или иных сооружений, и умение более тонкого расчета (именно расчета настоящих изделий, а не воображаемых упрощенных схем). Это вызвало повсеместную необходимость привлечения к практической работе механиков-те- . оретиков высокого класса, обладавших совершенной математиче­ ской подготовкой, в качестве не только консультантов, но и

полноправных участников дела, активно действующих на всех его

этапах.

Может быть, одним из первых ученых т.акого типа был лорд Келвин, однако эта тенденция была впервые сформулирована в

-

Л. Прандтль, Т. фон Карман, Р. фон Мизес и их последователи - сделала значительный вклад в реализацию этой идеи. Россия внесла достойную лепту в формирование этого направления трудами таких ученых, как Н. Е. Жуковский, С. А. Чаплыгин, А. Н. Крылов,

Л. С. Лейбензон, С. П. Тимошенко. Это было впоследствии оце­ нено - достаточно сказать, что С. П. Тимошенко, переехав в CIIIA

и перенеся на американскую почву традиции русской школы подготовки инженеров, удостоился высших степеней признания в

4

американской науке, хотя его вклад собственно в науку в эмиграции

совершенно незначителен.

В русской, а затем и в советской нефтяной и газовой науке роль такого реформатора сыграл ближайший ученик и воспитанник Н. Е. Жуковского, профессор и впоследствии академик Леонид

Самойлович Лейбензон. Следует ясно представить себе преодо­

ленные им трудности. Достаточно сказать, что не существовало журнала, где можно было бы печатать первые теоретические статьи по механике нефти и газа. Подавляющее большинство влиятельных

инженеров отрицало необходимость публикации таких работ в

технических журналах; более того, например, в шрифтах тогдашнего

<(Азербайджанского нефтяного хозяйства>> не было математических

символов интеграла, суммы и т. д., и их приходилось изготовлять

кустарно*. Нужны были громадная мощь ученого, убежденность в

своей правоте, неистощимое трудолюбие, такт и терпение, чтобы

все это преодолеть. Леонид Самойлович все это совершил, и его

имя будет жить вечно, пока существует наша нефтяная наука.

Исаак Абрамович принадлежал к следующему поколению этой

когорты. Почва была отчасти подготовлена, он и его товарищи уже <(стояли на плечах гигантов>>, но и собственные задачи,

выпавшие на долю этого поколения, были гигантскими.

При всем разнообразии научного наследия И. А. Чарного в нем

можно выделить четыре основных направления: тепловые задачи,

неустановившееся движение жидкости по трубам, теория фильт­

рации, подземное хранение газа.

Первые крупные работы Исаака Абрамовича были связаны с

развитием традиционной для Н. Е. Жуковского и Л. С. Лейбензона тематики - теорией неустановившихся движений сжимаемой вяз­

кой жидкости в трубопровод~ Для оценки того, что сделано И. А. Чарным в теории неуста­

новившегося движения жидкости по трубам, необходимо хотя бы кратко остановиться на истории вопроса. В последней четверти XIX века были выполнены отдельные работы по определению скорости звука в трубах (Резаль, Кортевег, Громека, Ламб).

Обширные экспериментальные исследования гидравлического удара

были проведены Карпентером. Однако все эти работы носили

разрозненный характер.

Здесь следует вспомнить добрым словом редактора «Азербайджанского неф­

тяного хозяйства» Николая Андреевича Товстоногова. Не будучи специалистом-ме­ хаником, он проявил удивительную прозорливость и добился публикации работ Л. С.

Лейбензона, отвечая на все возражения словами «Я не понимаю того, что там напи­

сано, но чувствую, что это чрезвычайно важно». Н. А. Товстоногов бесследно исчез в 1937. г., его племянник Г. А. Товстоноговизвестный театральный режиссер.

5

В 1899 году в Бюллетенях Политехнического общества была опубликована статья Н. Е. Жуковского <<0 гидравлическом ударе

в водопроводных трубах>). В этой работе выведены уравнения одномерного неустановившегося движения идеальной слабосжима­ емой жидкости по трубам.

Там же выводятся формулы для определения скорости звука

иповышения давления при гидравлическом ударе - знаменитая

формула Жуковского. Работа Н. Е. Жуковского, ставшая класси­

ческой, послужила началом большого количества исследований по

неустановившемуся напорному течению сжимаемых жидкостей в упругих трубах.

В последующие годы появились работы, в которых в той или

иной мере учитывалось влияние гидравлических потерь на неуста­

новившееся движение жидкости, т. е. эффекты, связанные с ее вязкостью. Все эти исследования объединены общей идеей: учет

вязкости с помощью тех или иных поправок, вводимых в решения,

полученных для напорного неустановившегося течения идеальной

жидкости.

Проблема учета сил трения непосредственно в уравнениях

напорного движения вязкой слабосжимаемой жидкости была решена А. И. Чарным. Для малых дозвуковых скоростей им были получены

уравнения движения в виде

(1)

где w -средняя в сечении скорость течения жидкости; 'tкаса- ­

тельное напряжение на стенке трубы; о - гидравлический радиус;

р - давление жидкости; р - ее плотность; с - скорость звука в

трубе; х - координата; t - время.

Система уравнений (1) содержит три неизвестных: р, w, 't,

т. е. является незамкнутой. Для ее замыкания автор использовал

гипотезу квазистационарности, предложенную С. А. Христианови­

чем и заключающуюся в предположении: напряжение трения на

стенках трубопровода при неустановившемся течении зависит только от мгновенной средней в сечении скорости течения

жидкости, и эта зависимость имеет тот же вид, что и при

установившемся движении.

И. А. Чарный, по-видимому, сам понимал слабые стороны

предложенной гипотезы. В своей книге <<Неустановившееся движе­

ние реальной жидкости в трубах>) он пишет: <<Строгое о.боснование

этого допущения весьма затруднительно, и оправдывается оно, в

общем, удовлетворительным согласием теории и опыта>).

6

Впоследствии Чарным и его учениками было показано, что в

общем случае гипотеза квазистационарности неверна и имеет лишь

ограниченное применение. Однако для относительно медленных процессов, а также в тех случаях, когда требуется определить

максимальное повышение давления, а закон нарастания давления

во времени не имеет особого значения, эта гипотеза вполне

применима для выполнения инженерных расчетов.

С помощью известного соотношения

где Л - коэффициент гидравлического сопротивления в формуле Дарси-Вейсбаха, уравнения (1) были преобразованы.

Для того чтобы иметь возможность получать аналитические решения, И. А. Чарный линеаризовал нелинейный член в получен­ ных уравнениях. Последующие расчеты показали, что если коле­ бания скорости не слишком велики, то такая линеаризация вполне

допустима.

Окончательно уравнения неустановившегося движения слабо­ сжимаемой жидкости по трубам И. А. Чарный представил в виде

Им же были указаны некоторые способы вычисления коэффи­

циента 2а.

Для неустановившегося движения газа были получены анало­

гичные уравнения.

Уравнения (2) И. А. Чарнога широко используются и в зару­

бежной литературе, однако, как правило, без упоминания имени

автора.

Линеаризованные уравнения (2) были использованы И. А. Чар­

ным для решения ряда практических задач, что характерно для

его творчества.

К важнейшим из рассмотренных вопросов относятся гидравли­

ческий удар в простом и разветвленном трубопровод~ неустано­

вившееся движение в длинных трубо- и газопроводах с большим

затуханием, случаи малого затухания, пусковые режимы насосных

установок, расчет гасителей колебаний. Специально изучены случаи периодических колебаний и в связи с этим задачи о наддуве

поршневых компрессоров и двигателей внутреннего сгораНия,

7

совместная работа поршневых и центробежных компрессоров и ряд других проблем.

Рассмотрению всех этих вопросов присущи общие черты:

практическая значимость, использование разумных оценок для

упрощения полученных решений, сопоставление теоретических

результатов (там, где это возможно) с экспериментом. Уравнения (2) были использованы и для решения задач, не

имеющих прямого отношения к движению жидкостей в трубах, таких, как вибрация щитовых затворов гидротехнических сооруЖе­ ний и колебания штанг глубинных насосов.

Чарный решил большое количество разнообразных технических задач, связанных с системой уравнений (2), их изложение можно найти в его монографии, вышедшей в 1951 г. и впоследствии переизданной с обстоятельным комментарием Г. Д. Розенберга. Поучительно, как это все сделано. Дело здесь не столько в идее,

она достаточно проста, если говорить о математической стороне

вопроса. Важно, что получили исчерпывающее решение многооб­

разные технические задачи, на самом деле нужные; причем условия

применимости предложенного приближенного подхода всякий раз тщательно анализировались; обсуждались также оптимальные

варианты линеаризации, в возможных случаях проведено тщатель­

ное сопоставление с экспериментом. В результате получилась

весьма полная инженерная теория для важного класса практических

задач, постоянно применяемая и в настоящее время. СледУет

отметить, что аналогичная схема была параллельна развита Чарным для газопроводов. С этой проблематикай был связан такЖе ряд гидротехнических задач; по ней он защитил кандидатскую и докторскую диссертации; немало работ в этом направлении

выполнили впоследствии его ученики.

При всем интересе и важности этих работ они не·были главным делом Исаака Абрамовича. Эта тематика занимала его основное время примерно до 1943 г.; параллельна он изучал некоторые задачи транспорта и хранения нефтепродуктов. Но уже близилась пора, когда И. А. Чарный займется одним из действительно главных дел своей жизни. В стране в это время открываются одно за другим новые крупные нефтяные месторождения и встает необходимость рациональной их разработки. В 1940 г. А. П. Крылов, М. М. Гло­ говский и Б. Б. Лапук выдвигают новый, <<комплексный>> принцип разработки, основанный на идее применения для рациональной разработки синтеза различных наук, в том числе подземной гидродинамики. В конце 1942 г. в МНИ было создано возглавленное А. П. Крыловым проектно-исследовательское бюро (знаменитый ПИБ - прообраз будУщего ВНИИнефтегаза), которому была

8

поручена практическая реализация этого принципа на конкретных

объектах. При ПИБ начинает работать семинар, в котором активно

участвуют П. Я. Полубаринова-Кочина, П. М. Белаш, М. М. Гло­

говский, Б. Б. Лапук и др. Призванным главным теоретиком ПИБ становится Исаак Абрамович. В 1944 г. возникает проблема, которой было суждено сыграть значительную роль в истории советской нефтяной науки и техники: открываются месторождения девонской нефти в Башкирии (Туймазы). Громадные запасы и огромная нефтеносная площадь делают этот район одним из богатейших месторождений мира. Вместе с тем становится ясным, что

разработка этих месторождений обычными, принятыми до того

времени методами отодвинет их освоение на многие десятки лет

ипотому невозможна.

Инженерами предлагается новое смелое решение - разраба­

тывать Туймазы с применением так называемого законтурного

заводнения. Это потребовало развития принципиально новых

методов расчета. Чарный откликнулся на эту проблему серией работ, посвященных расчету притока нефти к скважинам в залежах различной формы, наивыгоднейшей расстановке скважин в пластах, расчету сроков обводнения скважин, а также расчету нагнетатель­

ных скважин и т.д.

Работа над схемой разработки Башкирских месторождений изобиловала многими событиями, подчас драматическими. Так,

например, случилось, что первая нагнетательная скважина со­

вершенно не приняла воду. Отчаянная телеграмма из Туймазов

многих привела в смятение; нашлись люди, утверждавшие ({<Мы

это всегда говорили!»), что -она и не могла принять воду, так

как для этого необходимы громадные давления, способные

преодолеть чудовищную инерцию миллионов тонн окружающей

воды. А. П. Крылов срочно выехал в Туймазы и со свойственной

ему тщательностью проследил весь путь воды от источника до

скважины. Выяснилось, что подкисление усердными химиками

воды привело к коррозии скважины и образовавшаяся ржавчина закрыла поры. Когда скважину очистили и воду перестали окислять, скважина приняла воду точно по расчету!

Эта работа была серьезным испытанием и школой для ученых; она завершилась успешно и получила признание: И. А. Чарному и его товарищам (А. П. Крылову, М. Ф. Мирчинку, М. М. Глогов­ скому и Н. М. Николаевскому) присуждается Сталинская премия в 1949 г. А. П. Крылов стал после этого особенно близок Исааку Абрамовичу; он говорил иногда: <<Если мне будет нечего делать,

пойду к Петровичу и попрошу задачу)>.

9