Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В соответствие с заявленным в проекте планом работы на 2019 год были созданы экспериментальные установки и построены математические модели для исследования термогидродинамических процессов, протекающих в дисперсных системах при тепловом воздействии в условиях конвективного перемешивания. С использованием экспериментальных исследований и численного моделирования были детально исследованы процессы расслоения дисперсных систем (суспензий и эмульсий) при вынужденной и естественной конвекции в замкнутых ячейках и каналах. I. Экспериментальное исследование процесса расслоения дисперсных систем в ограниченном пространстве. Моделирование гравитационного осаждения дисперсных частиц в вязкой жидкости проводилось с помощью экспериментальной установки, основной частью которой является специально разработанная экспериментальная ячейка, выполненная из монолитного поликарбоната и состоящая из двух полостей, разделенных перегородкой. Исследование осаждения дисперсных частиц проводилось в прямоугольной вертикальной полости с внутренними размерами 50×50×2 мм, равномерный нагрев которой происходил с помощью поддержания температуры в соседней полости размером 50×50×10 мм за счет циркуляции воды, подогреваемой с помощью термостата. В качестве дисперсной системы использовалась грубодисперсная суспензия твердых сферических частиц (средний радиус 0,326 мм) в глицерине. В результате проведения серии из тридцати экспериментов получена зависимость времени полного расслоения дисперсной системы от начальной концентрации частиц при различных температурах. При повышении температуры суспензии, влияние концентрации частиц на время их полного оседания становится слабовыраженным, так как время оседания частиц слишком мало. Обнаружено, что при увеличении объемной концентрации частиц время полного расслоения дисперсной системы уменьшается. Это объясняется тем, что при высокой концентрации дисперсных частиц происходит их объединение (коагуляция) в небольшие кластеры, которые оседают с большей скоростью, чем отдельные частицы. II. Экспериментальное исследование процесса расслоения дисперсных систем в условиях вынужденной конвекции. Для изучения процесса расслоения дисперсных систем при вынужденной конвекции были собраны две экспериментальные установки. В первой установке используется специально разработанная конвективная ячейка, изготовленная из монолитного поликарбоната, с внутренними размерами 50×50×10 мм и отверстиями для притока и оттока жидкости. Движение дисперсной системы в ячейке осуществляется за счет градиента давления, создаваемого с помощью воздушного компрессора. Основным элементом второй экспериментальной установки является плоский канал прямоугольного сечения, изготовленный из монолитного поликарбоната. С внутренними размерами 500×40×2 мм. Избыточное давление во входной емкости создается с помощью воздушного компрессора. Для предотвращения преждевременного расслоения дисперсной системы и создания равномерной концентрации во входной емкости было установлено перемешивающее устройство. Все элементы системы соединялись между собой с помощью системы трубок с шаровыми кранами. Результаты фиксировались с помощью видеокамеры. В качестве дисперсной системы использовалась та же грубодисперсная суспензия твердых сферических частиц в глицерине, что и выше. При выбранном градиенте давления в нижней части конвективной ячейки наблюдаются угловые вихри. Часть частиц, попадая в ячейку, конвективными потоками уносятся вверх. В областях, в которых скорость конвективного течения ниже скорости оседания частиц, происходит разделение дисперсной системы. Эксперименты по моделированию течения жидкости с диспергированными частицами в канале проводились при различных значениях давления во входной емкости с 5% об. суспензией. На выходе из ячейки было атмосферное давление. Получены картины распределения твердых частиц в потоке жидкости в канале в различные моменты времени при разных перепадах давления. Показано, что в изотермических условиях в зависимости от соотношения скорости потока и характерной скорости осаждения твердых частиц возможны различные режимы расслоения дисперсных систем. Исследования в данном направлении с учетом неизотермичности процессов позволят повысить эффективность разрабатываемых установок электромагнитного воздействия на эмульсионные системы. III. Экспериментальное исследование и численное моделирование процесса расслоения дисперсных систем в условиях естественной конвекции. Для исследования динамики дисперсных систем при естественной конвекции была собрана экспериментальная установка на основе конвективной ячейки с возможностью подогрева граней, которая представляет собой прямоугольную вертикальную полость с внутренними размерами 50×50×10 мм. Внутренние вертикальные стенки ячейки выполнены из поликарбоната, горизонтальные – из меди. В данных экспериментах моделируется движение грубодисперсной системы, в основе которой лежат твердые полиэтиленовые частицы (средний размер частиц - 0,33 мм). Для подготовки смеси частицы добавлялись в глицерин в концентрации 1,5% об. Чтобы избавиться от образовавшихся в процессе перемешивания пузырьков воздуха, весь объем вакуумировался. Полученная смесь помещалась внутрь ячейки. Поддержание градиента температур осуществлялось за счет циркуляции воды в медных трубках, температура жидкости задавалась с помощью двух термостатов. Математическая модель конвективных течений дисперсных систем в ячейке прямоугольного сечения с учетом коагуляции в диффузионном приближении состоит из системы уравнений Навье-Стокса, уравнения сохранения энергии и уравнения диффузии. Численное решение уравнений, описывающих движение дисперсной системы внутри полости, проводилось методом контрольных объемов в открытой платформе по решению задач механики сплошных сред OpenFOAM. Проведены эксперименты и численные расчеты динамики дисперсных систем в прямоугольной вертикальной ячейке в условиях естественной конвекции. В процессе моделирования задавался различный вертикальный градиент температур. Получены картины распределения дисперсных частиц в экспериментальной ячейке при различных перепадах температур между нижней и верхней гранями ячейки. Полученные при математическом моделировании картины течения и значения максимальной скорости движения частиц в конвективных потоках хорошо согласуются с результатами экспериментов. При небольших перепадах температур возникают слабые термоконвективные течения одновихревой структуры. Наблюдалось постепенное расслоение дисперсной системы. С увеличением перепада температур скорость конвективных течений увеличивалась, диспергированные частицы вовлекались в поток и начинали двигаться вдоль направления вектора скорости течения. Кроме того, в зависимости от рассматриваемых условий, режим течения сменяется с одновихревой структуры на двух-, трех-, четырехвихревую структуру течения. При этом возникающие конвективные течения препятствуют расслоению дисперсной среды. Основная масса частиц концентрируется в ядрах конвективного потока, но часть частиц успевает осесть на дно ячейки до возникновения развитого конвективного течения. Для проведения аналогичных экспериментальных исследований для модельных эмульсий типа «вода в масле» с бронирующей оболочкой, была разработаны методика получения оптически прозрачных стабильных эмульсий с заданным размером капель (порядка 100 мкм) и методика измерения теплофизических и электрофизических свойств получаемых эмульсий. Для анализа влияния структуры и интенсивности термоконвективных потоков на процесс расслоения дисперсной системы проведены многопараметрические расчетные исследования при различных комбинациях чисел Рэлея и Архимеда в двумерной постановке. Расчеты показали, что при малых значениях чисел Рэлея (менее 10000) происходит полное расслоение дисперсной системы при любых значениях числа Архимеда. С увеличением чисел Рэлея в среде возникают термоконвективные потоки. В начальный момент времени происходит постепенное оседание дисперсной фазы. Концентрация дисперсной фазы в верхней части емкости снижается, в нижней части - возрастает. Наблюдается частичное расслоение дисперсной системы. Однако, с течением времени скорость тепловой конвекции жидкости возрастает и конвективные потоки начинают препятствовать осаждению дисперсной фазы. Конвективный поток жидкости начинает интенсивно перемешивать дисперсную систему. По результатам расчетов построена диаграмма расслоения дисперсной системы, которая показывает возможность полного расслоения дисперсной системы при подогреве снизу в зависимости от значения безразмерных чисел Рэлея и Архимеда. Если значения безразмерных чисел таковы, что точка на диаграмме, определяемая координатами этих чисел, окажется выше кривой, то дисперсная система полностью расслаивается. В случае значений ниже кривой – расслоению дисперсной системы препятствует тепловая конвекция в жидкости.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В соответствие с планом на 2020 год были выполнены следующие работы. I ИССЛЕДОВАНИЕ РАССЛОЕНИЯ ЭМУЛЬСИОННЫХ СИСТЕМ В УСЛОВИЯХ ТЕРМОКОНВЕКТИВНЫХ ТЕЧЕНИЙ В ЯЧЕЙКЕ ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ Для исследования динамики процессов возникновения и развития конвективных потоков в эмульсионных системах была создана экспериментальная установка (Рис. 1), состоящая из оригинальной конвективной ячейки, источника света (Sumita LS-M250), фотоаппарата (Canon EOS 1100D) с макрообъективом (Tamron SP 90 mm), видеографического регистратора (Элемер РМТ 59L) и двух термостатов (LAUDA Alfa A6, LOIP LT-117b). Размеры внутренней полости, в которой происходит конвекция, составляют 50x50x12 мм. Передняя и задняя стенки полости выполнены из минерального стекла. На боковых гранях ячейки расположены трубки для заполнения внутренней полости эмульсией и ее слива, а также установлены пять термопар для контроля температуры. Неоднородное температурное поле во внутренней полости создается двумя алюминиевыми трубками квадратного сечения 12x12 мм, через которые с помощью термостатов прокачивается вода различной температуры. Температура воды может варьироваться в диапазоне 0 - 50°C с шагом 1°C. Нагрев эмульсионной среды во внутренней полости ячейки производился снизу, а охлаждение сверху. В ходе эксперимента каждые 30 секунд делался снимок внутренней полости ячейки. Полученные изображения обрабатывались в пакете прикладных программ MATLAB. По результатам экспериментальных исследований при различных способах нагрева образцов эмульсий (сверху, снизу и без нагрева) установлено, что нагрев верхней грани ячейки для обеих эмульсий незначительно увеличивает объем отделившейся воды, что связано с уменьшением вязкости несущей фазы при нагревании. При нагреве снизу количество отслоившейся воды существенно зависит от размера, то есть чем меньше средний радиус капель воды, тем меньше они оседают, поскольку конвективные потоки в этом случае препятствуют осаждению капель эмульсии. Расслоение крупнодисперсной эмульсии при нагреве ячейки снизу происходит более интенсивно, так как конвекция приводит к образованию крупных агломератов капель, которые затем быстро оседают, не вовлекаясь в конвективное течение. Например, для капель воды в эмульсии радиусом 13,4 мкм толщина слоя выделившейся воды при нагреве снизу составляет 3,8 мм за время 100 минут, что соответствует числу Рэлея Ra=3,1Е+05 и числу Архимеда Ar=5Е-06. А для капель воды радиусом 38,7 мкм количество отслоившейся части при нагреве снизу составляет 5,16 мм за время 100 минут, что соответствует числу Рэлея Ra=3,1Е+05 и числу Архимеда Ar=1Е-05. Это важный вывод с практической точки зрения, так как наиболее распространенным способом разделения эмульсии до сих пор остается ее термогравитационный отстой, и превышение температуры выше порогового значения может привести либо к замедлению этого процесса, либо к значительному снижению его эффективности из-за возникающих интенсивных конвективных течений. Для численного исследования влияния режимов конвективных течений на расслоение эмульсионных систем была построена математическая модель термогидродинамических процессов, протекающих в квазимонодисперсной эмульсионной системе при тепловом воздействии в условиях конвективного перемешивания. Математическая модель построена в одножидкостном приближении и включает в себя уравнения сохранения количества движения, уравнения теплопроводности для эмульсии в целом и уравнения сохранения массы дисперсной фазы. Замыкающие соотношения записаны по аналогии с моделями, предложенными для моделирования течения суспензий с модификацией замыкающих соотношений для моделирования эмульсионных систем. Относительная скорость между фазами записана в предположения малости чисел Стокса и Рейнольдса и с учетом формулы Рыбчинского-Адамара с поправкой Левича на эффективную вязкость структурно-механического барьера на поверхности капель эмульсии, т.к. рассматриваемые в данной работе эмульсии получены с добавлением ПАВ, которые образуют на поверхности капель воды структурно-механический барьер (эмульсии являются высокоустойчивыми). Сила межфазного сопротивления задается в виде степенной зависимости. Напряжения, возникающие при межфазном взаимодействии, задаются эмпирической формулой. Зависимость вязкости эмульсии от температуры задается эмпирической формулой, зависимость вязкости эмульсии от концентрации задается формулой Тейлора. Решение уравнений математической модели в трехмерной постановке по неявной схеме методом контрольного объема реализовано в программном комплексе OpenFoam на основе модифицированного решателя pimpleFoam. Рассматривается динамика эмульсионной системы в прямоугольной полости, геометрические размеры которой заданы в соответствии с размерами экспериментальной ячейки. Размерность расчетной сетки составила 64х10х64. Теплофизические параметры объекта исследования и краевые условия задачи заданы в соответствии с экспериментальными данными и условиями проведения экспериментов. Проведены многопараметрические исследования динамики эмульсионной системы при наличии конвективных течений на основе 3D моделирования. Исследовалось влияния режимов конвективных течений на расслоение эмульсионной системы по безразмерным параметрам Рэлея и Архимеда в зависимости от начальной концентрации воды в эмульсии. Для определения влияния конвективных течений в жидкости на расслоение эмульсии проведено сравнительное моделирование динамики эмульсионной системы в поле силы тяжести для трех вариантов: 1) в изотермических условиях при комнатной температуре без внешнего воздействия: случай отсутствия тепловой конвекции в жидкости. 2) при наличии вертикального градиента температуры – подогрев сверху: случай слабо выраженного конвективного движения жидкости, связанного с особенностями граничных условий на боковых стенках полости. 3) при наличии вертикального градиента температуры – подогрев снизу: случай развитой тепловой конвекции жидкости. В ходе исследования влияния режимов конвективных течений на расслоение эмульсионной системы по безразмерным параметрам Рэлея и Архимеда: - показано, что при подогреве ячейки сверху при малых значениях числа Рэлея (Ra < 4,79Е+06) как и в отсутствие внешнего воздействия расслоение эмульсии происходит линейно вне зависимости от величины числа Архимеда, т.е. капли воды в эмульсии беспрепятственно опускаются на дно ячейки с постоянной скоростью; - наблюдалось, что в случае подогрева сверху с увеличением числа Рэлея время расслоения незначительно сокращается, эта разница становится заметной с увеличением числа Архимеда. Это преимущественно связано со снижением вязкости несущей фазы, вызванное увеличением температуры нагревания; - обнаружено, что в случае подогрева ячейки снизу при заданных значениях числа Рэлея существует такое число Архимеда, меньше которого расслоение эмульсии происходит медленнее чем в ячейке без воздействия и при подогреве ячейки сверху, хотя вязкость несущей фазы при этом снижается. Например, при Ra = 1,89E+06 число Архимеда Ar < 1,54Е-04. Это объясняется тем, что при малых значениях числа Архимеда конвективные течения создают препятствие оседанию капель эмульсии, что значительно замедляет процесс расслоения системы. - замечено, что при подогреве ячейки снизу с увеличением числа Рэлея происходит замедление скорости расслоения эмульсии, что сказывается на отклонении кривой динамики расслоения эмульсии от линейной зависимости. Это объясняется тем, что с увеличением числа Рэлея увеличивается скорость конвективного перемешивания жидкости и часть капель эмульсии уносится потоком жидкости и не успевает сразу осесть, что приводит к некоторому замедлению процесса расслоения эмульсии. - показано, что при подогреве снизу в процессе расслоения 5% эмульсии в объеме наблюдаются две области с различным характером конвективных течений: в верхней части ячейки в расширяющейся во времени области свободной от капель эмульсии формируются две симметричные вихревые структуры, скорость течения в которых со временем возрастает. К концу процесса расслоения эта скорость становится соизмеримой со скоростью течения в эмульсии в нижней части, в области, в которой формируются ячеистые структуры из четырех вихрей. - замечено, что с увеличением концентрации капель в эмульсии качественная картина динамики расслоения эмульсии существенное не изменяется. При этом в процессе оседания капель эмульсии в объеме наблюдаются три области: область свободной от капель эмульсии верхней части ячейки, область с предельной концентрацией капель эмульсии в нижней части ячейки и между ними область со средней концентрацией. В каждой области формируются вихревые структуры, скорость течения в которых со временем возрастает. II ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТАБИЛИЗИРУЮЩЕЙ ОБОЛОЧКИ С ПОМОЩЬЮ АСМ Экспериментальное исследование механических свойств бронирующих оболочек капель проводилось с использованием атомно-силового микроскопа (АСМ) Agilent 5500AFM. В качестве сканирующего элемента использовался кантилевер CP-CONT-Au-B с коэффициентом жесткости 0,2 Н/м, резонансной частотой 6÷21 кГц, без прикрепленного шарика, геометрические размеры балки составляли: длина – 450 мкм, ширина – 50 мкм, толщина – 2 мкм. Для проведения экспериментов была разработана специальная жидкостная ячейка, представляющая собой пластиковое кольцо, закрепленное на предметном стекле. С боков в кольце вмонтированы силиконовые трубки для возможности добавления и удаления жидкости. Перед началом эксперимента предметные стекла, насадка сканера АСМ и жидкостная ячейка ополаскивались струей этанола, затем обильно струей деионизированной воды из установки Milli-Q, после чего обдувались сжатым очищенным воздухом. Оставшаяся влага удалялась в сушильном шкафу при температуре 60°C в течение одного часа. Новый кантилевер из упаковки укладывался на заранее очищенное предметное стекло, после чего оно помещалось в камеру плазменной очистки на десять минут при максимальной мощности. Высушенная насадка устанавливалась в сканер АСМ, после чего в неё устанавливался очищенный кантилевер. Жидкостная ячейка закреплялась на держателе подложки АСМ с помощью двухстороннего скотча, заполнялась тетрадеканом и затем с помощью лабораторной пипетки в нее впрыскивалась «промытая» эмульсия. В результате экспериментов по исследованию механических характеристик стабилизирующей оболочки капли воды в масле методами атомно-силовой микроскопии были получены зависимости расстояния, на которое переместился сканер с закрепленным на нём зондом, и напряжения на фотодетекторе от времени для капель различного диаметра. На основе теории тонких пленок построены зависимости аддитивного поверхностного натяжения на границе асфальтеновая оболочка-тетрадекан от времени. В результате аппроксимации были найдены поверхностные натяжения на границе асфальтеновая оболочка-тетрадекан для различных капель. Так, для капли диаметром 44 мкм поверхностное натяжение составило 2,5 мН/м, а для капли диаметром 80 мкм – 1,7 мН/м. III. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА СТАБИЛИЗИРУЮЩУЮ ОБОЛОЧКУ С ПОМОЩЬЮ МИКРОЖИДКОСТНОГО УСТРОЙСТВА Для изучения силового воздействия электромагнитного поля на стабилизирующую оболочку отдельной эмульсионной капли была создана экспериментальная установка, с помощью которой методом висящей капли определялось поверхностное натяжение эмульсионной капли при воздействии на неё электромагнитного полем. Микрожидкостная ячейка устанавливается на платформе в вертикальном положении. С нижней стороны в ячейку вертикально установлен медный электрод, в качестве второго электрода с верхней стороны установлен металлический капилляр, через который в ячейку выдувается капля воды. Дисперсионной средой в ячейке является гептол (смесь гептана и толуола в соотношении 50:50), с содержанием 0,1% асфальтенов. Электромагнитный сигнал определенной частоты и амплитуды задается генератором 33522A (Agilent) и через усилитель AG 1021 (T&C Power Conversion) подается на электроды. Для контроля подаваемого напряжения в линию подключен мультиметр 34411A (Agilent). Динамика изменения формы капли регистрироваться с помощью фотоаппарата Canon EOS 1100D. Эксперименты по определению силового воздействия электромагнитного поля на асфальтеновую оболочку висящей капли показали следующее: - в случае отсутствия электромагнитного поля в начальный момент времени поверхностное натяжение капли воды в растворе гептола с содержанием асфальтенов 0.1% оказывается меньше, чем табличное значение поверхностного натяжения между водой и гептолом. Это объясняется образованием на поверхности капли тонкой пленки из адсорбировавшихся молекул асфальтенов. С течением времени значение поверхностного натяжения увеличивается, поскольку на каплю осаждается еще большее количество асфальтенов, которые увеличивают толщину асфальтеной пленки и образуют «бронирующую» оболочку, - в случае воздействия электромагнитным полем на висящую каплю воды, была получена зависимость относительного удлинения капли от напряженности электрического поля, из которой видно, что капля с бронирующей оболочкой по сравнению с каплей без оболочки обладает более высоким сопротивлением на растяжение, что связанно с высокой прочностью асфальтеновой оболочки. IV ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НЧ/ВЧ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ЭМУЛЬСИОННЫЕ КАПЛИ Для исследования влияния низкочастотного и высокочастотного электрических полей на динамику эмульсионных систем были приготовлены два вида модельных эмульсий типа «вода-в-масле». Первая модельная эмульсия (далее – эмульсия №1) приготавливалась на основе выделенных из нефти асфальтенов, а вторая модельная эмульсия (далее – эмульсия №2) приготавливалась на основе нефти с известным содержанием асфальтенов. Для проведения экспериментальных исследований был создан разработан лабораторный стенд. Экспериментальная ячейка представляет собой прозрачный микроканал со встроенными электродами толщиной 70 мкм, между которыми создается электромагнитное поле заданной частоты и мощности. Для предотвращения нежелательного нагрева эмульсии во всем межэлектродном пространстве высокопотенциальный электрод в области визуализации имеет Г-образную форму. Расстояние от торца Г-образного электрода до низкопотенциального электрода составляет 5 мм. Электрическое поле задается генератором AG 1021 (T&C Power Conversion) с диапазоном частот 0,1÷15 МГц и варьируемой мощностью до 300 Вт. От генератора через радиочастотный кабель RG6 на электроды подается электрический сигнал синусоидальной формы. Для контроля подаваемого напряжения в линию подключается осциллограф. По результатам экспериментального исследования поведения эмульсионных систем и отдельных эмульсионных капель под действием высокочастотного электромагнитного поля: - показано, что под действием электромагнитного поля частотой 10 кГц – 15 МГц в микроструктуре исследуемых эмульсий образуются агрегаты капель в виде коагуляционных цепочек, вытянутых вдоль направления силовых линий электрического поля с возможностью их последующей коалесценции. В микроструктуре эмульсии №2, приготовленной на основе нефти с известным содержанием асфальтенов, образуются более длинные цепочки, чем в эмульсии №1, приготовленной на основе выделенных из нефти асфальтенов, что объясняется прочностью бронирующих оболочек капель эмульсии №2, образованных из асфальтеносмолопарафиновых соединений. - установлено, что наиболее интенсивно процесс образования цепочек для исследуемых эмульсий и эффективная коалесценция капель происходит в диапазоне частот 8-10 МГц. По мере укрупнения капель эффективная частота смещается в область низких частот, что позволяет управлять процессом разрушения эмульсий с помощью электромагнитного воздействия. - обнаружено, что для эмульсии существует определенная концентрация воды в эмульсии, при которой время образования коагуляционных цепочек минимально. Для эмульсии №2 эта концентрация составила 30%. - показано, что процессы коагуляции и коалесценции отдельных капель в электромагнитных полях начинаются при достижении некоторой минимальной критической напряженности поля. При этом для эмульсии №1 критические значение напряженности, при которых начинается процесс коагуляции и коалесценции капель, находятся в диапазоне 70-80 В/см, а для эмульсии №2 – 110-120 В/см. Для изучения воздействия неоднородного переменного электрического поля на модельную эмульсию из двух прозрачных стеклянных подложек была изготовлена микрожидкостная ячейка. На внутренней поверхности нижней подложки были вытравлены остроконечные электроды с расстоянием порядка 200 мкм между вершинами. Между стеклянными подложками установлена тефлоновая прокладка толщиной 100 мкм, которая формировала микроканал прямоугольного сечения. Микроканал имел входное и выходное отверстия для заполнения. Герметизация ячейки производилось путем прижима подложек к друг другу путем зажима винтов алюминиевого держателя. Для изготовления подложки с электродами использовались стеклянные подложки с оптически прозрачным электропроводящим слоем ITO (Indium Tin Oxide – оксид индия, олова). Для получения нужной конфигурации электродов использовались методы фотолитографии, применяемые при изготовлении печатных плат. Для этого на проводящую поверхность подложки наносился слой фоторезистивного полимера и подвергался засветке в ультрафиолетовом свете через маску, определяющую геометрию будущих электродов. Затем не засвеченный фоторезист смывался растворителем. После этого электропроводящий слой ITO химически вытравливался в областях поверхности, где отсутствовал защитный слой фоторезиста. Для предотвращения нежелательных электрохимических процессов в приэлектродной области поверхность электродов покрыта изолирующим слоем полиимида. Микрофлюидное устройство размещалось на предметном столике оптического микроскопа IX71 (Olympus). Высокоскоростная съемка производилась при помощи камеры FASTCAM SA5 (Photron). Схема лабораторной установки представлена на Рис. 50. На систему электродов в микроканале подавалось переменное двуполярное напряжение от генератора сигналов произвольной формы 33522A (Agilent Technologies), усиленное с помощью усилителя Tabor 9100 (Tabor Electronics Ltd.). Максимальная амплитуда (пик-пик) приложенного напряжения составляла 300 В, а соответствующая величина напряженности электрического поля достигала значения 106 В/м. Частота напряжения варьировалась в диапазоне 50 Гц – 15 кГц. Синхронизация генератора сигналов с видеокамерой обеспечивала точную привязку последовательности изображения к динамике напряжения на контактах образца. Регистрация изображений производилась со скоростью 250 кадров в секунду. Оптическая система микроскопа использовалась в режиме светлого поля. В результате экспериментов по изучению воздействия неоднородного переменного электрического поля в низкочастотном диапазоне (50 Гц – 15 кГц) на эмульсионные системы типа «вода-в-масле» с добавлением асфальтенов было обнаружено: - смещение капель эмульсии, содержащей 0,5% асфальтенов в дисперсионной среде, в области с максимальной напряженностью электрического поля происходит при частотах свыше 500 Гц и тем интенсивнее, чем выше амплитуда подаваемого напряжения. Так, при напряжении 150 В и частоте поля 1 кГц количество капель эмульсии за счет укрупнения уменьшилось на 10%, а при частоте 15 кГц – уменьшилось на 60%. При напряжении 300 В эти величины составили 27% и 83%, соответственно; - основные изменения в микроструктуре эмульсии происходят в течение короткого промежутка времени после начала воздействия (1 секунда); - при увеличении частоты и/или амплитуды электрического поля число капель эмульсии уменьшается, а средний диаметр капель увеличивается по линейному закону.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В соответствие с планом на 2021 год были выполнены следующие работы и получены следующие научные результаты: 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ ЭМУЛЬСИИ ПРИ ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ НИЗКОЧАСТОТНЫХ (НЧ) И ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ (ВЧ) ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ Для исследований влияния неоднородного переменного электрического поля на эмульсии изготовлена микрожидкостная ячейка с системой остроконечных микроэлектродов. Эксперименты были проведены в диапазоне частот от 1Гц до 500 кГц и напряжения от 75 В до 300 В с одновременной регистрацией процессов с высоким пространственно-временным разрешением с использованием высокоскоростной камеры и микроскопа. Результаты исследований показали, что для всех частот минимальное уменьшение количества капель в результате их слияния с друг другом составила 20%. С увеличением частоты и напряжения поля эффективность соединения капель увеличивается. Максимальный эффект уменьшения капель был достигнут при частоте 500 кГц, 300В до 80% при концентрации капель 40-50%. С увеличением концентрации капель также происходит увеличение эффективности во всем диапазоне частот и напряжений. Это связано с тем, что при большей концентрации капель расстояния между каплями эмульсии меньше, что благоприятно сказывается на процесс сближения капель. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ ЭМУЛЬСИИ ПРИ ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫХ (СВЧ) ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ Для исследования процессов разделения эмульсий при естественной конвекции под действием СВЧ поля был собран лабораторный стенд, состоящий из СВЧ камеры, магнетрона, волновода, прямоугольной ячейки и видеокамеры. Результаты исследований показали, что при СВЧ воздействии на эмульсию энергия электромагнитного поля преимущественно поглощается водной фазой что приводи к избирательному нагреву водных капель. При этом снижается вязкость дисперсионной фазы вокруг капли, что приводило к ускоренному оседанию капли. В связи с тем, что капли имеют оболочку из ПАВ (Span 80) массовой коалесценции капель при оседании не наблюдалось. Дальнейшее воздействие СВЧ поля на эмульсию приводило в движение водных капель вверх, что объясняется возникновением в эмульсии конвективных течений из-за градиента температур. Таким образом в ячейке образуются циркуляционные потоки. Для определения температуры в отдельной эмульсионной капле использовался родамин Б. При увеличении температуры снижается интенсивность свечения родамина Б, по которой определялась температура в капле. Исследования СВЧ нагрева эмульсий с обводненностью 2%, 10%, 20% показали, что отдельная капля нагревается интенсивнее чем эмульсия. С ростом концентрации водной фазы интенсивность нагрева эмульсии возрастает. Возникновение конвективных течений в эмульсии наблюдались при разности средних температур капли и дисперсионной среды выше 4 °С. 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ КАПЛИ СО СТАБИЛИЗИРУЮЩЕЙ ОБОЛОЧКОЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ НАЧАЛЬНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В ДИСПЕРСИОННОЙ СРЕДЕ Для определения межфазного натяжения на границе воды и раствора асфальтенов в толуоле от времени использовался метод подвешенной капли. Модельные растворы различной концентрации были получены растворением асфальтенов определенной массы в толуоле. Все эксперименты проводились при 25 °С. Результаты исследований показали, что со временем межфазное натяжение снижается и чем выше концентрация асфальтенов в растворе, тем коэффициент межфазного натяжения снижается быстрее и на большую величину. Снижение коэффициента межфазного натяжения происходит наиболее интенсивно в начальные 20-30 минут. Кроме свободного межфазного натяжения, в работе определялось относительное удлинение подвешенной капли без пленки и после образования адсорбционной пленки под действием электрического поля 10 кГц в растворе толуола с содержанием 0,1% асфальтенов после 20 минутной выдержки показали, что за этот период времени образуется устойчивая адсорбционная пленка, способная растягиваться подобно эластичным материалам. Относительное удлинение для капли с асфальтеновой оболочкой нелинейно зависит от прикладываемого напряжения, в то время как для капли без оболочки эта зависимость имеет линейный характер. Полученные результаты будут использованы при математическом моделировании процессов фазоразделения водонефтяных эмульсий, в том числе, в результате воздействия электромагнитного поля, а также будут полезны при выработке рекомендации для разработки методов фазоразделения водонефтяных эмульсий с использованием физических полей. 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭМУЛЬСИЙ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ, ЧАСТОТЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ, ОБЪЕМНОГО СООТНОШЕНИЯ ФАЗ И СТЕПЕНИ ДИСПЕРСНОСТИ ЭМУЛЬСИИ Исследования частотно-температурных зависимостей диэлектрических параметров (ε' - относительная диэлектрическая проницаемость и tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь) исследуемых эмульсий проводились методом куметра в диапазоне частот 0,1МГц до 15МГц и температур 20-100°С. Результаты исследований показали, что от 0,1МГц до 1МГц значения диэлектрических параметров снижаются в 1,5 раза для ε' и в 2 раза для tgδ. В диапазоне от 1МГц до 15МГц диэлектрические параметры меняются незначительно. Повышенные значения диэлектрических параметров при низких частотах объясняется проявлением электропроводности. Исследования температурных зависимостей диэлектрических параметров исследуемых объектов в исследуемом диапазоне температур при фиксированных частотах 0,5МГц и 8МГц показали, что для образцов с содержанием водной фазы до 10% с ростом температуры значения диэлектрических параметров повышается не значительно. Для образцов с содержанием водной фазы 10% значения диэлектрических параметров в диапазоне 20-60°С возрастают в 1,5 раза. Для исследования влияния содержания асфальтосмолопарафиновых веществ на диэлектрические параметры эмульсий были выбраны реальные нефти с различным содержанием асфальтосмолопарафиновых веществ. В результате проведенных исследований обнаружено, что значение тангенса угла диэлектрических потерь, соответствующее резонансной частоте дипольной поляризации полярных молекул нефти, растет с ростом суммарного содержания асфальтен и смол в эмульсии. Так же обнаружено, что с ростом соотношения смол к асфальтенам резонансная частота поляризации молекул асфальтен, следовательно, и область их поляризации смещается в область высоких частот, т.е. время диэлектрической релаксации уменьшается. Все это объясняется расщеплением асфальтеновых агломератов смолами с ростом их соотношения к асфальтенам. Коме того добавление парафина не приводит к росту тангенса угла диэлектрических потерь, что говорит о неполярности молекулы парафина. 5. АТОМНО-СИЛОВАЯ МИКРОСКОПИЯ ЭМУЛЬСИОННОЙ КАПЛИ СО СТАБИЛИЗИРУЮЩЕЙ ОБОЛОЧКОЙ Изучение механических свойств проводилось на атомно-силовом микроскопе путем снятия кривых силовой спектроскопии – надавливания на каплю и получение зависимостей сила-расстояние. В качестве механической характеристики капли со стабилизирующей оболочкой использовался коэффициент эффективного поверхностного натяжения σэфф. С помощью доработанной методики обработки экспериментальных данных получены зависимости динамики изменения поверхностного натяжения σ и гиббсовской упругости ε для капель модельной эмульсии различного размера. Построены усредненные кривые динамики изменения коэффициента эффективного поверхностного натяжения σэфф, поверхностного натяжения σ и гиббсовской упругости ε. Среднее значение поверхностного натяжения недеформированной капли составило σ0 = 1,9 мН/м. Исследования зависимости скорости подвода зонда атомно-силового микроскопа (скорости надавливания) при снятии кривых силовой спектроскопии для капли воды модельной водонефтяной эмульсии, покрытой стабилизирующей асфальтеновой оболочкой, показали, что оптимальной скоростью для измерения величины поверхностного натяжения недеформированной капли σ0 является минимально возможная скорость, в нашем случае – 0,1 мкм/с. При температуре 10°C средний коэффициент поверхностного натяжения недеформированной капли σ0 в 4 раза меньше, чем при 25°C, и равен 0,5 мН/м. Это можно объяснить тем, что при более высокой температуре происходит ослабление взаимодействия асфальтенов с поверхностью капли вплоть до их частичной десорбции, что приводит к меньшему влиянию на процесс снижения поверхностного натяжения поверхностно активными асфальтенами. Средняя толщина тонких пленок асфальтенов, представляющих собой осевшие в результате испарения оболочки капель, на поверхности твердой подложки составила ~12 нм, что хорошо согласуется с данными других исследований. 6. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНВЕКТИВНОГО ТЕЧЕНИЯ ЭМУЛЬСИОННОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ Математическая модель термогидродинамических процессов, протекающих в квазимонодисперсной эмульсионной системе при тепловом воздействии в условиях конвективного перемешивания модифицирована с учетом воздействия электромагнитного поля. Математическая модель построена в одножидкостном приближении и включает в себя уравнения сохранения количества движения и уравнения теплопроводности для эмульсии в целом и уравнения сохранения массы дисперсной фазы. Решение системы уравнений математической модели в трехмерной постановке по неявной схеме методом контрольных объемов реализовано в программном комплексе OpenFoam. Проведены многопараметрические исследования динамики эмульсионной системы при наличии конвективных течений на основе 3D моделирования. Исследовалось влияния режимов конвективных течений в сочетании с электромагнитным воздействием на осаждение капель в эмульсии. Обнаружено, что одновременное воздействие теплового и электромагнитного полей существенно изменяет динамику оседания капель эмульсии, а именно: при умеренной напряженности электрического поля скорость оседания капель увеличивается по сравнению с оседанием капель в процессе подогрева ячейки снизу, при высокой напряженности электрического поля скорость оседания капель уменьшается. При больших значениях числа Рэлея воздействие электромагнитного поля всегда вносит положительный эффект в процесс оседания капель эмульсии. Это связано с перераспределением сил, действующих на капли эмульсии в присутствии электромагнитного поля таким образом, что скорость тепловой конвекции постепенно затухает, а структура течений претерпевает изменения. Разработана математическая модель неизотермического расслоения эмульсионной системы при электромагнитном воздействии с учетом полидисперсности эмульсии и процессов коалесценции с использованием многоразмерного квазимонодисперсного подхода, которая предполагает разделение полидисперсной системы на несколько подсистем по методике, построенной на основе результатов экспериментальных исследований расслоения полидисперсной системы. Решение задачи реализовано в программном пакете OpenFOAM. Сопоставление динамики осаждения капель полидисперсной эмульсии по разработанной модели и данных экспериментов показало хорошее качественное и количественно согласование результатов.