КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-41-04410

НазваниеСтолкновение капель суспензий со стенкой и нанесение частиц

РуководительКоломенский Дмитрий Сергеевич, Кандидат технических наук

Прежний руководитель Ахатов Искандер Шаукатович, дата замены: 20.10.2022

Организация финансирования, регион Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий», г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2022 г. - 2024 г. 

Конкурс№54 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (DFG).

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах, 01-311 - Гидромеханика многофазных сред

Ключевые словаСтолкновение капель, суспензии, смачиваемость, частицы, поверхность

Код ГРНТИ30.51.29

СтатусЗакрыт досрочно

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на экспериментальный анализ и численное моделирование соударения капель суспензии со стенкой. Это сложная и слабо изученная тема, имеющая фундаментальное значение для многих технологических процессов. К ним относятся: окраска распылением, сушка распылением, нанесение покрытий на композитные поверхности, нанесение покрытий на фармацевтические препараты, а также однокапельные процессы, такие как струйная печать, печать биоматериалов и электронных схем. Будут проведены эксперименты для изучения режимов соударения капель суспензии со стенкой, таких как осаждение, отскок и разбрызгивание, результаты которых будут обработаны с использованием соответствующих безразмерных параметров. Кроме того, будут изучены процессы растекания капель, образования отложений на стенках и процессы разбрызгивания. Эксперименты запланированы для миллиметровых капель, различных углов удара, скоростей и материалов стенок. Будут рассмотрены различные жидкости и объемные доли твердых частиц, для того чтобы получить наиболее полное представление о сложном характере удара капли суспензии о стенку. Кроме того, будут рассмотрены различные размеры и плотности материала частиц суспензии для анализа влияния импульса частиц на режимы соударения капель суспензии со стенкой. Для изучения удара капель будут применяться методы прямой и теневой визуализации в сочетании со светодиодным освещением и высокоскоростной съемкой. Предлагаемые методы позволят не только изучить возможные режимы удара капли, но и отследить движение частиц внутри растекающихся капель вместе с пространственным распределением частиц после удара. Сопутствующее численное моделирование будет проводиться для прогнозирования поведения капли во время удара, а также для расчета движения частиц внутри капли и, в конечном итоге, для расчета распределения частиц на стенке после удара. Для решения такой сложной задачи трехфазного течения необходимо выполнить ряд модификаций уже имеющегося численного кода, основанного на принципе Эйлера - Лагранжа. Основой для численного моделирования будет библиотека OpenFOAM, которая уже была модифицирована за счет ряда функций, необходимых для решения данной задачи. Поведение самих капель во время столкновения со стенкой будет разрешаться методом объема жидкости (VoF) с геометрической реконструкцией границы раздела жидкостей с использованием метода isoAdvector. Движение твердых частиц, распределенных внутри капли, будет вычислятся с помощью лагранжевого метода точечных частиц с учетом всех сил действующих на них. Также будут рассмотрены двусторонняя связь между частицами и жидкостью, и столкновения между частицами внутри капель. Более того, будет рассмотрено взаимодействие частиц с поверхностью капли и твердой стенкой, которое требует учета дополнительных сил. Наконец, будет учитываться адгезия частиц к стенке, чтобы предсказать образование отложений частиц на стенке. Необходимые параметры модели, например для столкновений частиц со стенкой в жидкости, будут получены при верификации модели по экспериментальным данным. В целом, этот проект приведет к более глубокому пониманию явлений происходящих во время соударения капель суспензии со стенкой и поможет формулировать правила проектирования для соответствующих технологических процессов.

Ожидаемые результаты
Впервые будет проведено комплексное исследование столкновения капель суспензий со стенкой, включающие эксперименты и численное моделирование. Сочетание экспериментов и численного моделирования позволит не только получить верифицированную модель процесса столкновения, но и детально изучить процесс, происходящий внутри капли при столкновении. В целом, этот проект приведет к более глубокому пониманию явлений происходящих во время соударения капель суспензии со стенкой и поможет формулировать правила проектирования для соответствующих технологических процессов.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Создан генератор капель, способный производить капли размером от 1 до 4.4 мм. В процессе его создания были найдены технические решения, обеспечивающие необходимый набор и диапазон изменения параметров эксперимента. Так, в конструкции была использована форсунка с пьезоэлементом и возвратной пружиной, что позволило быстро менять состояние открыто-закрыто, создавать серии микросекундных импульсов и, таким образом, обеспечить точность управления размером капель. Система управления генератором позволяет подавать электрические одиночные импульсы различной формы и длительности и серии импульсов, тем самым достигая генерации капель в требуемом диапазоне размеров. Генератор смонтирован на стандартных алюминиевых профилях. Такая конструкция обеспечивает универсальность, простоту установки и юстировки на экспериментальный стенд. Нижний контейнер для исследуемой жидкости добавлен для того, чтобы исключить контакт форсунки с исследуемой жидкостью. Это позволяет исследовать агрессивные жидкости и суспензии, содержащие твердые частицы. Контейнер для исследуемой жидкости вставляется в быстросъёмный фиксатор и закрепляется на генератор поворотом фиксатора. Такая конструкция обеспечивает быструю замену образцов без применения инструментов и дополнительного крепежа, а также предусматривает изменение размера контейнера для исследуемой жидкости. Для этого необходимо заменить быстросъемный фиксатор и его ответную часть. Контейнер для исследуемой жидкости имеет коннектор Luer Lock для герметичного соединения с наконечниками различного диаметра и формы. Проведены эксперименты по соударению капель суспензий с подложкой и сделан анализ морфологии результатов соударения с подложками различных механических свойств. Подобраны и задокументированы параметры напряжения, давления, количества импульсов, длительности большого и малого импульсов и расстояния между импульсами так, чтобы при генерации капли извлекалась только одна капля. Выполнена съёмка соударений в разных плоскостях на камеры Photron (вид спереди) и Baumer (вид сверху), для капель различных суспензий, при варьируемой высоте генератора капель над подложкой и различный значениях угла наклона подложки. Собрана база видеоматериалов и проведён избирательный анализ морфологии изображений с целью выявления возможных сценариев соударения. Выявлены, в частности, такие причудливые формы как «кегля» и «растяжка». Показано, что за счёт лиофобной поверхности некоторая часть любой суспензии отскакивает, а оставшаяся на подложке часть капли за счёт большого краевого угла собирается в форму одного или нескольких шаров. Динамика отскока капель суспензий различного состава соотнесена с результатами измерений контактных углов суспензий и подложек, а также поверхностного натяжения некоторых суспензий.

 

Публикации