Влияние поверхностно-активного вещества на динамику движения консолидированной системы деформируемых частиц дисперсной фазы в двухфазном потоке

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 проекта 22-79-10028

НазваниеВлияние поверхностно-активного вещества на динамику движения консолидированной системы деформируемых частиц дисперсной фазы в двухфазном потоке

Руководитель Усанина Анна Сергеевна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" , Томская обл

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-102 - Механика технологических процессов

Ключевые слова капля, пузырек, поверхностно-активное вещество, консолидированная система частиц дисперсной фазы, динамика группы частиц дисперсной фазы, концентрация, коэффициент сопротивления, режим движения, двухфазный поток, экспериментальное исследование, численное моделирование

Код ГРНТИ30.51.25

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на получение новых знаний и изучение закономерностей движения консолидированной системы деформируемых частиц (капель или пузырьков) дисперсной фазы в присутствии поверхностно-активного вещества. Под консолидированной системой частиц понимается группа равномерно распределенных в объеме внешней среды и бесконтактно взаимодействующих между собой частиц во время движения в потоке. Актуальность заявленного проекта обуславливается и соответствует направлению 5 НТР РФ в области противодействия техногенным угрозам. Серьезную опасность для окружающей среды, экономики и населения представляют техногенные угрозы, связанные с пожарами и взрывами на промышленных предприятиях. Для тушения пожаров на промышленных объектах, расположенных в труднодоступных районах, эффективным средством является применение авиации. Для оптимизации технологии тушения пожаров с применением добавок поверхностно-активных веществ в огнетушащей жидкости необходима информация об эволюции облака жидко-капельного хладагента в атмосфере в зависимости от условий сброса, в частности, основные принципы образования и движения совокупности капель огнетушащей жидкости, содержащей поверхностно-активное вещество. Поэтому при ликвидации последствий техногенных пожаров в труднодоступных местах актуальны вопросы, связанные с расширением и формированием новых знаний по закономерностям движения консолидированной системы деформируемых частиц в присутствии поверхностно-активного вещества на границе раздела фаз. Для реализации проекта предполагается проведение как экспериментальных, так и численных исследований. Проект предусматривает эксперименты в широком диапазоне чисел Рейнольдса по всплытию кластера пузырьков, по осаждению кластера жидких капель в другой несмешивающейся жидкости при наличии и отсутствии поверхностно-активного вещества на границе раздела фаз (газ-жидкость, жидкость-жидкость). В экспериментах для создания консолидированной системы деформируемых частиц будут использованы оригинальные устройства, разработанные заявителями проекта: 1) устройство для создания компактного кластера монодисперсных пузырьков, основанное на продольном поступательно-возвратном смещении пластины, установленной на верхней крышке коллектора и содержащей совмещенные перфорации одинакового диаметра, расположенные в виде равномерной прямоугольной сетки (Архипов В.А., Басалаев С.А., Усанина А.С., Перфильева К.Г., Поленчук С.Н. Установка для исследования динамики всплытия пузырькового кластера в жидкости: Патент РФ 2683147 // 2018. Бюл. № 9. С.13); 2) устройство для создания компактного кластера монодисперсных пузырьков, состоящее из коллектора в виде цилиндрической емкости с газопроницаемой верхней крышкой, в центре и по равноотстоящим концентрическим окружностям которой установлены трубки одинакового диаметра, высота которых одинакова для трубок, расположенных по каждой из окружностей, и линейно уменьшается с увеличением радиуса окружности (Архипов В.А., Басалаев С.А., Усанина А.С., Перфильева К.Г., Поленчук С.Н., Романдин В.И. Устройство для создания компактного кластера монодисперсных пузырьков: Патент РФ 2670228 // заявл. 05.12 2017; опубл. 19.10.2018, Бюл. № 29. С.15); 3) способ получения кластера капель с регулируемым дисперсным составом, заключающийся в перекрытии части входных тангенциальных каналов в процессе работы центробежной форсунки (Архипов В.А., Коноваленко А.И., Маслов Е.А., Перфильева К.Г., Поленчук С.Н., Золоторёв Н.Н. Способ получения потока капель с регулируемым дисперсным составом: Патент РФ 2690802 // 2019. Бюл. № 16. С.11). Численное моделирование в проекте предполагает формулировку математической модели обтекания капли при наличии поверхностно-активного вещества, разработку алгоритма расчета и создание программы его реализации на ЭВМ, проведение параметрических расчетов и валидацию результатов с использованием полученных экспериментальных данных. Данная математическая модель будет использована при моделировании движения кластера жидких частиц при наличии поверхностно-активного вещества при варьировании параметров (концентрация и дисперсность частиц, концентрация и тип поверхностно-активного вещества, число Рейнольдса) процесса, определяющих режим движения. В зарубежной и отечественной научной литературе отсутствуют фундаментальные знания по динамике (скорости, коэффициенту сопротивления) движения консолидированной системы деформируемых частиц дисперсной фазы в двухфазном потоке при наличии поверхностно-активного вещества. Поэтому полученные в проекте данные о влиянии концентрации и типа поверхностно-активного вещества, концентрации деформируемых частиц, режима движения (числа Рейнольдса) на закономерности движения кластера частиц будут являться оригинальными и не имеющими аналогов. Полученные сведения в проекте расширят фундаментальные представления о динамике двухфазных потоков в области газо- и гидродинамики технических и природных систем. Кроме того результаты проекта найдут применение при расширении имеющихся физико-математических моделей движения капельных (и пузырьковых) двухфазных течений.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Архипов В.А., Скибина Н.П., Усанина А.С. Влияние коэффициента поверхностного натяжения на динамику движения консолидированной системы частиц Аэрозоли Сибири. XXIX Конференция : Тезисы докладов. — Томск: Изд-во ИОА СО РАН, С. 29 (год публикации - 2022)

2. Архипов В.А., Богданов С., Борзенко Е.И., Усанина А.С. Экспериментальное исследование влияния поверхностно-активного вещества на форму и скорость всплытия группы монодисперсных пузырьков XXIII Зимняя школа по механике сплошных сред, Пермь, 13-17 февраля 2023г. Тезисы докладов - Пермь: ПФИЦ УрО РАН, С. 31 (год публикации - 2023)

3. Борзенко Е.И., Усанина А.С., Шрагер Г.Р. Влияние поверхностно-активного вещества на скорость всплытия пузырька в вязкой жидкости Vestnik Tomskogo Gosudarstvennogo Universiteta, Matematika i Mekhanika (год публикации - 2023)

4. Архипов В.А.,Усанина А.С., Чуркин Р.А. Laws of the monodispersed bubble cluster ascent in a viscous liquid in the presence of surfactant Thermophysics and aeromechanics, Vol.31, № 2 (год публикации - 2024)

5. Архипов В.А., Усанина А.С. Экспериментальное исследование влияния природы поверхностно-активного вещества на динамику всплытия группы монодисперсных пузырьков в маловязкой жидкости Journal of engineering physics and thermophysics, Vol. 97, № 4 (год публикации - 2024)

6. Богданов С. Экспериментальное исследование процесса всплытия газовых пузырьков в невязкой жидкости в присутствии поверхностно-активного вещества Фундаментальные и прикладные исследования в физике, химии, математике и информатике. Материалы симпозиума XVIII (L) Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, приуроченной к 50-летию КемГУ. Вып. 24, С. 103-104, Вып. 24, С. 103-104 (год публикации - 2023)

7. Архипов В.А., Усанина А.С., Чуркин Р.А. Экспериментальное исследование влияния природы поверхностно-активного вещества на закономерности всплытия кластера монодисперсных пузырьков в вязкой жидкости Сборник тезисов докладов XXXIX Сибирского теплофизического семинара, посвященного 90-летию академика А.К. Реброва (28-31 августа 2023г), Новосибирск: Срочная полиграфия. С. 125, С. 125 (год публикации - 2023)

8. Архипов В.А., Усанина А.С. Экспериментальное исследование закономерностей всплытия кластера монодисперсных пузырьков при наличии поверхностно-активного вещества Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения : тезисы докладов VIII Всероссийской конференции с международным участием (3–7 июля 2023 г.). – Томск : Издательство Томского государственного университета. С. 51-52, С. 51-52 (год публикации - 2023)

9. Борзенко Е.И., Усанина А.С. Численное моделирование процесса всплытия двух газовых пузырьков в вязкой жидкости с растворенным ПАВ Динамика многофазных сред: Тезисы докладов XVIIIВсероссийского семинара с международным участием, посв. 115-летию со дня рожд. Сергея Алексеевича Христиановича (24-27 сентября 2023г.). Новосибирск: ИПЦ НГУ. С. 18-19, С. 18-19 (год публикации - 2023)

10. Архипов В.А., Усанина А.С., Чуркин Р.А. Влияние природы поверхностно-активного вещества на динамику всплытия одиночного пузырька и группы пузырьков в дистиллированной воде Сборник тезисов докладов: VIII Всероссийская научная конференция с элементами школы молодых ученых "Теплофизика и физическая гидродинамика" (4-10 сентября 2023г., г. Махачкала). Новосибирск: ООО "Дигит Про". С. 63, С. 63 (год публикации - 2023)

11. Борзенко Е.И., Усанина А.С., Шрагер Г.Р. Влияние поверхностно-активного вещества на динамику всплытия газового пузырька в вязкой жидкости Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения : тезисы докладов VIII Всероссийской конференции с международным участием (3–7 июля 2023 г.). – Томск : Издательство Томского государственного университета. С. 65-66, С. 65-66 (год публикации - 2023)

12. Архипов В.А., Евсеев Н.С., Усанина А.С., Чуркин Р.А. Влияние поверхностно-активного вещества на закономерности движения капель в другой несмешивающейся жидкости Аэрозоли Сибири. Юбилейная XXX конференция: Тезисы докладов (28 ноября - 01 декабря 2023 г). Томск: Изд-во ИОА СО РАН, С. 58, С. 58 (год публикации - 2023)

13. Богданов С. Влияние поверхностного натяжения на закономерности всплытия одиночного пузырька и группы пузырьков в промежуточном режиме Перспективы развития фундаментальных наук : сборник трудов XХ Меж-дународной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (25–28 апреля 2023 г.) : в 7 томах. Том 1. Физика. Томск : Изд-во Томского политехнического университета. С. 84-86, С. 84-86 (год публикации - 2023)

14. Архипов В.А., Усанина А.С., Чуркин Р.А. Experimental study of effect of the surfactant type on dynamics of monodispersed bubble cluster rising in a viscous liquid E3S Web of Conferences. Vol. 459, 04016, Vol. 459, 04016 (год публикации - 2023)
10.1051/e3sconf/202345904016

15. Архипов В.А., Басалаев С.А., Усанина А.С., Чуркин Р.А. Effect of the surfactant concentration on the dynamics of bubble cluster rising Technical Physics Letters (год публикации - 2023)

16. Архипов В.А., Богданов С., Усанина А.С., Чуркин Р.А., Динамика всплытия кластера монодисперсных пузырьков в присутствии поверхностно-активного вещества в широком диапазоне чисел Рейнольдса XIII Всероссийский Съезд по теоретической и прикладной механике : сборник тезисов докладов в 4 томах, 21–25 августа, 2023 г. Т. 2. Механика жидкости и газа. – СПб. : ПОЛИТЕХ-ПРЕСС. С. 890-891, Том 2. Механика жидкости и газа, С. 890-891 (год публикации - 2023)
10.18720/SPBPU/2/id23-628

17. Архипов В.А., Богданов С., Усанина А.С., Чуркин Р.А. Динамика движения кластера монодисперсных капель жидкости в другой несмешивающейся жидкости Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии : Тезисы докладов XVIII Всероссийской конференции молодых ученых 10–18 марта 2024 г., Новосибирск : ИПЦ НГУ, 2024. С. 19-20, С. 19-20 (год публикации - 2024)
10.25205/978-5-4437-1597-1-19-20

18. Архипов В.А., Богданов С., Усанина А.С. Влияние концентрации поверхностно-активного вещества на закономерности всплытия пузырьков Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии: тезисы докладов XVII Всероссийской школы-конференции молодых ученых (26 февраля – 6 марта 2023 г., Новосибирск – Шерегеш). Новосиб. гос. ун-т. — Новосибирск : ИПЦ НГУ, С. 26-27 (год публикации - 2023)

19. Архипов В.А., Богданов С.Ю., Усанина А.С., Чуркин Р.А. Dynamics of the cluster of monodispersed liquid drops in another immiscible liquid Journal of Applied Mechanics and Technical Physics (год публикации - 2025)

20. Архипов В.А., Усанина А.С., Чуркин Р.А. Влияние поверхностно-активного вещества на динамику движения кластера капель жидкости в другой несмешивающейся жидкости Тезисы докладов IX Всероссийской научной конференции с элементами школы молодых ученых «Теплофизика и физическая гидродинамика» (8-15 сентября 2024 г), г. Сочи, С. 65 (год публикации - 2024)

21. Архипов В.А., Басалаев С.А., Борзенко Е.И., Золоторёв Н.Н., Перфильева К.Г., Усанина А.С., Чуркин Р.А., Шрагер Г.Р. Динамика кластера деформируемых дисперсных частиц Томск : Издательство Томского государственного университета., 192 с. (год публикации - 2024)

22. Борзенко Е.И., Усанина А.С., Шрагер Г.Р. Experimental and theoretical investigation of the effect of dissolved surfactant on the dynamics of gas bubble floating-up Fluid Dynamics, Vol. 59. No 4. P. 741-755 (год публикации - 2024)
10.1134/S0015462824603073

23. Архипов В.А., Усанина А.С., Чуркин Р.А. Движение кластера монодисперсных капель масла в дистиллированной воде Тезисы докладов XL Всероссийской конференции «Сибирский теплофизический семинар», посвященный 110-летию со дня рождения С.С. Кутателадзе и 300-летию Российской академии наук (20-23 августа 2024 г), Новосибирск. , С. 36 (год публикации - 2024)

24. Архипов В.А., Усанина А.С. Dynamics of a monodispersed drop cluster rising in another immiscible liquid in a presence of surfactant Thermophysics and aeromechanics (год публикации - 2024)
10.1134/S0869864324060118

25. Архипов В.А., Богданов С.Ю., Усанина А.С. Динамика бидисперсного пузырькового кластера при наличии поверхностно-активного вещества Тезисы докладов XIХ Всероссийской школы-конференции молодых ученых "Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии", 10 марта — 17 марта 2025 г., Новосибирск — Шерегеш / под ред. Е.И. Крауса; Новосиб. гос. ун-т. — Новосибирск : ИПЦ НГУ, 2025, С. 6-7 (год публикации - 2025)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Разработана и отлажена программа на ЭВМ для заданного режима открытия/закрытия электропневмоклапанов в устройстве для получения кластера пузырьков, созданном в рамках первого года выполнения проекта, применительно к процессу всплытия кластера бидисперсных пузырьков. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Проведены работы по изготовлению и отладке конструктивных элементов экспериментальной установки для исследования динамики бидисперсного пузырькового кластера. Проведены эксперименты по исследованию динамики бидисперсного кластера пузырьков воздуха в присутствии и в отсутствие поверхностно-активного вещества (ПАВ) на границе раздела фаз в зависимости от соотношения диаметров пузырьков и их количества в кластере, начальной объемной концентрации пузырьков, концентрации ПАВ, расположения пузырьков двух размеров в кластере и режима обтекания пузырьков. В качестве рабочей жидкости использовалась дистиллированная вода и глицерин. Для исследования влияния ПАВ на динамику кластера в воде использовался лаурилсульфат натрия, в глицерине – диламид. Эксперименты проведены в диапазоне изменения коэффициента поверхностного натяжения от 35.2 до 72.5 мН/м. В экспериментах с водой скорость центра масс кластера бидисперсных пузырьков определялась до начала формирования двух монодисперсных кластеров и ее величина составляла u=16.3-34.2 см/с. Начальный диаметр бидисперсного кластера варьировался в диапазоне D=5.8-7.3 см. Начальная объемная концентрация пузырьков в бидисперсном кластере составляла Cv=0.0009-0.04. Диаметр мелких пузырьков варьировался в диапазоне d1=1.30-1.65 мм, диаметр крупных пузырьков варьировался в диапазоне d2=1.6-2.3 мм. В экспериментах с глицерином параметры экспериментов варьировались в следующем диапазоне: u=5.1-6.0 см/с, D=5.0-6.2 см, Cv=0.003–0.02, d1=1.5–3.7 мм, d2=2.4–5.9 мм. Анализ видеокадров процесса всплытия бидисперсного кластера пузырьков при числах Рейнольдса Re>200 показал, что бидисперсный, близкий к сферическому, кластер независимо от наличия ПАВ по мере всплытия расслаивается на два отдельных монодисперсных кластера на некотором расстоянии h* от места формирования бидисперсного кластера. Далее скорость центра масс каждого из этих кластеров различна. В отсутствие ПАВ монодисперсный кластер, образованный из мелких пузырьков диаметром d1, всплывает быстрее, чем монодисперсный кластер, состоящий из крупных пузырьков диаметром d2: u1>u2. В присутствии ПАВ монодисперсный кластер мелких пузырьков всплывает с меньшей скоростью, чем монодисперсный кластер крупных пузырьков: u1<u2. Этот эффект можно объяснить те, что при всплытии кластера пузырьков в присутствии ПАВ возникает касательное напряжение Марангони, приводящее к изменению формы пузырьков и поля скоростей вблизи них, в результате этого пузырьки движутся, как твердые сферы. Выявлено, что при Re>200 по мере увеличения разницы в значениях диаметров пузырьков, входящих в бидисперсный кластер, и концентрации ПАВ расстояние h* уменьшается. Качественная картина всплытия бидисперсного кластера при Re<50 независимо от наличия ПАВ зависит от типа взаимодействия пузырьков в кластере. При бесконтактном всплытии пузырьков бидисперсный кластер не формируется. Данный эффект связан, по-видимому, с отсутствием взаимодействия гидродинамических полей пузырьков. Качественная картина контактного всплытия бидисперсного кластера зависит от соотношения диаметров d2/d1 и количества N1/N2 пузырьков в кластере. При d2/d1>1.56 и N1<N2 (N2 составляет более 70% от общего количества пузырьков в кластере) наблюдается циркуляция периферийных пузырьков в кластере. В процессе циркуляции мелкие пузырьки постепенно отстают от бидисперсного кластера. При d2/d1<1.82 и N1>>N2 (N2 составляет не более 6% от общего количества пузырьков в кластере) процесс всплытия бидисперсного кластера аналогичен характеру всплытия монодисперсного кластера, заключающегося в циркуляции периферийных пузырьков в направлении, противоположном движению пузырьков. При d2/d1>2.13, N1>>N2 (N2 составляет не более 6% от общего количества пузырьков в кластере) не наблюдается формирование бидисперсного кластера. Обнаружено, что скорость бидисперсного кластера в области Re>200 определяется фракцией с наибольшим количеством пузырьков. По мере увеличения N1/N2 скорость бидисперсного кластера возрастает. Выявлено, что по мере увеличения начальной объемной концентрации пузырьков при заданном значении N1/N2 скорость бидисперсного кластера возрастает незначительно. Обнаружено, что при введении ПАВ в жидкость скорость бидисперсного кластера уменьшается по аналогии с динамикой монодисперсного кластера. По мере увеличения концентрации ПАВ скорость бидисперсного кластера уменьшается. Анализ полученных экспериментальных данных показал, что структура кластера (взаимное расположение пузырьков двух размеров в объеме кластера) не влияет на качественную картину всплытия и скорость бидисперсного кластера пузырьков в присутствии и в отсутствие ПАВ. Сформулированы рекомендации по использованию полученных результатов по движению кластера частиц дисперсной фазы (капель, пузырьков) в присутствии ПАВ, полученных в рамках выполнения проекта, при решении прикладной задачи, связанной с повышением эффективности авиационного тушения пожаров с помощью сброса жидкого хладагента, содержащего ПАВ, за счет оптимального выбора размеров капель и их концентрации. Проведены численные параметрические исследования влияния ПАВ на кинематические и динамические характеристики течения, реализующегося при всплытии одиночного и двух соосно расположенных газовых пузырьков, в широком диапазоне изменения определяющих параметров. Для одиночного пузырька показано, что соотношение констант, определяющих скорости сорбции и десорбции ПАВ на межфазной границе, влияет на установившееся распределение поверхностной концентрации ПАВ и режим всплытия. Для субмиллиметровых пузырьков при доминировании сорбционных процессов реализуется режим всплытия близкий к стоксовскому, а при доминировании десорбции влияние ПАВ на динамику всплытия незначительно. Показано, что с ростом числа Галилея Ga влияние ПАВ на скорость всплытия и деформацию пузырька уменьшается; при этом за пузырьком реализуются циркуляционные зоны. Для двух соосно расположенных пузырьков показано, что распределение поверхностной концентрации ПАВ на верхнем пузырьке незначительно отличается от случая одиночного пузырька. При этом на нижнем пузырьке в окрестности его лобовой части формируется зона повышенной концентрации, что приводит к проявлению в этой области эффекта Марангони. При Ga>100 нижний пузырек испытывает достаточно большие деформации границы, а в потоке между пузырьками реализуется циркуляционная зона. Динамика изменения формы пузырьков и кинематические характеристики процесса зависят от начального размера пузырьков и расстояния между ними.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта представляют интерес при решении практической задачи, связанной с повышением эффективности авиационного тушения пожаров с помощью сброса жидкого хладагента. В рамках выполнения проекта сформулированы рекомендации по использованию результатов исследований движения кластера деформируемых частиц дисперсной фазы в присутствии поверхностно-активного вещества при решении прикладной задачи повышения эффективности технологии тушения пожаров сбросом хладагента, содержащего поверхностно-активное вещество.