ИРН AP09259248 «Возникновение концентрационной гравитационной конвекции при многокомпонентной диффузии в устойчиво — стратифицированных средах»

Актуальность проекта: Актуальность предлагаемого проекта высокая. Современные технологии производства материалов, добычи углеводородного сырья, прогнозирования природных явлений требуют адекватного описания процессов переноса тепла и массы в жидкостях и газах, которые, как правило, представляют собой смеси различных веществ с большим числом компонентов. Сложности в описании многокомпонентных смесей определяются наличием нескольких механизмов переноса тепла и массы (конвекция, теплопроводность, диффузия, термодиффузия, диффузионная теплопроводность), а для систем, состоящих из трех и более компонентов, необходимости учета перекрестных диффузионных эффектов. Для управления поведением таких систем необходимы новые знания особенностей комбинированного массопереноса как в диффузионной и конвективной стадиях многокомпонентного смешения, так и на границе смены режимов «диффузия – концентрационная гравитационная конвекция».

Принципиальной отличительной особенностью исследования от существующих аналогов является: получение новых экспериментальных и расчетных данных по определению границ устойчивости для трех- и четырехкомпонентных газовых смесей, содержащих компоненты с различными теплофизическими свойствами; исследование надкритических течений на начальной стадии их формирований; верификация результатов численных исследований с опытными данными, полученными различными методами в лабораторных условиях.

Предусмотренные в проекте работы относятся к фундаментальным исследованиям, в результате выполнения которых будут получены принципиально новые и соответствующие мировому уровню результаты в области устойчивости и нелинейной динамики многокомпонентных гидродинамических систем, разработаны новые методы управления их поведением. Результаты исследования по многокомпонентному переносу могут быть использованы в технологиях по снижению экологической нагрузки на окружающую среду, например, в технологиях разделения, что соответствует национальным приоритетам социально-экономического развития Казахстана.

В работе используются следующие основные подходы к проведению исследований для достижения поставленных целей и обоснования:

Научно-исследовательские подходы, применяемые в проекте, базируются на фундаментальных законах физической кинетики и гидродинамики, многокомпонентного массопереноса. Экспериментальные подходы основаны на применении двухколбового метода и метода диффузионного моста. Наблюдения за стационарным, квазистационарным и нестационарным процессами многокомпонентного диффузионного и конвективного смешения в экспериментальных стендах, реализующих указанные методики, позволят исследовать особые режимы и свойства исследуемых газовых смесей. В результате будет получен спектр опытных данных, характеризующий основные особенности комбинированного массопереноса.

Расчетно-теоретические и численные методы, используемые в проекте, являются новыми инструментами для исследования влияния теплофизических и геометрических параметров на многокомпонентную смесь. Численное моделирование основывается на совместном решении системы нестационарных уравнений гидродинамики, сохранения числа частиц смеси и компонентов, с учетом условия независимой диффузии и уравнения состояния. Для численных расчетов в работе будут применяться эффективные параллельные численные методы и алгоритмы, а полученные результаты сравниваться с расчетными данными других авторов и экспериментальными результатами. С целью доказательства адекватности разрабатываемых математических моделей будет произведен расчет тестовых задач. Результаты численного моделирования будут комбинироваться с экспериментальными исследованиями, что является важной методической особенностью при выполнении задач данного проекта.

 

  1. Целью проекта является: Численное исследование механического равновесия изотермических тройных газовых смесей, определение динамических характеристик возникающих концентрационных гравитационных течений при различных условиях (давление, состав смеси, соотношение между коэффициентами диффузии), получение расчетных данных о воздействии перекрестных эффектов на определение границ перехода «диффузия – конвекция». Проведение экспериментов для верификации результатов.
  2. Ожидаемые результаты: В процессе разработки проекта будут впервые получены следующие ожидаемые результаты: 1. Будет проведен анализ на устойчивость механического равновесия и разработка вычислительных алгоритмов, позволяющих определять оптимальные термобарические и концентрационные условия кинетических режимов смешения в многокомпонентных смесях, в которых происходит смена диффузионных режимов на конвективные; 2. Будет определение спектр теплофизических и геометрических параметров, вызывающих возникновение надкритических течений в изотермических многокомпонентных газовых смесях; 3. Будет проведено исследование влияния диффузионных механизмов на гидродинамику смешивающихся ммногокомпонентных систем, претерпевающих кинетический переход в конвективную фазу при массопереносе в цилиндрическом и плоском каналах; 4. Будет проведено исследование генерации начальной фазы надкритического течения в пульсационном режиме при различных давлениях и исходных составах многокомпонентных смесей; 5. Будут изучены поведения конвективного структурного формирования, находящегося между двумя параллельными твердыми поверхностями в среде отличающейся плотности, с учетом движения линии контакта по твердой поверхности.

Достигнутые результаты: Проведен анализ на устойчивость механического равновесия и разработаны вычислительные алгоритмы, позволяющие определять оптимальные термобарические и концентрационные условия кинетических режимов смешения в многокомпонентных смесях, в которых происходит смена диффузионных режимов на конвективные. Показано, что в тройных газовых смесях вследствие разной диффузионной скорости компонентов возникают условия для реализации конвекции, искажающей ожидаемый при изотермической диффузии парциальный массоперенос. Установлено, что особенность организации концентрационных полей заключается в том, что они формируются при условии уменьшения плотности смеси с высотой. В рамках теории устойчивости рассмотрено решение системы уравнений гидродинамики для изотермической тройной смеси.  Для плоского вертикального диффузионного канала получено граничное соотношение, позволяющее для конкретных pVT условий прогнозировать переход из диффузионного состояния в конвективное. Определены критические числа Рэлея для четных и нечетных решений, а также получены характерные значения для скорости конвективного смешения. Показано, что в условиях развитой конвекции изменение интенсивности переноса компонентов в зависимости от давления связано с модой возмущений, определяющей различные виды конвективных течений.

Ведется работа по  разработке модели кинетического перехода «диффузия – конвекция». Для вертикального цилиндрического канала будут определены критические числа Рэлея.

  1. Имена и фамилии членов исследовательской группы с их идентификаторами (Scopus Author, Researcher ID, ORCID ID если имеются) и ссылками на соответствующие профили:
  2. Руководитель проекта, Косов Владимир Николаевич (Researcher ID Web of Science: E-4057-2015; Scopus ID: 7003898941; ORCID ID:0000-0002-8001-1644) – д.ф.-м.н., профессор, член-корреспондент НАН РК, иностранный член Российской Академии Естественных Наук, известный ученый в области физики газов. Индекс Хирша по базам цитирования Scopus и Web of Science – 6/4.
  3. Федоренко Ольга Владимировна (ResearcherID Web of Science:N-4847-2014), кандидат физико-математических наук. Исследовательская деятельность: диффузионный и конвективный тепломассоперенос в многокомпонентных системах. Индекс Хирша по базам цитирования Scopus и Web of Science – 5/3.
  4. Кульжанов Дюсембек Урингалиевич (Researcher ID Web of Scopus: 6506553349), доктор физико-математических наук, профессор, исполнитель проекта. Исследовательская деятельность: теплофизика, тепломассоперенос в газах. Индекс Хирша по базам цитирования Scopus и Web of Science – 2/3.
  5. Мухамеденкызы Венера (Researcher ID Web of Science: O-2430-2017), кандидат физико-математических наук, исполнитель проекта. Исследовательская деятельность: теплофизика, тепломассоперенос в газах. Автор более 20 научных работ. Индекс Хирша по базам цитирования Web of Science и Scopus – 2.
  6. Ақжолова Әлия Әбдірайымқызы (Researcher ID Scopus: 563666282000), PhD доктор, исполнитель проекта. Исследовательская деятельность: теплофизика, архитектоника физического образования. Индекс Хирша по базам цитирования Scopus и Web of Science – 2.
  7. Калимов Адилет Болатович, магистр, PhD докторант третьего года обучения по специальности «Физика», исполнитель проекта.
  8. Ходарина Наталья Николаевна, исполнитель проекта. Исследовательская деятельность: радиационные технологии, материаловедения. Индекс Хирша по базам цитирования Scopus и Web of Science – 2.
  9. Бондарева Полина Владимровна, исполнитель проекта, магистр.
  10. Жусанбаева Айым Канатовна, магистр, докторант PhD третьего года обучения, исполнитель проекта.
  11. Список публикаций (со ссылками на них) и патентов за последние 5 лет:
  12. Kossov V., Krasikov S., Fedorenko O. Diffusion and convective instability in multicomponent gas mixtures at different pressures // Eur. Phys. J. Spec. Top. – 2017. – Vol. 226, No. 6. – P. 1177-1187. https://doi.org/10.1140/epjst/e2016-60201-1
  13. Kossov V. , Fedorenko O., Zhakebayev D. Changing diffusion-convection modes in ternary mixtures with a diluent gas // Chem. Eng. Technol. – 2019. – Vol. 42, No. 4. – P 896-902. https://doi.org/10.1002/ceat.201800604.
  14. Kossov V., Zhakebayev D., Fedorenko O. Numerical mass transfer studies in case of convective flows occurrence in isothermal ternary gas mixtures // Comput. Thermal Scien. – 2019. – Vol. 11, No. 1. – 2. – P. 29-39. https://doi.org/10.1615/ComputThermalScien.2018024724.
  15. Kossov V.N., Fedorenko O.V., Zhakebayev D.B., Kizbaev A.P. Peculiarities of the rise of structured formations at the boundary of the change of the regimes «diffusion-concentration convection» at an isothermal mixing of a binary mixture equally diluted by the third component // Thermophys. and Aeromech. – 2019. – Vol. 26, № 1 – P. 27-35. https://doi.org/10.1134/S0869864319010049. (
  16. Zhavrin Y.I., Kosov V.N., Fedorenko O.V., Akzholova A.A. Some features of isothermal multicomponent mass transfer in the convective instability of gas mixture // Theor. Found. Chem. Engin. – 2016. – Vol. 50, No. 2. – P. 171-177. https://doi.org/10.1134/S0040579516020135.
  17. Asembaeva M.K., Kosov V.N., Krasikov S.A., Fedorenko O.V. Effect of the channel inclination angle on convective mixing caused by instability of mechanical equilibrium of ternary gas mixture at isothermal diffusion // Tech. Phys. Letters. – 2019. – Vol. 45, No. 11. – P. 1071-1074. https://doi.org/10.1134/S1063785019110038.
  18. Kosov V.N., Kul’zhanov D.U., Zhavrin Yu.I., Fedorenko O.V. Emergence of convective flows during diffusional mass transfer in ternary gas systems: The effect of component concentrations // Rus. J. Phys. Chem. A. – 2017. – Vol. 91, No. 6. – P. 984-989. https://doi.org/10.1134/S0036024417060127.
  19. Moldabekova M.S., Asembaeva M.K., Akzholova A.A. Experimental Investigation of the Instability of the Mechanical Equilibrium of a Four-Component Mixture with Ballast Gases // J. Engin. Phys. and Thermophys. – 2016. – Vol. 89, N2 – P. 417-421. https://doi.org/10.1007/s10891-016-1391-y
  20. Kosov V.N., Fedorenko O.V. Asembaeva M.K., Mukamedenkyzy V. Changing diffusion-convection modes in ternary mixtures with a diluent gas // Theor. Found. Chem. Engin. – 2020. – Vol. 54, No. 2. – P. 289-296. https://doi.org/10.1134/S0040579520020086.
  21. Косов В.Н., Кульжанов Д.У., Красиков С.А., Федоренко О.В., Калимов А.Б. Модернизация трехступенчатого разделительного модуля для газовых смесей в проточных устройствах // Вестник КазНПУ. Серия физ.- мат. – 2019. – № 2(66). – С. 170-174.
  22. Kosov V., Fedorenko O.V., Mukamedenkyzy V., Kalimov A.B Special modes of diffusion mass transfer in isothermal triple gas mixtures // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1565. 012061. doi:10.1088/1742-6596/1565/1/012061.

 

Международные патенты, включенные в базу данных Derwent Innovations Index

  1. Patent N EA30303-B1. Kosov V.N., Zhavrin Yu.I. Krasikov S.A., Fedorenko O.V. ID Derwent: 2019-23029. Derwent Primary Accession Number: 2019-230298. International Patent Classification: B01D-053/22. Publication Date 31 Jul 2018.

 

  1. Информация для потенциальных пользователей: Проект предполагает изучение конвективной (диффузионной) неустойчивости многокомпонентной смеси в модельных полостях различных геометрических форм при начальном условии уменьшения плотности смеси с высотой. Проведение исследований позволит: спрогнозировать спектр геометрических и теплофизических параметров, при которых в изотермической многокомпонентной смеси образуются конвективные течения, приводящие к синергетическому переносу; изучить механизмы комбинированного массопереноса в многокомпонентных смесях с различными свойствами и разработать новые подходы в управлении поведением систем для конкретных задач.

Научная новизна проекта состоит в численном и экспериментальном исследовании возникновения структурированных течений на границе перехода «диффузия – конвекция» для многокомпонентных газовых систем в широком интервале давлений и исходных составов.

Численным образом предполагается: исследовать устойчивость многокомпонентной смеси с различными свойствами диффундирующих компонентов и нелинейных режимов конвекции на начальной стадии развития; изучить влияния диффузионных механизмов и перекрестных диффузионных эффектов на интенсивность смешения при кинетическом переходе в конвективную фазу массопереноса; для конкретной геометрии канала рассчитать распределения концентраций компонентов, давления и средней скорости при возникновении надкритических конвективных течений при различных соотношениях между коэффициентами диффузии, исходных составах и других параметрах.

Экспериментально двухколбовым методом и методом диффузионного моста предполагается определить границы смены режимов «диффузия – конвекция» и интенсивность надкритических течений при различных давлениях, исходных составах и геометрических характеристиках канала.

Исследования областей диффузии и концентрационной гравитационной конвекции в многокомпонентных системах представляются необходимыми, так как полученные результаты могут быть использованы для управления движением газа и газовых смесей в различных технологических процессах. Полученные впервые результаты могут быть использованы для выбора оптимальных решений в областях транспорта отработанных газов, что будет способствовать снижению экологической нагрузки на окружающую среду.