Жобаның өзектілігі: Ұсынылған жобаның өзектілігі жоғары. Материалдарды өндірудің, көмірсутек шикізатын өндірудің, табиғи құбылыстарды болжаудың заманауи технологиялары сұйықтықтар мен газдардағы жылу мен масса алмасу процестерінің барабар сипаттамасын талап етеді, олар, әдетте, көптеген компоненттері бар әртүрлі заттардың қоспалары болып табылады. Көп компонентті қоспаларды сипаттаудағы қиындықтар жылу берудің және массаның бірнеше тетіктерінің болуымен (конвекция, жылу өткізгіштік, диффузия, термодиффузия, диффузиялық жылу өткізгіштік), ал үш және одан да көп компоненттерден тұратын жүйелер үшін айқас диффузиялық әсерлерді есепке алу қажеттілігімен айқындалады. Мұндай жүйелердің мінез – құлқын басқару үшін көп компонентті араластырудың диффузиялық және конвективті сатыларында да, «диффузия-концентрациялық гравитациялық конвекция»режимдерінің өзгеру шекарасында да аралас масса алмасудың ерекшеліктері туралы жаңа білім қажет.
Қолданыстағы аналогтардан зерттеудің негізгі ерекшелігі: әртүрлі жылу физикалық қасиеттері бар компоненттері бар үш және төрт компонентті газ қоспалары үшін тұрақтылық шекараларын анықтау бойынша жаңа эксперименттік және есептік деректерді алу; олардың қалыптасуының бастапқы кезеңінде критикалық ағымдарды зерттеу; зертханалық жағдайда әртүрлі әдістермен алынған тәжірибелік деректермен сандық зерттеулердің нәтижелерін тексеру.
Жобада көзделген жұмыстар іргелі зерттеулерге жатады, оларды орындау нәтижесінде көп компонентті гидродинамикалық жүйелердің орнықтылығы мен сызықты емес динамикасы саласында қағидатты жаңа және әлемдік деңгейге сәйкес нәтижелер алынатын, олардың мінез-құлқын басқарудың жаңа әдістері әзірленетін болады. Көп компонентті ауыстыру бойынша зерттеу нәтижелері қоршаған ортаға экологиялық жүктемені азайту технологияларында, мысалы, бөлу технологияларында пайдаланылуы мүмкін, бұл Қазақстанның әлеуметтік-экономикалық дамуының ұлттық басымдықтарына сәйкес келеді.
Жұмыста қойылған мақсаттар мен негіздемелерге қол жеткізу үшін зерттеу жүргізудің келесі негізгі тәсілдері қолданылады:
Жобада қолданылатын ғылыми-зерттеу тәсілдері физикалық кинетика мен гидродинамиканың іргелі заңдарына, көп компонентті масса тасымалына негізделген. Эксперименттік тәсілдер екі бағаналы әдіс пен диффузиялық көпір әдісін қолдануға негізделген. Көрсетілген әдістерді іске асыратын эксперименттік стендтерде көп компонентті диффузиялық және конвективті араластырудың стационарлық, квазистационарлық және стационарлық емес процестерін бақылау зерттелетін газ қоспаларының ерекше режимдері мен қасиеттерін зерттеуге мүмкіндік береді. Нәтижесінде біріктірілген масса алмасудың негізгі ерекшеліктерін сипаттайтын тәжірибелік мәліметтер жиынтығы алынады.
Жобада қолданылатын есептеу-теориялық және сандық әдістер көп компонентті қоспаға термофизикалық және геометриялық параметрлердің әсерін зерттеудің жаңа құралдары болып табылады. Сандық модельдеу гидродинамиканың стационарлық емес теңдеулер жүйесін бірлесіп шешуге, тәуелсіз диффузия мен күй теңдеуінің жағдайын ескере отырып, қоспаның бөлшектері мен компоненттерінің санын сақтауға негізделген. Сандық есептеулер үшін жұмыста тиімді параллельді сандық әдістер мен алгоритмдер қолданылады, ал алынған нәтижелер басқа авторлардың есептеулерімен және эксперименттік нәтижелермен салыстырылады. Әзірленетін математикалық модельдердің дұрыстығын дәлелдеу мақсатында тест есептерін есептеу жүргізілетін болады. Сандық модельдеу нәтижелері эксперименттік зерттеулермен біріктіріледі, бұл осы жобаның міндеттерін орындау кезінде маңызды әдістемелік ерекшелік болып табылады.
Жобаның мақсаты: Изотермиялық үштік газ қоспаларының механикалық тепе-теңдігін сандық зерттеу, әртүрлі жағдайларда (қысым, қоспаның құрамы, диффузия коэффициенттері арасындағы қатынас) туындайтын концентрациялық гравитациялық ағымдардың динамикалық сипаттамаларын анықтау, «диффузия – конвекция»өту шекарасын анықтауға айқас әсерлердің әсері туралы есептік деректер алу. Нәтижелерді тексеру үшін эксперименттер жүргізу.
| Күтілетін нәтижелер: 2021 ж. | Қол жеткізілген нәтижелер: 2021 ж. |
| Жобаны әзірлеу процесінде алғаш рет мынадай күтілетін нәтижелер алынады: 1. Көп компонентті қоспалардағы диффузиялық режимдердің конвективті режимдерге ауысуы орын алатын кинетикалық араластыру режимдерінің оңтайлы термобарикалық және концентрациялық жағдайларын анықтауға мүмкіндік беретін механикалық тепе-теңдіктің тұрақтылығына талдау және есептеу алгоритмдерін әзірлеу жүргізілетін болады; 2. Изотермиялық көпкомпонентті газ қоспаларында критикалық ағындардың пайда болуына әкелетін жылуфизикалық және геометриялық параметрлердің спектрін анықтау; 3. Диффузиялық механизмдердің цилиндрлік және жазық арналарда масса алмасу кезінде конвективті фазаға кинетикалық ауысуы ұшырайтын аралас көп компонентті жүйелердің гидродинамикасына әсерін зерттеу жүргізілетін болады; 4. Түрлі қысымдар мен көпкомпонентті қоспалардың бастапқы құрамдары кезінде пульсациялық режимде критикалық ағынның бастапқы фазасының генерациясын зерттеу жүргізілетін болады; 5. Қатты бетіндегі байланыс сызығының қозғалысын ескере отырып, тығыздығы әртүрлі ортадағы екі параллель қатты беттердің арасында орналасқан конвективті структуралық құрылымның мінез-құлқы зерттеледі.
| Механикалық тепе-теңдіктің тұрақтылығына талдау жасалды және диффузиялық режимнің конвективтіге ауысатын көп компонентті қоспалардағы кинетикалық араластыру режимдерінің оңтайлы термобариялық және концентрациялық жағдайларын анықтауға мүмкіндік беретін есептеу алгоритмдері жасалды. Үш компонентті газ қоспаларында компоненттердің әртүрлі диффузиялық жылдамдығына байланысты изотермиялық диффузияда күтілетін парциалды масса тасымалын бұрмалайтын конвекцияны жүзеге асыру шарттары пайда болатындығы көрсетілген. Концентрациялық өрістерді ұйымдастырудың ерекшелігі, олар қоспаның тығыздығы биіктікке дейін төмендеген жағдайда пайда болатындығы анықталды. Тұрақтылық теориясы аясында изотермиялық үш компонентті қоспаның гидродинамикалық теңдеулер жүйесінің шешімі қарастырылды. Жазық вертикал диффузиялық канал үшін нақты p – V – T жағдайлары үшін диффузиялық күйден конвективті күйге ауысуды болжауға мүмкіндік беретін шекаралық қатынас алынады. Рэлейдің критикалық сандары жұп және тақ шешімдер үшін анықталған, сонымен қатар конвективті араластыру жылдамдығына тән мәндер алынған. Дамыған конвекция жағдайында қысымға байланысты компоненттердің тасымалдау қарқындылығының өзгеруі конвективті ағындардың түрлерін анықтайтын ұйытқу режимімен байланысты екендігі көрсетілген. «Диффузия – конвекция» кинетикалық ауысу моделін әзірлеу бойынша жұмыс жүргізілуде. Вертикал цилиндрлік канал үшін Рэлейдің критикалық сандары анықталады. |
| Қол жеткізілген нәтижелер: 2022 ж. | Қол жеткізілген нәтижелер: 2022 ж. |
| Жобаны әзірлеу процесінде алғаш рет мынадай күтілетін нәтижелер алынатын болады: изотермиялық көп компонентті газ қоспаларында критикалық ағындардың пайда болуына әкелетін жылуфизикалық және геометриялық параметрлердің спектрін анықтау жүргізілетін болады; іріктелген үш еселік жүйелер үшін тік арналарда изоконцентрациялық таратулар сандық түрде алынатын болады; диффузия коэффициенттері арасындағы әртүрлі арақатынастар кезінде бірнеше қоспалардағы концентрациялардың барикалық тәуелділігі эксперименталды түрде зерттелетін болады; Цилиндрлік және жазық арналарда масса алмасу кезінде конвективті фазаға кинетикалық ауысуға ұшырайтын аралас көп компонентті жүйелердің гидродинамикасына диффузиялық механизмдердің әсері зерттеледі; берілген геометрияның тік арналарында конвективті ағымдардың пайда болуы мен даму шарттары әртүрлі қысымдар мен компоненттер қоспаларының болуы кезінде эксперименттік және сандық түрде зерттеледі; сыни ағындарды қалыптастыру үшін қажетті критикалық уақыттың мәселенің параметрлеріне тәуелділігі сандық түрде бағаланады: диффузия коэффициенттері, компоненттердің ішінара ағындарының жылдамдығы және концентрациялары. | Изотермиялық көп компонентті газ қоспаларында критикалық ағындардың пайда болуына әкелетін термофизикалық және геометриялық параметрлердің спектрін анықтау жүргізілді. Конвективті тұрақсыздықтың пайда болуы және гидродинамикалық бұзылулардың кейінгі дамуы туралы физикалық түсінік әдебиетте егжей-тегжейлі сипатталған. Алайда, Рэйлейдің жылу есебінің формализмін қоспаның бастапқы тұрақты стратификациясы жағдайында изотермиялық көп компонентті араластыруды сипаттау үшін қолдану бірнеше жартылай концентрация градиенттерінің әсерін ескеруді қажет етеді. Мұндай түзетудің маңыздылығы зерттеу тобының еңбектерінде көрсетілді, онда әртүрлі молекулалық салмақтары бар Mi және әртүрлі Dij диффузиялық коэффициенттері бар үштік жүйелерде конвективті бұзылулардың төмендеуі және жоғарылауы байқалады. Соңғысы көп компонентті диффузиямен құрылымдық ағымдардың пайда болуына себеп болуы мүмкін. Алайда, бұл тәсіл термофизикалық және геометриялық параметрлер саласындағы «диффузия – конвекция» режимдерінің өзгеру шекарасын ғана анықтайды. «Диффузия – конвекция» режимдерінің өзгеру шекарасындағы құрылымдалған конвективті ағымдардың пайда болу процесін және олардың кейінгі эволюциясын сандық түрде сипаттауға болады. Нәтижесінде диффузия мен конвекцияның бұзылған теңдеулерін шешу алгоритмі жасалды, ол әртүрлі геометриялардың тік каналында изотермиялық көп компонентті газ қоспаларында критикалық ағымдардың пайда болуына әкелетін термофизикалық және геометриялық параметрлердің спектрін анықтауға мүмкіндік берді. 2. Диффузия коэффициенттері бір-бірінен айтарлықтай ерекшеленетін үштік жүйелер үшін тік арналардағы изоконцентрациялық үлестірімдер сандық түрде алынады. Үш тікжүйелер үшін H2O + CH2O2 – Ar, He + Ar – N2, He + R12 – Ar, H2 + CO2 – N2, CH3OH + H2O – Ar, мұнда диффузия коэффициенттері айтарлықтай ерекшеленеді, физикалық параметрлер бойынша бөлу схемасы негізінде компоненттердің изоконцентрлік таралуы әртүрлі араластыру уақыттарында алынады. Конвективті тұрақсыздықты анықтау диффузияда жоқ изоконцентрациялық үлестірулердің айтарлықтай қисықтығымен байланысты болуы мүмкін. Концентрациялық үлестірімнің қисықтық дәрежесі жүйеде ең жоғары молекулалық салмағы бар компоненттің құрамына байланысты. Белгілі бір қосылыстарда қисықтық жоғалады және диффузия жүйеде жүзеге асырылады. Ұқсас жағдай бастапқы құрамы мен әртүрлі қысымдары бар жүйе үшін де көрінеді. Қысымның белгілі бір мәні бар, онда оқшаулаудың айтарлықтай қисықтығы пайда болады, бұл жүйеде критикалық ағымдардың пайда болуы үшін жағдайлар қалыптасатынын көрсетеді. 3. Диффузия коэффициенттері арасындағы әртүрлі қатынастардағы бірнеше қоспалардағы компоненттер концентрациясының барикалық тәуелділігі эксперименталды түрде зерттелді. Диффузия коэффициенттері бір – бірінен айтарлықтай ерекшеленетін H2 + CO2 – N2, He + R12-Ar үштік қоспалары үшін компоненттердің барикалық араластыру жылдамдығы эксперименталды түрде зерттелді. Белгілі бір қысым кезінде «диффузия – конвекция» кинетикалық ауысуы байқалады. Қысымның одан әрі өсуі ең жоғары молекулалық салмағы бар компоненттердің басым берілуін жүзеге асыратын критикалық ағымдардың пайда болуына әкеледі. Диффузия коэффициенттері бір – біріне жақын орналасқан N2 + CO2-Ar жүйесі үшін барлық тәжірибе қысымында диффузия байқалды. Бұл жүйеде» диффузия – конвекция » режимдерінің өзгеруі байқалмады. 4. Қоспаның тұтқырлығы мен каналдардың геометриялық сипаттамаларының әсері бағаланды. Тәжірибелік деректерді есептеулермен салыстыру жүргізілді. Диффузиялық арнаның тұтқырлығы мен геометриясының конвективті ағымдардың пайда болуына әсерін зерттеу үшін келесі үш компонентті жүйелермен 0,440 He (1) + 0,560 CO2 (2) – N2 (3) және 0,788 CO2 (1) + 0,212 C3H8 – N2O (3) бірқатар тәжірибелер жүргізілді. Сонымен қатар, бірінші қоспасы цилиндрлік диффузиялық арнада зерттелді, онда арнаның диаметрі 4·10-3 м-ге, ал екіншісі-арнаның қалыңдығы 6·10-3 м-ге тең болатын тегіс тік арнада сипаттамалық әсер ету параметрі қарастырылады. Бұл жағдайда сипаттамалық әсер ету параметрінің екі ретті жоғарылауы қысымның төмендеуіне әкеледі, онда диффузиялық процестен тұрақсызға ауысу жүреді. Бірінші жүйеде диффузиялық процестен конвективке ауысу 0,58 МПа қысымда, ал екінші жүйе үшін 0,39 МПа қысымда жүреді, бұл диффузиялық компоненттердің тұтқырлығының әсеріне байланысты. 0,440 Нe (1) + 0,560 CO2 (2) – N2 (3) жүйесінде диффузиялық компоненттердің тұтқырлығы бірдей, ал 0,788 CO2 (1) + 0,212 C3H8 (2) – N2O (3) жүйесінде бірінші және үшінші компоненттер тұтқырлық мәндеріне жақын, ал екінші компоненттің тұтқырлық коэффициенті (пропан) шамамен 2 есе аз. Диффузияның бірдей коэффициенттері бар тұтқырлық мәндеріндегі мұндай айырмашылық 0,788 CO2 (1) + 0,212 C3H8 – N2O (3) жүйесінде тұрақсыздық қысымның едәуір төмен мәндерінде көрінеді. Осылайша, зерттеулер тұрақсыз процестің қарқындылығына диффузиялық каналдың формасы ғана емес, сонымен қатар диффузиялық компоненттердің тұтқырлығы да әсер ететіндігін көрсетті. Қарастырылып отырған жүйелер үшін координаталарда тұрақтылық карталары жасалды (Ra2, p), мұндағы Ra2 – қоспаның ең ауыр компонентінің Рейлей саны. Алынған сандық деректер жүргізілген эксперименттердің нәтижелерімен жақсы үйлеседі. |
Зерттеу тобының құрамы:
- Жоба жетекшісі Косов Владимир Николаевич (Researcher ID Web of Science: E-4057-2015; Scopus ID:7003898941; ORCID ID: 0000-0002-8001-1644) – ф.-м.ғ. д., профессор, ҚР ҰҒА корреспондент-мүшесі, Ресей Жаратылыстану Ғылымдары Академиясының шетелдік мүшесі, газдар физикасы саласындағы танымал ғалым. Scopus және Web of Science дәйексөз базалары бойынша Хирша индексі -6/5.
- Федоренко Ольга Владимировна (researcher ID Web of Science: N-4847-2014), физика-математика ғылымдарының кандидаты. Зерттеу қызметі: көп компонентті жүйелердегі диффузиялық және конвективті жылу беру. Scopus және Web of Science дәйексөз базалары бойынша Хирш индексі-5/3.
- Құлжанов Дүйсембек Урингалиұлы (Scopus зерттеушісінің идентификаторы: 6506553349), физика-математика ғылымдарының докторы, профессор, жобаны орындаушы. Зерттеу қызметі: жылу физикасы, көздердегі жылу және масса алмасу. Scopus және Web of Science дәйексөз базалары бойынша Хирш индексі – 2/3.
- Мукамеденкызы Венера (Researcher ID Web of Science: O-2430-2017), физика-математика ғылымдарының кандидаты, жоба орындаушысы. Зерттеу қызметі: жылу физикасы, көздердегі жылу және масса алмасу. 20-дан астам ғылыми жұмыстардың авторы. Web of Science және Scopus дәйексөз базалары бойынша Хирша индексі-2 .
- Ақжолова Әлия Әбдірайымқызы (ID ғылыми қызметкер және Scopus: 563666282000), ғылым кандидаты, доктор, жобаны орындаушы.Зерттеу қызметі: жылу физикасы, физикалық білім архитектурасы. Scopus және Web of Science дәйексөз базалары бойынша Хирша индексі-2.
- Калимов Әділет Болатұлы, магистр, «Физика» мамандығы бойынша үшінші оқу жылының PhD докторанты, жобаны орындаушы.
- Ходарина Наталья Николаевна, жоба орындаушысы. Зерттеу қызметі: радиациялық технологиялар, материалтану. Scopus және Web of Science дәйексөз базалары бойынша Хирша индексі -2.
- Бондарева Полина Владимировна, жоба орындаушысы, магистр.
- Жусанбаева Айым Канатовна, магистр, үшінші оқу жылының PhD докторанты, жобаны орындаушы.
2022 жылдың жарияланымдар тізімі:
Scopus деректер базасымен индекстелетін журналдарда 3 ғылыми жұмыс жарияланды:
1 Kossov V., Fedorenko O., Asembaeva M., Mukamedenkyzy V., Moldabekova M. Intensification of the separation of isothermal ternary gas mixtures containing carbon dioxide // Chem. Eng. Technol. – 2021. – Vol. 44, No. 11. – P. 2034 – 2040. DOI:10.1002/ceat.202100241. (процентиль – 61%). (Статья не вошла в отчет 2021 года).
2 Kossov V., Fedorenko O., Zhakebayev D., Mukamedenkyzy V., Kulzhanov D. Convective mass transfer of a binary gas mixture in an inclined channel // Z Angew Math Mech. – 2022. – Vol. 102, No. 1. – e201900197. https://doi.org/10.1002/zamm.20190019. (процентиль – 64%).
3 Kossov V.N., Fedorenko O.V., Zhaneli M., Mukhatova K. Multicomponent mixing on the “diffusion – convection” transition boundary at elevated pressures // Journal of Physics: Conference Series. 2022. – Vol. 2150, No. 1. – 012014. DOI:10.1088/1742-6596/2150/1/012014. (процентиль – 18%).
Опубликован тезис по международной конференции:
4 Косов В.Н., Федоренко О.В., Мейрамбекулы Е. Особенности возникновения структурированных течений на границе смены режимов «диффузия – концентрационная конвекция» XI Международная научная конференция «Проблемы эволюции открытых систем ПЭОС – 21». – Казахстан, Алматы, – 2021 – С. 17 – 19. (Тезис не вошёл в отчет 2021 года).
