AP09259248 «Тұрақты стратификацияланған ортада көп компонентті диффузия кезінде концентрациялық гравитациялық конвекцияның пайда болуы».

Жобаның өзектілігі: Ұсынылған жобаның өзектілігі жоғары. Материалдарды өндірудің, көмірсутек шикізатын өндірудің, табиғи құбылыстарды болжаудың заманауи технологиялары сұйықтықтар мен газдардағы жылу мен масса алмасу процестерінің тиісті сипаттамасын талап етеді. Әдетте, олар көптеген компоненттері бар әртүрлі заттардың қоспалары болып табылады. Көп компонентті қоспаларды сипаттаудағы қиындықтар жылу және массаны тасымалдаудың 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 қарастырылған жұмыстар іргелі зерттеулерге жатады, оларды орындау нәтижесінде көп компонентті гидродинамикалық жүйелердің орнықтылығы мен сызықты емес динамикасы саласында түбегейлі жаңа және әлемдік деңгейге сәйкес нәтижелер алынатын, олардың мінез-құлқын басқарудың жаңа әдістері әзірленетін болады. Көп компонентті тасымалдау бойынша зерттеу нәтижелері қоршаған ортаға экологиялық жүктемені азайту технологияларында, мысалы, бөлу технологияларында пайдаланылуы мүмкін, бұл Қазақстанның әлеуметтік-экономикалық дамуының ұлттық приоритетіне 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 жылу физикалық және геометриялық параметрлердің әсерін зерттеудің жаңа құралдары болып табылады. Cандық 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 сәйкестігін  (эквиваленттілігін) дәлелдеу мақсатында тест тапсырмаларын есептеу жүргізілетін болады. Сандық модельдеу нәтижелері эксперименттік зерттеулермен біріктіріледі, бұл осы жобаның міндеттерін орындау кезінде маңызды әдістемелік ерекшелік болып табылады.

  1. Жобаның мақсаты: изотермиялық үш коммпонентті 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 эффектілерінің әсері туралы есептік деректерді алу. Нәтижелерді тексеру үшін эксперименттер жүргізу.
  2. Күтілетін нәтижелер: 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.

Қол жеткізілген нәтижелер: 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 pVT 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.

  1. Зерттеу тобы мүшелерінің аты-жөні, олардың идентификаторлары (Scopus Author, Researcher ID, ORCID ID бар болса) және тиісті профильдерге сілтемелері:
  2. Жоба басқарушысы, 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 Хирш индексі-6/4.
  3. Федоренко Ольга Владимировна (Researcher ID Web of Science:N-4847-2014), физика-математика ғылымдарының кандидаты. Зерттеу қызметі: көп компонентті жүйелердегі диффузиялық және конвективті жылу алмасу. Scopus және Web of Science дәйексөз базалары бойынша Хирш индексі-5/3.
  4. Кульжанов Дюсембек Урингалиевич (Researcher ID Web of Scopus: 6506553349), физика-математика ғылымдарының докторы, профессор, жоба орындаушысы. Зерттеу қызметі: жылу физикасы, газдардағы жылу және масса алмасу. Scopus және Web of Science дәйексөз базалары бойынша Хирш индексі – 2/3.
  5. Мухамеденкызы Венера (Researcher ID Web of Science: O-2430-2017), физика-математика ғылымдарының кандидаты, жоба орындаушысы. Зерттеу қызметі: жылу физикасы, газдардағы жылу және масса алмасу. 20-дан астам ғылыми жұмыстардың авторы. Web of Science және Scopus дәйексөз базалары бойынша Хирш индексі – 2.
  6. Ақжолова Әлия Әбдірайымқызы (Researcher ID Scopus: 563666282000), PhD, жоба орындаушысы. Зерттеу қызметі: жылу физикасы, физикалық білім архитектоникасы. Scopus және Web of Science дәйексөз базалары бойынша Хирш индексі – 2.
  7. Калимов Адилет Болатович, магистр, 3- курс PhD докторанты, мамандығы – «Физика», жоба орындаушысы.
  8. Ходарина Наталья Николаевна, жоба орындаушысы. Зерттеу қызметі: радиациялық технологиялар, материалтану. Scopus және Web of Science дәйексөз базалары бойынша Хирш индексі – 2.
  9. Бондарева Полина Владимировна, жоба орындаушысы, магистр.
  10. Жусанбаева Айым Канатовна, магистр, 3 – курс PhD докторанты, жоба орындаушысы.
  11. Соңғы 5 жылдағы жарияланымдар (оларға сілтеме жасай отырып) мен патенттер тізімі:
  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.

 

Derwent Innovations Index деректер базасына енгізілген халықаралық патенттер

  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. Әлеуетті пайдаланушыларға арналған ақпарат: Жоба әр түрлі геометриялық формалардың модельдік қуыстарындағы көп компонентті қоспаның конвективті (диффузиялық) тұрақсыздығын зерттейді, бастапқы жағдайда қоспаның тығыздығы биіктіктің артуына байланысты төмендейді. Зерттеулер жүргізу келесі мүмкіндіктерге жол береді: изотермиялық көп компонентті қоспада синергетикалық ауысуға әкелетін конвективті ағымдар пайда болатын геометриялық және жылу физикалық параметрлер спектрін болжауға; әртүрлі қасиеттері бар көп компонентті қоспаларда аралас масса алмасу механизмдерін зерттеуге және нақты міндеттер үшін жүйелердің мінез-құлқын басқарудың жаңа тәсілдерін әзірлеуге мүмкіндік береді.

Жобаның ғылыми жаңалығы – қысым мен бастапқы қосылыстардың кең диапазонындағы көп компонентті газ жүйелері үшін диффузия-конвекция өтпелі шекарасындағы құрылымдық ағымдардың пайда болуын сандық және эксперименттік зерттеу.

Сандық түрде келесі мүмкіндіктерге қол жеткізу: дамудың бастапқы кезеңінде диффузиялық компоненттердің және сызықты емес конвекция режимдерінің әртүрлі қасиеттері бар көп компонентті қоспаның тұрақтылығын зерттеу; масса алмасудың конвективті фазасына кинетикалық ауысу кезінде диффузиялық механизмдер мен кросс-диффузиялық әсерлердің араластыру қарқындылығына әсерін зерттеу; арнаның нақты геометриясы үшін диффузия коэффициенттері, бастапқы құрамы және басқа параметрлер арасындағы әр түрлі қатынастар кезінде критикалық конвективті ағымдар пайда болған кезде компоненттердің концентрациясының, қысымның және орташа жылдамдықтың таралуын есептеу.

Тәжірибелік түрде екі бағаналы және диффузиялық көпір әдісі «диффузия – конвекция» режимдерінің өзгеру шекарасын және әртүрлі қысымдардағы, каналдың бастапқы құрамы мен геометриялық сипаттамаларындағы критикалық ағымдардың қарқындылығын анықтау.

Көп компонентті жүйелердегі диффузия және концентрациялық гравитациялық конвекция салаларын зерттеу қажет болып көрінеді, өйткені алынған нәтижелерді әртүрлі технологиялық процестерде газ бен газ қоспаларының қозғалысын басқару үшін пайдалануға болады. Алғаш рет алынған нәтижелер пайдаланылған газдарды тасымалдау саласында оңтайлы шешімдерді таңдау үшін пайдаланылуы мүмкін, бұл қоршаған ортаға экологиялық жүктемені азайтуға ықпал етеді.