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.

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.

Ожидаемые результаты: 2021 г. Достигнутые результаты: 2021 г.

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.

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 p – V – T 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.

Ожидаемые результаты: 2022 г. Достигнутые результаты: 2022 г.
В процессе разработки проекта будут впервые получены следующие ожидаемые результаты: будет проведено определение спектра теплофизических и геометрических параметров, вызывающих возникновение надкритических течений в изотермических многокомпонентных газовых смесях; для подобранных тройных систем численным образом будут получены изоконцентрационные распределения в вертикальных каналах; будут исследованы экспериментально барические зависимости концентраций в нескольких смесях при различных соотношениях между коэффициентами диффузии; будет проведено исследования  влияния диффузионных механизмов на гидродинамику смешивающихся многокомпонентных систем, претерпевающих кинетический переход в конвективную фазу при массопереносе в цилиндрическом и плоском каналах; будут изучены экспериментальным и численным образом условия возникновения и развития конвективных течений в вертикальных каналах заданной геометрии при различных давлениях и наличии примесей компонентов; численным образом будут оценены зависимости критического времени, необходимого для формирования надкритических течений от параметров задачи: коэффициентов диффузии, скорости парциальных потоков компонентов и концентраций.

Проведено определение спектра теплофизических и геометрических параметров, вызывающих возникновение надкритических течений в изотермических многокомпонентных газовых смесях. Физическая интерпретация по возникновению конвективной неустойчивости и последующего развития гидродинамических возмущений детально описаны в литературе. Однако использование формализма тепловой задачи Рэлея для описания изотермического многокомпонентного смешения при условиях начальной устойчивой стратификации смеси требует учитывать влияние уже нескольких парциальных градиентов концентраций.  Важность такой корректировки была показана в работах исследовательской группы, в которых было установлено, что в тройных системах с различными молекулярными весами Mi и различными коэффициентами диффузии Dij имеют место затухающие и нарастающие конвективные возмущения. Последние могут являться причиной возникновения структурированных течений при многокомпонентной диффузии. Однако такой подход определяет только границу смены режимов «диффузия – конвекция» в области заданных теплофизических и геометрических параметров. Процесс возникновения структурированных конвективных течений и их последующая эволюция на границе смены режимов «диффузия – конвекция» может быть описан численным образом. В результате был разработан алгоритм решения возмущенных уравнений диффузии и конвекции, который в вертикальном канале различных геометрий позволил определить спектр теплофизических и геометрических параметров, вызывающих возникновение надкритических течений в изотермических многокомпонентных газовых смесях.

2. Для тройных систем, где коэффициенты диффузии существенным образом отличаются друг от друга, численным образом получены изоконцентрационные распределения в вертикальных каналах. Для тройных систем H2O + CH2O2 – Ar, He + Ar – N2, He + R12 – Ar, H2 + CO2 – N2, CH3OH + H2O – Ar, где коэффициенты диффузии значительно отличаются, численным образом на основе схемы расщепления по физическим параметрам, получены изоконцентрационные распределения компонентов при различных временах смешения. Определение конвективной неустойчивости может быть связано с существенным искривлением изоконцентрационных распределений, которые отсутствуют при диффузии. Степень искривленности концентрационных распределений зависит от содержания компонента с наибольшим молекулярным весом в системе. При определенных составах искривление исчезает и в системе реализуется диффузия. Аналогичная ситуация проявляется и для системы с заданным исходным составом и различными давлениями. Существует определенное значение давления, при котором наступает существенное искривление изолиний, показывающее, что в системе формируются условия для возникновения надкритических течений.

3. Экспериментально исследованы барические зависимости концентраций компонентов в нескольких смесях при различных соотношениях между коэффициентами диффузии. Для тройных смесей H2 + CO2 – N2, He + R12 – Ar, где коэффициенты диффузии существенным образом отличаются друг от друга, экспериментальным образом была изучена барическая скорость смешения компонентов. Было установлено, что при определенных давлениях наблюдается кинетический переход «диффузия – конвекция». Дальнейший рост давления вызывает появление надкритических течений, осуществляющих преимущественный перенос компонентов с наибольшим молекулярным весом. Для системы N2 + CO2 – Ar, где коэффициенты диффузии близки друг к другу, при всех давлениях опыта наблюдалась диффузия. Смена режимов «диффузия – конвекция» в этой системе не наблюдалась.

4. Оценено влияние вязкости смеси и геометрических характеристик каналов. Проведено сравнение опытных данных с расчетными. Для исследования влияния вязкости и геометрии диффузионного канала на возникновение конвективных течений была проведена серия опытов со следующими трехкомпонентными системами 0,440 He (1) + 0,560 CO2 (2) – N(3) и 0,788 CO2 (1) + 0,212 C3H8 – N2O (3). При этом первая смесь изучалась в цилиндрическом диффузионном канале, где в качестве характерного влияющего параметра рассматривается диаметр канала равный 4·10-3 м, а вторая в плоском вертикальном канале, где толщина канала, равная 6·10-3 м, является характерным влияющим параметром. При этом увеличение характерного влияющего параметра на два порядка приводит к уменьшению значения давления, при котором происходит переход от диффузионного процесса к неустойчивому. В первой системе переход от диффузионного процесса к конвективному происходит при давлении 0,58 МПа, а для второй системы при давлении 0,39 МПа, что обусловлено также влиянием вязкости диффундирующих компонентов. В системе 0,440 He (1) + 0,560 CO2 (2) – N(3) вязкости диффундирующих компонентов практически одинаковые, а в системе 0,788 CO2 (1) + 0,212 C3H8 (2) – N2O (3) первый и третий компоненты имеют близкие значения вязкостей, а коэффициент вязкости второго компонента (пропана) примерно в 2 раза меньше. Такое различие в значениях вязкостей при практически одинаковых коэффициентах диффузии приводят к тому, что в системе 0,788 CO2 (1) + 0,212 C3H8 – N2O (3) неустойчивость проявляется при значительно меньших значениях давления. Таким образом, проведенные исследования показали, что на интенсивность неустойчивого процесса оказывает влияние не только форма диффузионного канала, но и вязкость диффундирующих компонентов. Для рассматриваемых систем были построены карты устойчивости в координатах (Ra2p), где Ra2 – число Рэлея самого тяжелого компонента смеси. Полученные численные данные находятся в хорошем согласии результатами, проведенных экспериментов.

Состав исследовательской группы:

  1. 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 – 6/5.
  2. Федоренко Ольга Владимировна (Researcher ID 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. Калимов Адилет Болатович, магистр, PhD докторант третьего года обучения по специальности «Физика», исполнитель проекта.
  7. Ходарина Наталья Николаевна, исполнитель проекта. Исследовательская деятельность: радиационные технологии, материаловедения. Индекс Хирша по базам цитирования Scopus и Web of Science – 2.
  8. Бондарева Полина Владимровна, исполнитель проекта, магистр.
  9. Жусанбаева Айым Канатовна, магистр, докторант PhD третьего года обучения, исполнитель проекта.

Список публикаций за 2022 год:

Опубликовано 3 научные работы в журналах, индексируемых базой данных Scopus:

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).

Вам может также понравиться...