Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, Новосибирск
Моделирование режимов работы вихревых реакторов необходимо для интенсификации тепло- и массопереноса. Вихревое перемешивание является распространённым методом интенсификации химических и биологических процессов [1]. Сравнительно недавно внимание исследователей привлекли двухфазные вращающиеся течения в связи с развитием газо-вихревых биореакторов. В отличие от традиционных биореакторов газо-вихревой способ перемешивания лишён основных недостатков таких, как механическое воздействие на выращиваемую культуру, низкий газовый массообмен, наличие застойных зон. Удобной моделью биореактора является вертикальный цилиндрический контейнер, где движение рабочей жидкости генерируется через некоторую жидкую или газообразную среду вращением одного из торцевых дисков [2].
В работе было проведено экспериментальное исследование структуры вихревого течения двух несмешиваемых жидкостей в закрытом вертикальном цилиндрическом контейнере с вращающимся торцом (рис. 1 (а)). Проведено сравнение структуры течения в зависимости от закрутки потока (I) верхним или (II) нижним торцом цилиндра. Исследования вихревого движения проводились в цилиндрических стеклянных контейнерах различного диаметра (90-150 мм). Использовались две несмешиваемые жидкости: (I) водный раствор глицерина с кинематической вязкостью ng = 3 мм2/с и подсолнечное масло с no = 49 мм2/с, (II) водный раствор глицерина с ng = 70 мм2/с и полиметилсилоксановое масло с no = 8 мм2/с.
С помощью методов трековой визуализации потока и PIV был исследован процесс формирования вихревого течения в двухкомпонентной жидкости за счёт центробежной циркуляции в зависимости от закрутки потока верхним или нижним вращающимся торцом. Было установлено, что формирование структуры при закрутке снизу происходит аналогично вихрю при закрутке сверху, поскольку гравитационные силы не оказывают существенного влияния на структуру потока (рис. 1 (б,в)). Выявлено, что деформация границы раздела происходит похожим образом, однако имеются различия в её форме и диапазонах чисел Рейнольдса и Фруда.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ 19-19-00083.
Список литературы:
1. Shtern V. Cellular Flows // Cambridge: Cambridge University Press 2018. 573 p.
2. Naumov I.V., Sharifullin B.R., Tsoy M.A., Shtern V.N. Dual vortex breakdown in a two-fluid confined flow // Phys. Fluids. 2020. V.32. 061706.
Булат Руфкатович Шарифуллин
Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации
Проблема малых концентраций аналита в пробах биологических жидкостей существенно ограничивает использование микропроб для проведения медицинских и химических анализов. Это связано с тем, что концентрация исследуемых веществ, например молекул ДНК или пептидов, очень мала и в микромасштабах в области детектора статистически может не оказаться ни одной исследуемой частицы, что существенно снижает чувствительность детектора и приводит к ложноотрицательным результатам анализов.
Для решения этой проблемы можно использовать электрокинетические эффекты в жидкостях, которые наиболее сильным образом проявляются около ионоселективных поверхностей. В докладе будут представлены результаты численного моделирования процессов самофокусировки взвешенных микромолекул и наночастиц около ионоселективной микросферы. Численные расчеты представляют собой моделирование микроустройства, которое состоит из сферической внешней камеры с помещенной внутрь ионоселективной микрогранулой. В системе также имеется поток жидкости, который возникает как за счет электроосмоса, так и за счет внешнего градиента давления. Экспериментальные результаты исследования аналогичных устройств можно найти в работах [1,2]. Процесс самофокусировки аналогичен процессу образования концентрационной струи в задаче электрофореза [3], поэтому моделируемое устройство можно использовать не только для концентрирования частиц около микрогранулы, но и для создания расслоенного потока, который уносится из выходящего отверстия.
Исследование показало, что степень концентрирования увеличивается с увеличением напряженности внешнего электрического поля, однако начиная с некоторого критического значения напряженности стационарное течение теряет устойчивость [3], что негативно влияет на процесс концентрирования. Таким образом, существует оптимальные значения управляющих параметров, при которых можно добиться максимального концентрирования макромолекул и наночастиц.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, проект 20-79-00044.
1. Wang S.-C., Wei H.-H., Chen H.-P., Tsai M.-H., Yu C.-C., Chang H.-C. Dynamic super- concentration at critical-point double-layer gates of conducting nanoporous granules due to asymmetric tangential fluxes // Biomicrofluidics. 2008. Vol. 2, No. 1. P. 014102.
2. Wang S.-C., Lai Y.-W., Ben Y., Chang H.-C. Microfluidic Mixing by dc and ac Nonlinear Electrokinetic Vortex Flows // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2004. Vol. 43. No. 12. P. 2902–2911.
3. Ganchenko G.S., Frants E.A., Amiroudine S., Demekhin E.A. Instabilities, biffurcations and transition to chaos in electrophoresis of charge-selective micropaticle // Physics of Fluids. 2020. Vol. 32, No 5. P. 054103.
Георгий Сергеевич Ганченко
Сибирский федеральный университет
Рисунок 1.Фото вискозиметра (слева), и фото образца горной породы, помещенного в буровой раствор(справа)
Сооружение геологоразведочных скважин в сложных горно-геологических условиях невозможно без применения современных буровых технологических жидкостей.
Использование комплексов ССК и КССК при бурении скважин, пересекающих зоны тектонических нарушений с глинками трения, в частности хлоритами с полиакриламидными (ПАА) растворами осложняется тем, что происходит гидратация минералов и вымывание цемента и как следствие обрушение стенок скважины. Растворы ПАА не обладают пространственной структурой и поэтому не удерживают шлам (особенно крупный), а укрупняют частицы горных пород (флокуляция) и осаждают последний[1].
В связи с озвученными проблемами была сформирована следующая цель: разработка буровых растворов для сооружения геологоразведочных скважин. Для выполнения данной цели необходимо решить следующие задачи: 1) разработка рецептур буровых растворов; 2) исследование реологических и физических характеристик буровых растворов; 3) расчёт значения перепада давления при прокачивании созданных буровых растворов.
Параметры приготовленных буровых растворов оценивались по методике, изложенной в международном стандарте ISO 10414-1. Реологические параметры измеряли на ротационном вискозиметре OFITE 900 (см.рис.1). Буровые растворы готовили на дистиллированной воде с добавлением химических реагентов: биополимеры ксантанового типа (гаммаксан и флоксан), низковязкая и высоковязкая полианионная целлюлоза (Оснопак). Кроме этого в работе использовали модифицированный крахмал и жидкое стекло .
В ходе исследования были получены следующие результаты: для бурения скважин в сложных горно-геологических условиях рекомендуется применять буровые растворы на основе биополимеров. В качестве основных компонентов для приготовления растворов рекомендуется использовать следующие реагенты Гаммаксан ,крахмал и жидкое стекло.
Численные исследования потерь давления при бурении комплексами КССК и ССК показали, что для применения разработанных рецептур буровых растворов, обеспечивающих устойчивость стенок скважин, необходим нестандартный алмазный породоразрушающий инструмент, использование такого инструмента позволит снизить гидродинамические потери давления при прокачивании вязких полимерных растворов с расчетными реологическими параметрами, что в итоге сможет повысить эффективность сооружения глубоких геологоразведочных скважин комплексами КССК.
Список литературы
1.Неверов А.Л., Минаков А.В., Жигарев В.А., Каратаев Д.Д. Повышение эффективности сооружения глубоких скважин комплексами со съемными керноприемниками // ФТПРПИ. 2016. № 6. С. 75—85.
Владимир Алексеевич Жигарев
Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации
В наше время наблюдается активное внедрение ионоселективных поверхностей в устройства медицинской и химической диагностики. Это связано с тем, что около ионоселективных поверхностей, под действием электрического поля образуется существенный объемный заряд и наблюдается концентрационная поляризация. Данные эффекты приводит к тому, что электрокинетические эффекты значительно усиливаются. Так, например, около ионоселективных поверхностей возможен электроосмос второго рода, который характерен квадратичной зависимостью скорости течения жидкости от напряженности внешнего поля, в то время как около непроницаемых диэлектрических поверхностей возможен только электрофорез первого рода, который отличается всего лишь линейной зависимостью.
Несмотря на очевидные преимущества ионоселективных поверхностей их использование затруднено проявлением различных неустойчивостей, в том числе электрокинетической неустойчивости [1]. На данный момент механизм электрокинетической неустойчивости в ньютоновских жидкостях изучен достаточно подробно [2], но попытки использования этого эффекта для биологических жидкостей приводили к неожиданным результатам. Нестыковки могут быть связаны с неньютоновскими свойствами биологических жидкостей. Работы по исследованию электроконвекции в неньютоновских жидкостях стали появляться совсем недавно [3], в них показано, что вязкоэластичные свойства жидкостей могут существенно влиять на электроконвекцию, однако сам механизм еще плохо изучен.
Наше исследование посвящено линейному анализу устойчивости стационарного решения и поиску критических значений параметров, то есть в те моменты, когда неустойчивость только начинает проявляться. Изучение электрокинетической неустойчивости именно около критических значений напряженности внешнего электрического поля позволяет понять ее особенности в вязкоэластичных электролитах.
Работа выполнена при финансовой поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации, грант для молодых кандидатов наук МК-259.2021.1.1
1. Rubinstein I., Zaltzman B. Electro-osmotically induced convection at a permselective membrane // Physical Review E. 2000. Vol. 62, No 2. P. 2238–2251.
2. Demekhin E. A., Ganchenko G. S., Kalaydin E. N. Transition to electrokinetic instability near imperfect charge-selective membranes // Physics of Fluids. 2018. Vol. 30, No 8. P. 082006.
3. Li G., Archer L. A., Koch D. L. Electroconvection in a Viscoelastic Electrolyte // Physical Review Letters. 2019. Vol. 122, No 12. P. 124501.
Георгий Сергеевич Ганченко
