Лаборатория «Механика многофазных систем»

Заведующий лабораторией д.ф.-м.н. Урманчеев С. Ф.

Направления исследований

Кумуляция энергии в пузырьках при кавитации углеводородосодержащих жидкостей.

(Руководитель: академик РАН Нигматулин Р. И.)bubbles.jpg Проект Министерства атомной энергии РФ «Резонансное сверхсжатие пузырьковых кластеров», договор № 6.25.19.19.99.806 от 29.11.1999 (2000–2003) Основные результаты:

  • на примере бензола и ацетона разработана методика построения уравнений состояний водородосодержащих веществ, позволяющая учитывать их свойства в широком диапазоне параметров, в том числе в области газа и жидкости и в области критической точки;
  • построенные уравнения состояния бензола и ацетона удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными по изотермической и ударной сжимаемости;
  • разработана математическая модель для описания распространения волн в пузырьковой жидкости с учетом сжимаемости несущей фазы и сильных осцилляций пузырьков;
  • численно решена задача о растяжении–сжатии одиночного парового пузырька в дейтерированном ацетоне под действием синусоидальной волны давления с амплитудой 15 атм и частотой 19.3 кГц;
  • показано, что динамика пузырька на медленной стадии определяется процессами тепло- и массопереноса в паре и жидкости;
  • на стадии быстрого сжатия внутри пузырька образуется ударная волна, фокусировка которой в его центре приводит к экстремальному росту плотности, давления и температуры, достаточных для производства ядерных реакций;
  • размер области, в которой наблюдается нейтронное излучение, составляет порядка 100 нм с максимальной эмиссией в районе 3 нм;
  • среднее число нейтронов за коллапс одиночного пузырька оценивается как 0.03, что в пересчете на кластер дает порядка 105 нейтронов в секунду;
  • численно исследована динамика осциллирующих в кластере паровых пузырьков с учетом эволюции волн давления в зависимости от числа пузырьков в кластере;
  • установлено, что при распространении волны давления в пузырьковой жидкости возможно ее усиление в несколько раз, что дает дополнительный импульс при сжатии пузырьков.

Программа фундаментальных исследований Президиума РАН «Гидродинамика и интенсивные физико-химические превращения при сверхсжатии парогазовых пузырьков», гос. контракт № 62/3 (№ 10002-251/П-18/068-093/200503-163) от 05.05.2003 г. (2003–2007). Основные результаты:

  • на основе разработанной методики построено уравнение состояния дейтерированного тетрадекана, предназначенное для описания поведения вещества в широком диапазоне изменения параметров, в том числе в области разряжения, критической области, а также при больших сжатиях, сопровождающихся диссоциацией и ионизацией газа;
  • разработана математическая модель радиальных колебаний сферического парового пузырька в кластере, предполагающая однородность параметров в паре и несжимаемость жидкости, а также гипотезу об однородности давления внутри пузырькового кластера;
  • сравнение результатов расчетов по данной модели с расчетами по более сложной модели показали ее приемлемость для моделирования динамики микропузырьков на относительно медленной стадии движения;
  • численное моделирование схлопывания одиночного парового пузырька в D-ацетоне в квазипериодическом режиме колебаний показало увеличение нейтронной эмиссии более, чем на порядок, по сравнению с режимом однократного растяжения–сжатия пузырька;
  • сравнительные расчеты коллапса паровых пузырьков в кластере позволяют говорить об усилении схлопывания микропузырьков, которое происходит в режиме квазипериодических колебаний, и выражается в увеличении числа испускаемых нейтронов на 1-2 порядка по сравнению с первым циклом осцилляций.

Программа фундаментальных исследований ОЭММПУ РАН «Динамика и акустика неоднородных жидкостей, газожидкостных систем и суспензий» (2003-2007) Основные результаты:

  • создана методика построения широкодиапазонных уравнений состояния, в том числе для высокомолекулярных органических соединений, учитывающих поведение вещества в критической области, а также при высоких значениях плотности и давления;
  • разработана математическая модель для описания распространения волн в пузырьковой жидкости с учетом сжимаемости несущей фазы и сильных осцилляций пузырьков;
  • показано, что динамика пузырька при медленном расширении–сжатии определяется процессами тепло- и массопереноса на границе пар–жидкость;
  • на стадии быстрого сжатия внутри пузырька образуется ударная волна, которая при схождении к его центру вызывает экстремальный рост всех параметров газа, достаточных для производства ядерных реакций с образованием быстрых нейтронов в окрестности центра пузырька диаметром порядка 100 нм;
  • с помощью серийных численных расчетов установлена чувствительность решения задачи, в первую очередь число испускаемых нейтронов, к изменению внешних параметров: температуры рабочей жидкости, характеру акустического воздействия, изменению фазы нуклеации, учету коагуляции пузырьков; установлено, что кинетика диссоциации и ионизации влияет на структуру ударных волн, сходящихся к центру пузырька и вызывающих необходимый для производства ядерных реакций рост температуры и плотности вещества;
  • показано, что при распространении акустической волны в пузырьковом кластере происходит многократное ее усиление, которое приводит к более сильному сжатию микропузырьков и, как следствие, к увеличению нейтронной эмиссии.

Грант РФФИ № 02-01-97912 «Численное моделирование динамики одиночного пузырька и пузырькового кластера в сферически-симметричном акустическом поле» (2002-2004) Основные результаты:

  • показано, что для достижения в пузырьках достаточных для производства реакций термоядерного синтеза необходимо выполнение следующих условий: большие растягивающие и сжимающие амплитуды внешнего давления (более 15 атм), что ограничивает класс рассматриваемых жидкостей; высокая скорость испарения и конденсации, которая препятствует быстрому росту давления пара и тем самым увеличивает длительность коллапса; необходимо формирование ударной волны в паре, поскольку равномерный адиабатический нагрев не приводит к возникновению сверхвысоких температур; область, в которой осуществляются термоядерные реакции, находится в центре пузырька и имеет диаметр менее 50 нм, эффективная температура составляет порядка 100 млн градусов, плотность сжатого вещества 100 г/см3, нейтроны образуются в течение десятых долей пикосекунд;
  • составлена программа и проведены расчеты по динамике пузырькового кластера, образованного паровыми пузырьками из микропузырьков в стадии разрежения давления;
  • показано, что волновые свойства среды играют определяющую роль, а именно, рост центральных пузырьков тормозится вследствие уменьшения давления в смеси на стадии расширения пузырьков;
  • схлопывание пузырьков начинается с периферии и направлено к центру, при этом волна давления, исходящая от схлопывающихся пузырьков, многократно усиливается при схождении к центру и может составлять сотни бар;
  • получено, что существует диапазон начальных объемных содержаний пузырьков, наиболее благоприятный с точки зрения достижения максимальных давлений в центре пузырьков;
  • на основе дискретной модели показано, что в зависимости от амплитуды давления стриммеры могут соединяться в один большой кластер в пучности или в несколько меньших по размеру подвижных кластеров на некотором расстоянии от пучности.

Грант РФФИ № 05-01-00045 «Влияние внешнего воздействия и физико-химических свойств жидкостей на динамику кавитационного пузырька и пузырькового кластера» (2005-2007) Основные результаты:

  • разработано широкодиапазонное уравнение состояния воды и пара в аналитической форме;
  • предложен метод, позволяющий по экспериментальным данным для зависимостей от удельного объема и температуры теплоемкости и изохорического коэффициента температурного повышения давления рассчитать коэффициент Грюнайзена и внутреннюю тепловую энергию;
  • численно изучено движение одиночного парового пузырька в воде с учетом трансляционного перемещения с постоянной и переменной скоростью в режиме однопузырьковой сонолюминесценции;
  • установлено, что влияние поступательного движения пузырька на динамику изменения его радиуса ощутимо только при относительно малых амплитуде и частоте акустического поля, а также для небольших размеров пузырька;
  • численно исследованы радиальные колебания парового пузырька в дейтерированном ацетоне в сильном акустическом поле с учетом трансляционного движения;
  • показано, что при наличии поступательного движения пузырька он движется по направлению от пучности акустической волны, причем в течение одного–двух десятков акустических периодов происходит качественный рост радиуса и резко уменьшаются значения максимальной температуры при схлопывании;
  • полученные результаты позволяют объяснить эффект позиционной неустойчивости пузырькового кластера, который наблюдается в опытах по «пузырьковому термояду»;
  • численно решена задача установления акустических колебаний в цилиндрическом сосуде с жидким ацетоном под действием источника в виде узкого кольца.

Гидродинамика дисперсных и термовязких сред с физико-химическими превращениями.

(Руководитель: д.ф.-м.н. Урманчеев С. Ф.)mphase.jpg

  • Программа фундаментальных исследований ОЭММПУ РАН ОЕ№14 Динамика и акустика неоднородных жидкостей, газожидкостных систем и суспензий;
  • РФФИ №04-01-9751 Теоретические основы волновых технологий определения коллекторских характеристик пластов;
  • Государственная научно-техническая программа Критические технологии Республики Башкортостан: физико-математические принципы и технические решения, КОНТРАКТ №13/4-ФМ Математическое моделирование движения многофазной жидкости в системе трещина-пласт;
  • КОНТРАКТ ООО РН-УфаНИПИнефть №Д.06.63.06/301С Особенности развития трещин ГРП в условиях широкомасштабного применения гидроразрыва как технологии разработки низкопроницаемых коллекторов

Международные и российские контакты

  • Профессор Ричарл Лэхи (Richard T. Lahey Jr.), Департамент механики, аэрокосмонавтики и атомной энергии, Ренсселаирский политехнический институт, Трой, штат Нью-Йорк, США (Department of Mechanical, Aerospace and Nuclear Engineering, Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, New York, USA)
  • Профессор Руси Талейархан (Rusi P. Taleyarkhan), Школа атомной энергии, Университет Пурдью, Вест Лафайет, штат Индиана, США (School of Nuclear Engineering, Purdue University, West Lafayette, Indiana, USA)
  • Профессор Искандер Ахатов (Iskander Sh. Akhatov), Департамент инженерной и прикладной механики, Университет Северной Дакоты, Долв Холл, Фарго, штат Северная Дакота, США (Department of Mechanical Engineering and Applied Mechanics, North Dakota State University, Dolve Hall, Fargo, North Dakota, USA)
  • Третий физический институт Гёттингенского университета, Германия: проф. Вернер Лаутерборн; проф. Ульрих Парлиц, доктор Роберт Меттин;

Сотрудники лаборатории

Академик РАН Нигматулин Роберт Искандерович, главный научный сотрудник, руководитель направления; Болотнова Раиса Хакимовна, главный научный сотрудник, д. ф.-м. н.; Насибуллаева Эльвира Шамилевна, старший научный сотрудник, к. ф.-м. н.; Киреев Виктор Николаевич, старший научный сотрудник, к. ф.-м. н.; Хизбуллина Светлана Фаизовна, научный сотрудник, к. ф.-м. н.; Моисеев Константин Валерьевичстарший научный сотрудник, к. ф.-м. н.; Агишева Ульяна Олеговна, научный сотрудник, к. ф.-м. н.; Коробчинская Валерия Александровнанаучный сотрудник, к. ф.-м. н.; Гайнуллина Элина Фанилевна, младший научный сотрудник.