Развитие эффективного подхода для трехмерного моделирования динамики пузырьковых жидкостей с примесями в поле внешних сил

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-71-00068

НазваниеРазвитие эффективного подхода для трехмерного моделирования динамики пузырьковых жидкостей с примесями в поле внешних сил

Руководитель Питюк Юлия Айратовна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уфимский университет науки и технологий» , Республика Башкортостан

Конкурс №29 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-218 - Математическое моделирование физических явлений

Ключевые слова Микрогидродинамика, многофазные течения, вычислительная физика, динамика пузырьков, динамика частиц, течения Стокса, потенциальные течения, акустическое поле, сдвиговый поток, метод граничных элементов, быстрый метод мультиполей, высокопроизводительные вычисления

Код ГРНТИ30.03.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Нефтегазовая, медицинская, экологическая и другие отрасли промышленности важные для российской экономики требуют внедрения новых технологий, которые могут быть разработаны на основе фундаментальных исследований в микрогидродинамике. Это обусловлено тем, что поведение макросистем и проявления макроэффектов зачастую определяются поведением одиночных микрочастиц, а также их агрегатов. Так, например, кластеры, содержащие пузырьки и твердые частицы, могут быть использованы в биотехнологиях и медицине для стерилизации медицинских инструментов при низких температурах, удаления зубного камня, литотрипсии, доставки лекарств к пораженным органам, проведение хирургических операций на сложных органах, в микроэлектронике и полупроводниковой промышленности для деликатной очистки микроповерхностей (микрочипы, кремневые подложки). Пенная флотация применяется для очистки воды от органических веществ и твёрдых взвесей, разделения смесей, ускорения отстаивания в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности. Поэтому изучение совместной динамики пузырьков и частиц является актуальной задачей. Основной научной задачей, на решение которой направлен проект, является развитие высокопроизводительных вычислительных методов расчета взаимодействия пузырьков и твердых частиц. В рамках предлагаемого исследования планируется создание программного модуля для проведения численных экспериментов, которые позволят улучшить понимание процессов, а также научиться предсказывать и контролировать поведение пузырьковых жидкостей с примесями твердых частиц в потоках и акустических полях. Новизна проекта заключается в решении упомянутой задачи в трехмерной постановке с применением современных методов, включающих масштабируемые алгоритмы и высокопроизводительные параллельные вычисления. Численный подход основан на методе граничных элементов, который уменьшает эффективную размерность задачи на единицу, в сочетании с быстрым методом мультиполей, позволяющим решать задачи с миллионами неизвестных на гетерогенных вычислительных системах (центральные и графические процессоры). Разработанные программные продукты показали высокий потенциал для расчета динамики пузырьков, однако они требуют дальнейшего развития для решения совместной динамики пузырьков и частиц. В проекте рассматриваются задачи, связанные с динамикой кластера деформируемых пузырьков при наличии и отсутствии примесей в виде твердых частиц в двух предельных режимах при больших и малых числах Рейнольдса. Такой подход актуален для понимания явлений, возникающих в сложных дисперсных системах, а изучение предельных режимов дает возможность выявить роль инерции и вязкости жидкости. Все это позволит получить физически значимые результаты при исследовании сил, действующих на частицу со стороны гидродинамических потоков и поверхностных сил, которые возникают при динамике пузырьков в поле внешних сил (акустическое поле или различные течения). Реализованный подход предоставит инструмент решения задач динамики пузырьковых жидкостей с примесями на новом, более высоком уровне.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Питюк Ю.А., Гумеров Н.А., Абрамова О.А., Зарафутдинов И.А. 3D Boundary element simulations of bubble shape oscillations and self-propulsion 10th International Conference on Multiphase Flow (ICMF 2019) (год публикации - 2019)

2. Зарафутдинов И.А., Питюк Ю.А. Трехмерный метод граничных элементов для расчета взаимодействия пузырька и твердой частицы Труды X международной школы-конференции Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании, с. 115. (год публикации - 2018)

3. Булатова А.З., Питюк Ю.А. Численное изучение особенностей динамики одиночного сферического пузырька в воде и глицерине Труды X международной школы-конференции Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании, с. 116 (год публикации - 2018)

4. Питюк Ю.А., Гумеров Н.А., Абрамова О.А., Зарафутдинов И.А., Ахатов И.Ш. Accelerated boundary element method for 3D simulations of bubble cluster dynamics in an acoustic field Communications in Computer and Information Science (год публикации - 2019)

5. Питюк Ю.А., Гумеров Н.А., Абрамова О.А., Зарафутдинов И.А., Ахатов И.Ш. Численное исследование взаимодействия двух деформируемых пузырьков в акустическом поле Прикладная механика и техническая физика (Journal of Applied Mechanics and Technical Physics) (год публикации - 2019)

6. Питюк Ю.А., Абрамова О.А., Фатхуллина Н.Б., Булатова А.З. BEM Based Numerical Approach for the Study of the Dispersed Systems Rheological Properties Studies in Systems, Decision and Control, 338-352 (год публикации - 2019)
10.1007/978-3-030-12072-6_28

7. Зарафутдинов И.А., Питюк Ю.А., Абрамова О.А. Численное моделирование методом граничных элементов динамики структурированного кластера пузырьков и твердых частиц Труды XII Съезда механиков (год публикации - 2019)

8. Булатова А.З., Питюк Ю.А., Абрамова О.А. Исследование динамики дисперсных включений в сдвиговом потоке Материалы V Межрегиональной школы-конференции студентов, аспирантов и молодых ученых-физиков: теоретические и экспериментальные исследования нелинейных процессов в конденсированных средах, с. 110 (год публикации - 2019)

9. Абрамова О.А., Питюк Ю.А., Фаткуллина Н.Б., Булатова А.З. Численный подход к трехмерному моделированию и исследованию реологических свойств дисперсных систем Труды XII Съезда механиков (год публикации - 2019)

10. Булатова А.З., Абрамова О.А., Питюк Ю.А., Фаткуллина Н.Б. Численное моделирование динамики дисперсных частиц в вязкой жидкости методом граничных элементов Материалы IV Всероссийской научной конференции «Теплофизика и физическая гидродинамика» (год публикации - 2019)

11. Питюк Ю.А., Гумеров Н.А., Абрамова О.А., Зарафутдинов И.А., Ахатов И.Ш. Numerical study of interaction of two deformable bubbles in an acoustic Field Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, Vol. 60, No. 4, pp. 661–668. (год публикации - 2019)
10.1134/S0021894419040096

12. Абрамова О.А., Булатова А.З., Питюк Ю.А., Фаткуллина Н.Б. Numerical simulation of the dynamics and calculation of the rheological characteristics of the dispersed systems using BEM Journal of Physics: Conference Series (JPCS), 1359 (2019) 012025 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1359/1/012025

13. Абрамова О.А., Питюк Ю.А., Фаткуллина Н.Б., Булатова А.З. Численный подход к трехмерному моделированию и исследованию реологических свойств дисперсных систем Труды XII Всероссийского съезда по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики, Т. 2, С. 946-948 (год публикации - 2019)
10.22226/2410-3535-2019-congress-v2

14. Зарафутдинов И.А., Питюк Ю.А., Абрамова О.А. Численное моделирование методом граничных элементов динамики структурированного кластера пузырьков и твердых частиц Труды XII Всероссийского съезда по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики, Т. 2, С. 1018-1020 (год публикации - 2019)
10.22226/2410-3535-2019-congress-v2

15. Булатова А.З., Абрамова О.А., Питюк Ю.А., Фаткуллина Н.Б. Численное моделирование динамики дисперсных частиц в вязкой жидкости методом граничных элементов Труды IV Всероссийской научной конференции «Теплофизика и Физическая гидродинамика», с. 59 (год публикации - 2019)

16. Бурмистров М.Е., Зарафутдинов И.А., Питюк Ю.А Численное исследование взаимодействия пузырька и твердой сферической частицы в акустическом поле Труды IX Международной молодежной научно-практической конференции «Математическое моделирование процессов и систем», с. 110-114 (год публикации - 2019)

17. Булатова A.З., Абрамова О.А., Питюк Ю.А., Фаткуллина Н.Б. Трехмерное моделирование динамики недеформируемых частиц несферических форм в сдвиговом потоке. Сборник тезисов, материалы Двадцать шестой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-26, Уфа, Башкортостан), с. 295-296 (год публикации - 2020)

18. Булатова А.З., Питюк Ю.А. Трехмерное моделирование динамики одиночных пузырьков и недеформируемых дисперсных включений в сдвиговом потоке Материалы VI межрегиональной школы-конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Теоретические и экспериментальные исследования нелинейных процессов в конденсированных средах», посвящённая 150-летию со дня рождения В.И. Ленина (год публикации - 2020)

19. Бурмистров М.Е., Питюк Ю.А. Сравнительный анализ динамики пузырька вблизи твердой частицы и стенки Материалы VI межрегиональной школы-конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Теоретические и экспериментальные исследования нелинейных процессов в конденсированных средах», посвящённая 150-летию со дня рождения В.И. Ленина (год публикации - 2020)

20. Булатова А.З., Абрамова О.А., Питюк Ю.А., Фаткуллина Н.Б. Three-dimensional simulation of dynamics of single bubbles and non-deformable particles of various shapes in a shear flow Proceedings of International Summer School-Conference Advanced Problems in Mechanics (APM 2020, St. Petersburg, Russia) (год публикации - 2020)

21. Питюк Ю.А, Зарафутдинов И.А., Абрамова О.А. Развитие ускоренного метода граничных элементов для трехмерного моделирования динамики пузырькового кластера с примесями твердых частиц в акустическом поле Журнал вычислительной математики и вычислительной физики (год публикации - 2020)

22. Питюк Ю.А., Зарафутдинов И.А., Бурмистров М.Е. Разработка ускоренного метода граничных элементов для моделирования совместной динамики пузырьков и части Труды конференции Параллельные вычислительные технологии (ПаВТ’2020, Пермь)., с. 332 (год публикации - 2020)

23. Зарафутдинов И.А., Питюк Ю.А. Численное исследование методом граничных элементов динамики пузырькового кластера с примесями твердых частиц в акустическом поле Труды VII Российская конференция с международным участием «Многофазные системы: модели, эксперимент, приложения», посвященная 80-летию академика РАН Р.И. Нигматулина (г. Уфа) (год публикации - 2020)

Публикации