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 18-71-00068
НазваниеРазвитие эффективного подхода для трехмерного моделирования динамики пузырьковых жидкостей с примесями в поле внешних сил
РуководительПитюк Юлия Айратовна, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уфимский университет науки и технологий», Республика Башкортостан
Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2018 - 06.2020 |
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 словаМикрогидродинамика, 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
СтатусУспешно завершен
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.
Ожидаемые результаты
Реализация плана научно-исследовательских работ должна привести к прогрессу в фундаментальном понимании поведения пузырьковых жидкостей с примесями на микроуровне, появлению новых и усовершенствованных математических моделей и методов расчета. Все ожидаемые результаты будут соответствовать международному уровню исследований. Это будет обеспечено посредством публикаций в ведущих международных и отечественных журналах, докладов на международных и российских конференциях. Исследования могут привести к обнаружению физических эффектов, которые могут использоваться для разработки новых экспериментальных методов и применяться в микро-, био - и других технологиях, важных для прогресса в 21 веке. В ходе проекта планируется создание вычислительной платформы, которая может быть использована для моделирования природных и технологических систем, содержащих пузырьки и твердые частицы, исследования закономерностей и гидродинамических эффектов при течении пузырьковых жидкостей в микрожидкостных устройствах и т.д. Таким образом, реализованное программное обеспечение на основе уникальной комбинации эффективных алгоритмов и высокопроизводительных вычислительных систем может составить конкуренцию многим зарубежным коммерческим гидросимуляторам
Проект является продолжением и началом новых исследований по теме диссертационной работы руководителя проекта «Исследование динамики пузырьков в трех измерениях ускоренным методом граничных элементов» и научных работ, проводимых им в Центре Микро- и наномасштабной динамики дисперсных систем, основанном в Башкирском государственном университете (БашГУ) в 2010 году в рамках программы «мегагрантов» Министерства образования и науки Российской Федерации с целью привлечения ведущих мировых ученых для развития науки в России. Все это имеет важную образовательную составляющую проекта, так как к его осуществлению будут подключаться студенты и аспиранты БашГУ, которые смогут перенимать опыт по реализации и применению современных эффективных вычислительных методов и выполнению научных исследований на международном уровне. Более того, в рамках проекта планируется подготовить диссертационную работу на соискание ученой степени кандидата наук (исполнитель), а результаты, полученные руководителем проекта, станут научным заделом по его докторской диссертации.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Заявленный план работ первого этапа проекта выполнен, ожидаемые научные результаты получены. Все научные работы выполнялись по следующим направлениям:
1. Численное моделирование методом граничных элементов взаимодействия пузырька и твердой сферической частицы в акустическом поле.
2. Численное моделирование методом граничных элементов динамики структурированных пузырьковых кластеров в акустическом поле.
3. Численное моделирование методом граничных элементов реологических параметров пузырьковых жидкостей в сдвиговом потоке.
В рамках выполнения проекта по направлению 1 разработан алгоритм и соответствующий программный модуль на основе трехмерного метода граничных элементов для потенциальных течений для моделирования взаимодействия пузырька и твердой сферической частицы в акустическом поле. Проведен ряд тестовых расчетов для различных соотношений между начальными радиусами пузырька и частицы и расстояния между ними. Анализ результатов численного моделирования показал, что при взаимодействии пузырек и частица имеют тенденцию притягиваться друг к другу. Большое влияние на частицу оказывают гидродинамические потоки, создаваемые осциллирующим пузырьком. При расширении пузырька частица отталкивается от него, при сжатии – притягивается. Стоит отметить, что частица также оказывает влияние на динамику пузырька, особенно во время его сжатия, когда размер пузырька значительно уменьшается. Таким образом, по данному направлению получен задел для выполнения работ на втором этапе проекта, связанных с динамикой пузырьков с примесями твердых частиц при малых числах Рейнольдса под действием акустического поля.
По направлению 2 ранее разработанный программный модуль для изучения динамики пузырьков ускорен за счет введения новых модификаций: введение безразмерных параметров; разработка модуля генерации структурированных пузырьков кластеров; настройка параметров расчета (точность FMM, точность GMRES, точность расчетов на GPU) в зависимости от требуемой скорости и точности вычислений; ускорение расчетных ядер, реализованных на GPU c использованием технологии CUDA; реализация модулей расчета геометрических характеристик на GPU. Производительность нового кода показана на примере расчета динамики структурированных монодисперсных пузырьковых кластеров различного размера. Для 1728 пузырьков c 1109376 расчетных узлов вызов одного FMM занимает около 0.5 секунд, а один временной шаг -7 секунд.
В разработанном программном модуле изучена динамика пузырьковых кластеров различной конфигурации и структуры в идеальной жидкости под действием акустического поля. Проведены расчеты и анализ результатов численного моделирования динамики структурированного кластера пузырьков в зависимости от его размера, расстояния между пузырьками и амплитуды акустического поля. Построены графики изменения объема структурированного пузырькового кластера, объема и центра масс углового пузырька. Многопараметрический анализ деформации пузырьков в кластере показал, что формы пузырьков существенно зависят от первичных сил Бьеркнеса, которые связаны с амплитудой акустического поля, и вторичных сил Бьеркнеса, которые связаны с количеством пузырьков в кластере и расстоянием между ними. Определен набор данных параметров, при которых пузырьки остаются сферическими, деформируются или образуются струи. Показано, что с уменьшением размера кластера изменение объема кластера и деформация пузырьков увеличиваются, а с ростом амплитуды акустического поля в угловых пузырьках образуются струи. Обнаружено, что во всех случаях наибольшие деформации испытывают крайние пузырьки и наблюдается поступательное движение пузырьков к центру кластера. Разработанный метод может быть использован для решения широкого класса задач, связанных с манипуляцией пузырьков в акустическом поле, а полученные результаты полезны для понимания особенностей взаимодействия пузырьков.
В рамках направления 3 был модифицирован программный комплекс, ранее разработанный для расчета трехмерной динамики капель эмульсии в стоксовом режиме с целью проведения компьютерного моделирования динамики несферических несжимаемых пузырьков в объеме вязкой жидкости под действием внешних потоков при малых числах Рейнольдса. Основу численного подхода также составлял ускоренный гетерогенным быстрым методом мультиполей метод граничных элементов для трехмерных задач. Для расчета реологических характеристик пузырьковых жидкостей в целом и вклада отдельных пузырьков в тензор напряжений всей системы были реализованы соответствующие программные модули. Проведено тестирование и валидация кода путем сравнения некоторых результатов расчетов вклада отдельных дисперсных включений в эффективную вязкость и первую и вторую разности нормальных напряжений с опубликованными в литературе численными результатами других авторов, а также проведено сравнение с эмпирическими формулами для расчета эффективной вязкости для упорядоченного объема суспензии, состоящей из сферических недеформируемых частиц. Получено хорошее соответствие.
Рассматривался объем упорядоченной монодисперсной пузырьковой жидкости при различных параметрах. Были определены стабильные деформированные формы несжимаемых пузырьков в сдвиговом потоке. Проведены расчеты и проанализированы результаты вклада одиночного несжимаемого пузырька в компоненты тензора напряжений всей системы в целом в некотором диапазоне значений капиллярного числа. Показано, что первая и вторая разности нормальных напряжений не равны нулю, что свидетельствует о проявлении неньютоновского поведения системой. С увеличением значения капиллярного числа модуль значений разностей нормальных напряжений растет значительно быстрее, чем вклад в эффективную вязкость. Таким образом, показано, что на значения реологических характеристик пузырьковых жидкостей существенно влияет микроструктура системы, а именно деформируемость пузырьков и их ориентация в пространстве.
Для определения эффективной вязкости объем пузырьковой жидкости был сформирован следующим образом. Деформированная частица помещалась в выделенный куб неограниченной области с центром в начале координат. Размер куба выбирался в зависимости от заданного объемного содержания дисперсной фазы. Вокруг центральной ячейки периодически распределялись ячейки подобные первой так, что в итоге образовывался куб, состоящий из 729 ячеек. Построены и проанализированы графики изменения эффективной вязкости как функции от капиллярного числа для различных объемных концентраций.
Таким образом, реализованный подход может быть использован для определения реологических параметров монодисперсных и полидисперсных слабо концентрированных пузырьковых жидкостей. И будет использован при дальнейшей реализации проекта для изучения суспензий, состоящих из частиц различных несферических форм, и пузырьковых жидкостей с примесями. Он позволяет изучать изменения во времени различных реологических характеристик, а также их зависимости от ряда физических параметров в таком диапазоне, который остается не охваченным различными моделями, которые зачастую ограничены предположением о монодисперсности, недеформируемости частиц или очень малыми концентрациями.
По результатам первого года выполнения проекта подготовлено:
• 3 статьи Scopus, одна из которых опубликована, 2 – в печати.
• 5 тезисов в трудах конференции, 3 из которых опубликованы, 1 – в печати, 1 – на рецензировании.
• 2 статьи в трудах конференции, которые находятся на рецензировании.
С результатами, полученными в отчетный период, исполнители проекта выступили на четырех конференциях (г. Калининград, г. Саратов, г. Уфа). 22 мая 2019 года запланировано представить результаты работы по гранту на 10-ой международной конференции «Многофазные течения» в г. Рио-де-Жанейро.
Таким образом, научные результаты, полученные за отчетный период, позволяют перейти к следующему этапу выполнения проекта.
Публикации
1. 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)
2. 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)
3. 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) https://doi.org/10.1007/978-3-030-12072-6_28
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. 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)
7. 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)
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. 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)
10. 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)
11. Питюк Ю.А., Гумеров Н.А., Абрамова О.А., Зарафутдинов И.А. P3DBL1 – Трехмерное моделирование динамики структурированных пузырьковых кластеров в акустическом поле -, 2019614507 (год публикации - )
12. - Башкирские ученые выиграли грант Российского Научного Фонда на полтора миллиона рублей Вести Башкортостан, - (год публикации - )
Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Заявленный план работ второго этапа проекта выполнен, ожидаемые научные результаты получены. Все научные работы выполнялись по следующим направлениям:
1. Изучение динамики пузырькового кластера с примесями твердых частиц при больших числах Рейнольдса под действием акустического поля.
2. Изучение динамики пузырькового кластера с примесями твердых частиц при малых числах Рейнольдса под действием сдвигового потока.
В рамках выполнения проекта по направлению 1 разработан эффективный подход и реализован соответствующий программный модуль для исследования динамики кластера, содержащего пузырьки и твердые сферические частицы, под действием акустического поля в трехмерном случае. Численный подход включают в себя комбинацию метода граничных элементов (МГЭ) и быстрого метода мультиполей (БММ) для уравнения Лапласа. Аппаратное ускорение расчетов пузырькового кластера с примесями твердых частиц достигается путем применения технологии распараллеливания на графический процессорах. Эффективность разработанного метода подтверждается демонстрационными расчетами для структурированного кубического кластера из пузырьков и твердых сферических частиц. Комбинация МГЭ, БММ и распараллеливание на гетерогенных вычислительных системах (CPU+GPU) позволили ускорить код в 60 раз по сравнению с кодом МГЭ, распараллеленном на GPU. На основе реализованного программного модуля проведены многопараметрические исследования динамики структурированных пузырьковых кластеров с примесями твердых сферических частиц при различных параметрах акустического поля (амплитуда) и размеров кластера (количество пузырьков и частиц) и конфигурации кластера (расстояние между дисперсными включениями). Анализ показал, что с увеличением размера кластера, расстояния между дисперсными включениями и уменьшением амплитуды акустического поля уменьшается мобильность пузырьков и частиц, изменение объема кластера и отдельных пузырьков, деформация крайних пузырьков кластера. Представлен сравнительный анализ изменения объема, формы и мобильности пузырьков в чистых пузырьковых жидкостях и в присутствии примесей твердых частиц различного размера. Выявлено, что наличие частиц слабо влияет на изменение объема кластера и отдельных пузырьков, однако оказывает существенно влияние на деформацию и мобильность пузырьков в кластере. Изучены гидродинамические потоки, создаваемые динамикой пузырька и частицы в акустическом поле различной амплитуды. Показано, что основное движение жидкости создается осциллирующим пузырьком, наличие частицы смещает максимум скорости в противоположную от частицы строну пузырька, что приводит к образованию струи в пузырьке, направленной в сторону частицы.
В рамках направления 2 проведена модификация математической модели, реализация и тестирование программного кода для исследования совместной динамики несферических пузырьков и недеформируемых частиц различных форм в объеме вязкой жидкости под действием внешнего потока в стоксовом режиме. Основу численного подхода также составлял ускоренный гетерогенным быстрым методом мультиполей метод граничных элементов для трехмерных задач. Для расчета реологических характеристик пузырьковых жидкостей с примесями и суспензий в целом и вклада отдельных дисперсных включений в тензор напряжений всей системы были реализованы и протестированы соответствующие программные модули. Разработанное программное обеспечение было использовано для многопараметрического исследования реологических характеристик кластеров различной конфигурации, состоящих из пузырьков и твердых частиц, под действием однородного стационарного сдвигового потока, который является стандартным реометрическим потоком, в зависимости от объемного содержания пузырьков и частиц, размера и формы частиц, расстояния между ними. Показано, что добавление частиц оказывает существенное влияние на относительную вязкость, причем степень этого влияния зависит от формы включения. В случае эллипсоидальной частицы, ориентированной под углом 45 градусов к направлению сдвигового потока, увеличение относительной вязкости значительнее, чем в случае сферической частицы. Проведен сравнительный анализа динамики кластера деформируемых пузырьков при наличии и отсутствии примесей в виде твердых частиц в высоковязких жидкостях. Выявлено, что вязкость смеси с частицей выше для всех вариантов объемной концентрации. Рассмотрено изменение относительной вязкости смеси из пузырьков и частиц (50/50) различных форм при изменении расстояния между центрами включений. Показано, что при увеличении расстояния вязкость уменьшается, но для различных составов смеси характер изменения отличается. Для варианта пузырьков без частиц он более плавный, а для смеси из эллипсоидов кривая наиболее резко убывает даже в сравнении с вариантом смеси сферических и эллипсоидальных частиц. Для более детального исследования влияния формы частиц были проведены расчеты для упорядоченной суспензии, составленной из эллипсоидов и двояковыпуклых дисков с различным коэффициентом растяжения по осям. Изучено изменение вклада одиночных частиц в тензор напряжений системы (в значения первой и второй разности нормальных напряжений) для одного периода ее вращении под действием сдвигового потока. Наибольший вклад в относительную вязкость достигается при ориентации частиц под углом 45 градусов по отношению к направлению потока. Это поведение кривых характерно для всех рассматриваемых коэффициентов растяжения каждой из форм. Также рассчитана относительная вязкость как функция от объемного содержания частиц разных форм. Для сферических частиц получено незначительное изменение вязкости в пределах рассматриваемых концентраций, в то время как для несферических частиц изменение существенно. Таким образом, было показано, что форма и ориентация частиц в потоке оказывает значительное влияние на реологические характеристики пузырьковых жидкостей.
По результатам второго года выполнения проекта подготовлено:
• 2 статьи Scopus, одна из которых опубликована, 1 – отправлена в редакцию.
• 7 тезисов в трудах конференции, 3 из которых опубликованы, 4 – на рецензировании.
• 3 статьи в трудах конференции.
Результаты, полученные в отчетный период, исполнители проекта представили на 10-ой международной конференции «Многофазные течения» в г. Рио-де-Жанейро, на трех конференциях в России. В двух конференциях в России приняли заочное участие. Также планируется представить результаты работы на трех Российских конференциях.
Публикации
1. 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) https://doi.org/10.1088/1742-6596/1359/1/012025
2. 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) https://doi.org/10.22226/2410-3535-2019-congress-v2
3. 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)
4. 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) https://doi.org/10.22226/2410-3535-2019-congress-v2
5. 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)
6. 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) https://doi.org/10.1134/S0021894419040096
7. 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)
8. 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)
9. 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)
10. 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)
11. 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)
12. 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)
13. 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)
14. Питюк Юлия Айратовна, Зарафутдинов Ильнур Анифович, Абрамова Ольга Александровна P3DBPL1 – моделирование ускоренным методом граничных элементов динамики структурированного кластера из пузырьков и частиц в акустическом поле -, 2020613952 (год публикации - )
Возможность практического использования результатов
Данный проект является междисциплинарным, поскольку привлекает современные методы и средства высокопроизводительных вычислений для решения фундаментальной задачи механики жидкости, в то же время разработанная вычислительная платформа может применяться для исследования на микроуровне явлений, возникающих при использовании пузырьковых жидкостей в микроэлектронике, биотехнологических процессах, нефтегазовой отрасли, микрофлюидике. Потребность в адекватном моделировании пузырьковых жидкостей с примесями на микроуровне вызвана необходимостью решения прикладных задач, возникающих в нефтяной и газовой промышленности, при производстве микроустройств, разработке экологических, медицинских, био- и микро-, и многих других технологий. 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.
Стоит отметить, что разработка эффективных численных методов особенно важна для решения многомасштабных задач гидродинамики. Во-первых, эксперименты на микромасштабах весьма дорогостоящие, визуализация затруднена, а рассматриваемые задачи являются многопараметрическими. Во-вторых, моделирование трехмерной динамики деформируемых пузырьков практически невозможно осуществить без численных расчетов.
Полученные в рамках реализации проекта результаты полезны для понимания влияния примесей на поведение пузырьковых жидкостей и отдельных пузырьков в них. В проекте показано, что несмотря на то, что наличие примесей в виде твердых частиц слабо влияет на изменение объема пузырькового кластера, примеси оказывают существенное влияние на мобильность и деформацию пузырьков. Таким образом, разработанный программный инструмент можно использовать для моделирования сложных технологических процессов в пузырьковых жидкостях в присутствии твердых частиц с целью выбора технологических параметров и получения предсказуемых результатов на практике.
Более того, одной из важных прикладных задач является определение реологических особенностей дисперсных систем, поскольку это определяет возможности их практического применения. Реализованные эффективные программные модули могут применяться для детального изучения влияния геометрии отдельных дисперсных включений, особенностей состава и внутренней структуры смеси на относительную вязкость монодисперсных и полидисперсных слабо концентрированных пузырьковых жидкостей, суспензий и пузырьковых жидкостей с примесями.
Несмотря на то, что реализованное программное обеспечение создано для решения конкретных задач гидродинамики, разработанный подход на основе уникальной комбинации эффективных алгоритмов и высокопроизводительных вычислительных систем может составить конкуренцию многим зарубежным коммерческим гидросимуляторам.