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 23-12-00278
НазваниеВыявление условий и режимов кавитационного взаимодействия жидких сред с газами
Руководитель Голых Роман Николаевич, Доктор технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" , Алтайский край
Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-404 - Физическая акустика
Ключевые слова кавитация, диффузия, абсорбция, аэрация, поверхностные волны, диспергирование, ультразвук
Код ГРНТИ29.37.17
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Растворение газа в жидкости является медленным диффузионным процессом по сравнению с растворением газа в газе или жидкости в жидкости. Традиционный физический принцип растворения, основанный на аэрации жидкости и представляющий собой барботажный процесс, который может протекать при различных температурах и давлениях, обладает недостаточной эффективностью из-за малого коэффициента диффузии газа в жидкость, который в 10000 раз меньше, чем коэффициент диффузии газа в газ.
Из-за данного физического ограничения наиболее очевидный путь повышения скорости растворения — увеличение межфазной поверхности за счёт дробления пузырьков.
В проекте предлагается технология увеличения межфазной поверхности, основанная на кавитационном дроблении газовых пузырьков при воздействии ультразвуковых колебаний.
Авторами доказано и экспериментально установлено, что ультразвуковые колебания, инициирующие кавитационные явления, способны осуществлять дробление пузырьков, увеличивая удельную межфазную поверхность более чем в 1000 раз. Однако эффект ультразвукового воздействия, на сегодняшний день, к сожалению, достигнут лишь в малых объёмах (не более 1 дм^3) из-за ограниченности кавитационной области.
Кроме того, на сегодняшний день отсутствуют комплексные теоретические и экспериментальные исследования, позволяющие определить кратность увеличения межфазной поверхности, рассчитать кинетику процесса, выявить закономерности влияния режимов и условий ультразвукового воздействия на кинетику. При этом даже нет установленных механизмов и закономерностей процесса.
Поэтому проект направлен на решение проблемы создания комплексной взаимосвязанной теоретической модели ультразвуковой кавитационной интенсификации растворения газа в жидкости с учётом кавитационного дробления межфазной поверхности и интенсификации диффузии. Модель необходима для выявления оптимальных режимов и условий воздействия, обеспечивающих возможность достижения заданной концентрации растворённого газа в заданном объёме жидкости с максимально высокой скоростью, и управления этим процессом.
Предлагаемая модель будет рассматривать основные механизмы интенсификации растворения газа, которые заключаются в дроблении пузырьков на более мелкие (кавитационный пузырёк дробится самостоятельно в фазе схлопывания, образуя новые ядра кавитации, а долгоживущий пузырёк дробится за счёт ударных волн со стороны соседних пузырьков), образовании волн на поверхности пузырька.
Модель будет одновременно учитывать эволюцию параметров ансамбля пузырьков (концентрацию кавитационных пузырьков с различным содержанием газа внутри пузырька) за счёт дробления, коалесценции и диффузии газа, а также взаимное влияние параметров акустического поля и параметров ансамбля пузырьков (влияние ансамбля пузырьков на акустические свойства жидкости). Будет учитываться пространственная неоднородность акустических свойств пузырьковой жидкости и влияние данной неоднородности на распространение акустического поля.
Будет впервые предложено использование импульсной модуляции ультразвуковых колебаний для увеличения распространения дальности кавитационной области. Увеличенная дальность распространения кавитационной области будет достигнута за счёт уменьшения размера пузырьков вблизи излучателя и тем самым уменьшения коэффициента поглощения акустических колебаний. При этом за счёт уменьшения размера пузырьков и увеличения дальности распространения пузырьковой области площадь межфазной поверхности "жидкость-газ" увеличится.
Полученные теоретические результаты будут подтверждаться результатами экспериментальных исследований.
Последующая реализация полученных знаний обеспечит создание новых высокоэффективных технологий:
- озонированной очистки сточных вод;
- абсорбции углекислого газа из атмосферы;
- растворения лечебных газов в воде;
- разделения газов в технологических процессах.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1. Голых Р.Н., Минаков В.Д. Теоретические исследования влияния кривизны сферической поверхности на искажение капиллярных волн, образуемых под действием кавитации Ползуновский вестник (год публикации - 2024)
2. Хмелёв В.Н., Голых Р.Н., Carrat J.-B., Барсуков А.Р., Минаков В.Д., Маняхин И.А., Генне Д.В. Влияние ультразвука на удельную межфазную поверхность «газ-жидкость» в ходе принудительной аэрации ИЗМЕРЕНИЯ, АВТОМАТИЗАЦИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ (ИАМП–2023): Материалы XVIII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием 26-27 октября 2023 года, c. 80-82 (год публикации - 2023)
3. Сливин А.Н. Model of the formation of waves on the gas-liquid surface when creating acoustic pressure disturbances in the gas phase Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2024)
4. Голых Р.Н., Барсуков А.Р., Carrat J.-B., Минаков В.Д., Маняхин И.А. Modeling and practical implementation of ultrasonic intensification for the removal of harmful impurities from the atmosphere to solve the problem of warming in the arctic and subarctic climate Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2024)
5. Шакура В.А., Титов Г.А., Морозова Е.А. Ultrasonic treatment for waste-water cleaning Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2024)
6. Минаков В.Д. Stand for studying the influence of shock wave pressure as an independent factor of ultrasonic cavitation effects Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2024)
7. Гордеева В.Ю. Simulation of light scattering on a deformed gas bubble Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2024)
8. Голых Р.Н., Барсуков А.Р. Algorithm for determining specific interfacial surface area of bubbles from image (on the example of ultrasound aeration) E3S Web of Conferences (год публикации - 2023)
9. Голых Р.Н., Барсуков А.Р. Определение удельной межфазной поверхности пузырьков на основе изображений (на примере процесса аэрации с применением ультразвука) Южно-Сибирский научный вестник, 2023. – № 6. – с. 60-64 (год публикации - 2023)
10. Голых Р.Н., Минаков В.Д. Разработка исследовательского стенда для изучения влияния ударно-волнового давления как независимого фактора ультразвукового кавитационного воздействия Ползуновский вестник (год публикации - 2024)
11. Голых Р.Н., Хмелёв В.Н., Барсуков А.Р., Carrat J.-B., Шмакова Н.Д., Генне Д.В., Минаков В.Д., Маняхин И.А., Цыганок С.Н. Моделирование и практическая реализация ультразвуковой интенсификации удаления вредных примесей из атмосферы для решения проблемы потепления арктического и субарктического климата Сборник трудов EURASTRENCOLD-2023, с. 183-186 (год публикации - 2023)
12. Хмелёв В.Н., Голых Р.Н., Барсуков А.Р. Алгоритм определения удельной межфазной поверхности по изображению многофазной системы «газ-жидкость» ИЗМЕРЕНИЯ, АВТОМАТИЗАЦИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ (ИАМП–2023): Материалы XVIII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием 26-27 октября 2023 года, c. 82-85 (год публикации - 2023)
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе реализации проекта в 2025-м году все заявленные результаты были получены. В рамках работы была разработана модель распространения ансамбля длительно существующих аэрационных пузырьков в объеме жидкости с учётом взаимного влияния параметров пузырьковой области и акустических свойств жидкости в зависимости от различных режимов и условий ультразвукового воздействия. Для описания полученных результатов были введены понятия аэрационных (крупных, не схлопывающихся) и микроскопических (схлопывающихся, появляющихся из кавитационных зародышей) пузырьков. Описаны основные особенности процесса распространения ансамбля, связанные с наличием пристеночного слоя, градиентов звукового давления, и режима вырожденной кавитации, которая возникает вблизи поверхности аэрационных пузырьков.
Была получена система уравнений, содержащая две группы уравнений: уравнения динамики микроскопических пузырьков, которые описывают их движение, изменение радиусов и эволюцию концентрации, а также уравнения для описания взаимного влияния аэрационных пузырьков и кавитационного поля (в окружающей жидкости). Для учёта изменения массы жидкости в пристеночном слое (присоединённой) в процессе генерации новых пузырьков были предложена математическая формулировка граничных условий. Для получения соотношений сформулирована постановка задачи в обобщённых функциях медленного роста и реализован численный метод расчёта профиля межфазной поверхности пузырьков.
Для расчетов пространственного распределения удельной площади межфазной поверхности был предложен алгоритм, учитывающий волновые процессы на поверхности аэрационных пузырьков. Разработан комплекс программ, включающий в себя библиотеки для: расчёта увеличения межфазной поверхности, расчёта взаимосвязи гармоник давления и параметров кавитационной области, итерационного метода расчёта акустических полей, вихревых течений и межфазной поверхности. Для обеспечения быстрых итерационных расчётов был разработан эффективные алгоритмы, позволяющие повысить скорость вычислений приблизительно в 3 раза (чем с помощью стандартных программных пакетов).
Экспериментальные исследования позволили подтвердить теоретические выводы и выявить оптимальные параметры ультразвукового воздействия (частота, амплитуда звукового давления вблизи излучателя, параметры импульсной модуляции колебаний — длительность и период следования ультразвуковых импульсов), при которых достигается максимальная удельная площадь межфазной поверхности. В частности, зафиксировано увеличение межфазной площади в зоне вырожденной кавитации до 1,7 раз. Также установлено, что снижение вязкости жидкости приводит к увеличению площади межфазной поверхности, а при достижении выявленной критической вязкости процесс увеличения поверхности прекращается, интенсивность кавитации при этом сохраняется.
В ходе работы было выявлено, что ультразвуковое воздействие на аэрационные пузырьки в режиме, близком к режиму вырожденной кавитации, способствует формированию максимальной межфазной поверхности аэрационных пузырьков в жидкой фазе. При данном режиме воздействия обеспечивается уменьшение присоединённой массы жидкости вблизи поверхности аэрационных пузырьков, что происходит за счёт вытеснения частиц жидкости длительно существующими газовыми пузырьками.
В ходе работы также был модернизирован разработанный в первый год реализации проекта стенд для экспериментального подтверждения созданной модели и выявления физических механизмов процессов. Новые функциональные возможности стенда позволили провести ряд экспериментальных исследований в широком диапазоне параметров жидких сред и условий ультразвукового воздействия.
Созданная методика проводимых экспериментальных исследований по выявлению содержания кавитационных пузырьков включает в себя: способ управление стендом и способ обработки изображения скоростной киносъёмки для увеличения межфазной поверхности. Результаты проведённых экспериментов подтвердили возможность оптимизации условий реализации процесса озвучивания в ходе принудительной аэрации для увеличения межфазной поверхности и позволили выявить закономерности формирования волн на поверхности аэрационных пузырьков в вязких жидкостях.
Для оперативного доведения ключевых результатов реализации проекта в интерактивной, наглядной и научно-популярной форме, которая может быть доступна гораздо более широкому кругу читателей, чем узким специалистам, разработан web-ресурс, расположенный по адресу:
http://usgasliquid.ru/
Также с наиболее значимыми фундаментальными результатами научных исследований коллектива в 2024 году можно ознакомиться по адресу:
https://u-sonic.ru/news/the-teams-most-significant-research-2024/
Публикации
1. Барсуков А.Р., Карра Ж.-Б. The Method For Determining The Velocity Of Acoustic Flows In Liquids Of Finite Viscosity Under The Action Of Ultrasound AIP Conference Proceedings (год публикации - 2025)
2. Минаков В.Д., Голых Р.Н. Обоснование применимости импульсной модуляции ультразвука для повышения эффективности процессов в высоковязких и неньютоновских средах ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ, БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ И ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ: Материалы XVII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием 22–24 мая 2024 года, С. 457-459 (год публикации - 2024)
3. Сигитова У.Д., Голых Р.Н. Разработка алгоритма восстановления профиля межфазной поверхности по градиентам яркости ее изображения ИЗМЕРЕНИЯ, АВТОМАТИЗАЦИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ (ИАМП-2024): Материалы XIX Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием 30 октября-1 ноября 2024 года, С. 172-173 (год публикации - 2024)
4. Гордеева В.Ю., Карра Ж.-Б., Голых Р.Н. Метод обработки изображений межфазной поверхности жидкость-газ, полученных в экспериментах по возмущению взвешенных пузырьков газа ультразвуковой кавитацией ИЗМЕРЕНИЯ, АВТОМАТИЗАЦИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ (ИАМП-2024): Материалы XIX Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием 30 октября-1 ноября 2024 года, С. 188-190 (год публикации - 2024)
5. Голых Р.Н. Application of a fractional derivative to simulate the evolution of the interfacial surface in a bubbling bubble under the influence of ultrasonic vibrations in a liquid Advances in Applications of Analytical Methods for Solving Differential Equations (Symmetry 2024): Сборник аннотаций международной конференции 22 – 26 января 2024 года, С. 23-24 (год публикации - 2024)
6. Барсуков А.Р., Голых Р.Н., Карра Ж.-Б., Маняхин И.А. Влияние ультразвуковых колебаний на формирование поверхностных возмущений барботажного пузырька в ходе принудительной аэрации при разных вязкостях жидкой фазы Ползуновский вестник (год публикации - 2025)
7.
Барсуков А.Р., Голых Р.Н., Хмелёв В.Н., Карра Ж.Б., Маняхин И.А.
Влияние ультразвука на межфазную поверхность "газ-жидкость" в ходе принудительной аэрации
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ДОБЫЧИ, ТРАНСПОРТА И ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКОГО СЫРЬЯ В УСЛОВИЯХ ХОЛОДНОГО КЛИМАТА: Сборник трудов III Всероссийской конференции, посвященной 25-летию Института проблем нефти и газа СО РАН 10–13 сентября 2024 года, С. 164-166 (год публикации - 2024)
10.24412/cl-37255-2024-1-164-166
8.
Маняхин И.А., Голых Р.Н., Хмелёв В.Н., Генне Д.В., Нестеров В.А., Барсуков А.Р.
Программно-аппаратный комплекс для исследования влияния ультразвукового воздействия на системы со сплошной жидкой фазой в непрерывном и импульсном режимах
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ДОБЫЧИ, ТРАНСПОРТА И ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКОГО СЫРЬЯ В УСЛОВИЯХ ХОЛОДНОГО КЛИМАТА: Сборник трудов III Всероссийской конференции, посвященной 25-летию Института проблем нефти и газа СО РАН 10–13 сентября 2024 года, С. 214-218 (год публикации - 2024)
10.24412/cl-37255-2024-1-214-218
9. Барсуков А.Р., Голых Р.Н., Хмелёв В.Н., Карра Ж.-Б., Маняхин И.А. Экспериментально-теоретическое обоснование комбинации механизмов ультразвукового воздействия на межфазную поверхность «газ-жидкость» для интенсификации массообменных процессов ИЗМЕРЕНИЯ, АВТОМАТИЗАЦИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ (ИАМП-2024): Материалы XIX Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием 30 октября-1 ноября 2024 года , С. 122-123 (год публикации - 2024)
10. Маняхин И.А., Голых Р.Н., Хмелёв В.Н., Генне Д.В., Барсуков А.Р. Создание программно-аппаратного комплекса для исследования модулированных режимов ультразвукового воздействия на системы со сплошной жидкой фазой ИЗМЕРЕНИЯ, АВТОМАТИЗАЦИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ (ИАМП-2024): Материалы XIX Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием 30 октября-1 ноября 2024 года, С. 179-181 (год публикации - 2024)
11. Голых Р.Н., Барсуков А.Р. Моделирование влияния ультразвуковых колебаний на межфазную поверхность в длительно существующем газовом пузырьке в жидкости МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ МЕХАНИКИ СПЛОШНЫХ СРЕД: Тезисы докладов Всероссийской конференции, посвящённой 105-летию со дня рождения академика РАН Л.В. Овсянникова 13–17 мая 2024 года, С. 49 (год публикации - 2024)
12.
Голых Р.Н., Хмелёв В.Н., Карра Ж.Б., Маняхин И.А., Минаков В.Д., Барсуков А.Р.
Физика ультразвуковой интенсификации массообмена "газ-жидкость" для решения экологических проблем и получения новых материалов: теория, эксперимент, приложения
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ДОБЫЧИ, ТРАНСПОРТА И ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКОГО СЫРЬЯ В УСЛОВИЯХ ХОЛОДНОГО КЛИМАТА: Сборник трудов III Всероссийской конференции, посвященной 25-летию Института проблем нефти и газа СО РАН 10–13 сентября 2024 года, С. 175-179 (год публикации - 2024)
10.24412/cl-37255-2024-1-175-179
13. Маняхин И.А., Сливин А.Н., Генне Д.В. Hardware and software complex for studying the effect of ultrasound on the interfacial surface of heterogeneous systems in the oil industry AIP Conference Proceedings (год публикации - 2025)
14. Голых Р.Н., Барсуков А.Р., Хмелёв В.Н. Расчёт скорости течения по последовательности изображений, полученных в результате сквозного прохождения света сквозь пузырьковую жидкость Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, RU 2024617722 (год публикации - 2024)
15. Голых Р.Н. Generalized functions of slow growth problem statement for capillary wave formation in gas-liquid interface under ultrasonic cavitation Mathematical notes of NEFU (год публикации - 2025)
16. Маняхин И.А., Сливин А.Н. Hardware and software complex for generating pulsed ultrasonic impact on oil systems with a continuous liquid phase AIP Conference Proceedings (год публикации - 2025)
17. Голых Р.Н., Морозова Е.А. Construction of an exact solution of the equations of gas diffusion through a disturbed interphase surface in petroleum systems AIP Conference Proceedings (год публикации - 2025)
18. Барсуков А.Р., Голых Р.Н., Карра Ж.Б., Хмелёв В.Н. Пути совершенствования массообменных процессов в системах "газ-жидкость" под действием ультразвуковых колебаний ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ, БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ И ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ: Материалы XVII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием 22–24 мая 2024 года, С. 460-464 (год публикации - 2024)
19. Голых Р.Н., Карра Ж.-Б., Маняхин И.А., Минаков В.Д., Генне Д.В., Барсуков А.Р. Влияние ультразвуковой кавитации на межфазную поверхность при интенсификации массообменных процессов «газ-жидкость» 51 школа-конференция «Актуальные проблемы механики»: Сборник аннотаций конференции 19-21 июня 2024 года, С. 58-59 (год публикации - 2024)
20. Гордеева В.Ю., Карра Ж.-Б., Голых Р.Н. Image analysis method for liquid-gas interface area disturbed by ultrasonic cavitation for evaluation of optimum influence modes Laser-light and Interactions with Particles (LIP2024): Сборник аннотаций 14-й международной конференции 18 – 22 сентября 2024 года, С. 99-100 (год публикации - 2024)
21.
Голых Р.Н., Карра Ж.Б., Хмелёв В.Н., Маняхин И.А., Минаков В.Д., Генне Д.В., Барсуков А.Р.
Влияние ультразвукового кавитационного воздействия на межфазную поверхность "газ-жидкость" при принудительной аэрации
Прикладная механика и техническая физика, ONLINE FIRST (год публикации - 2024)
10.15372/PMTF202315435
22. Барсуков А.Р., Голых Р.Н., Карра Ж.-Б., Маняхин И.А. Расчёт скорости кавитационных потоков при обработке жидкой фазы ультразвуковыми колебаниями различной интенсивности Ползуновский вестник (год публикации - 2025)
23. Барсуков А.Р, Голых Р.Н., Карра Ж.-Б. The Effect Of Liquid Viscosity On The Surface Area Of Capillary Waves For Ultrasonic Acceleration Of Gas-Liquid Mass Transfer Processes AIP Conference Proceedings (год публикации - 2025)
24. Голых Р.Н., Барсуков А.Р., Хмелёв В.Н. Расчёт площади межфазной поверхности по чёрно-белому изображению, полученному в результате сквозного прохождения света сквозь пузырьковую жидкость Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, RU 2024611071 (год публикации - 2024)
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
По итогам реализации проекта получены следующие основные результаты.
Модернизирован алгоритм выявления площади межфазной поверхности по изображению её проекции. Модернизация алгоритма заключалась в учёте рассеяния и возможного полного внутреннего отражения лучей источника света, использовании теории уравнений в частных производных, состоящее в построении краевой задачи для квазилинейного эллиптического уравнения, и применении вероятностного подхода, позволяющего учесть единые закономерности формирования межфазной поверхности свободно колеблющейся жидкости при неоднозначности профиля поверхности и фиксированном распределении яркости. Модернизированный алгоритм определения площади межфазной поверхности одновременно учитывает деформацию аэрационных пузырьков при повышенном содержании газа и повышенных температурах процесса и слияние аэрационных пузырьков при наличии множества центральных каналов внутри ультразвукового излучателя.
При содержании глицерина в воде 80 % с ультразвуком и температурным режимом 57,7 градусов Цельсия наблюдается относительное увеличение межфазной поверхности на границе раздела фаз «жидкость-газ» и составляет 20 % от исходной. При массовой доле глицерина 37,5 % в температурном диапазоне от 18 до 60 градусов Цельсия было замечено увеличение межфазной поверхности от 55% до 60%. При 10 % глицерина в воде обнаружено максимальное возрастание поверхности барботажного пузырька 90 %. Доказано возрастание предельной вязкости, при которой есть эффект увеличения межфазной поверхности при повышении температуры.
Модернизирована модель формирования волн с диффузией и фазовыми переходами на поверхности аэрационного пузырька. Модернизирована модель формирования кавитационного пузырька, учитывающая фазовые переходы и теплопроводность. Модернизирована модель формирования ансамбля кавитационных пузырьков, обеспечивающих формирования множества возмущений на поверхности крупного аэрационного пузырька с учётом изменения содержания целевого поглощаемого газа и массы пара жидкой фазы внутри пузырька за счёт диффузии. Модель позволяет выявить новые распределения параметров кавитационной области с учётом обратной связи.
Модернизирована модель формирования волн на поверхности аэрационных пузырьков с добавлением учёта волновых процессов на стороне газовой фазы, колебаний концентрации поглощаемого газового компонента и колебаний концентрации паров жидкости. Кавитационные пузырьки учитываются в виде объёмных источников силы. Доказана теорема о регулярности обобщённой функции профиля межфазной поверхности. Получено приближённое уравнение для профиля поверхностных волн в дробных производных.
Уравнения движения и эволюции аэрационных пузырьков дополнены слагаемыми, учитывающими изменение радиуса пузырьков за счёт диффузии и фазовых переходов. Разработана комплексная модернизированная модель движения аэрационных пузырьков и изменения концентрации поглощаемого газа в жидкой фазе под действием кавитации. Модель позволила установить оптимальные условия по избыточному давлению газа; избыточное давление, при котором ультразвук вносит максимальный эффект не превышает 0,9 атм при наличии ультразвукового воздействия. В то время как в технологии поглощения углекислоты без ультразвука, как правило, используется избыточное давление от 3 атм. Это позволяет использовать с ультразвуком пониженные избыточные давления газа для интенсификации растворения.
Модернизирована обобщённая численная модель определения площади межфазной поверхности. Построен итерационный процесс, обеспечивающий сходимость для многопараметрической нелинейной модели массопереноса поглощаемого газа в кавитирующей жидкости с диффузией и фазовыми переходами. Итерационный процесс позволил рассчитать оптимальные режимы ультразвукового воздействия.
Построено аналитическое выражение для определения суммарной массы поглощённого или выделенного газа. Выявлены зависимости суммарной массы от времени, режимов ультразвукового воздействия, условий воздействия и свойств жидкости.
Получены экспериментальные данные о содержании растворённого газа в жидкости в зависимости от режимов ультразвукового воздействия и условий, а также начального содержания газа. Экспериментальные данные подтверждают теоретические данные и отличаются не более чем на 20...30 %.
Предложена практическая конструкция установки и методология высокоэффективной интенсификации массообмена «газ-жидкость» с помощью ультразвуковых колебаний. Повышение эффективности обеспечивается суммарным эффектом воздействия ультразвуковых колебаний от двух источников излучения, формирования и диспергирования барботирующих пузырьков и кавитационного воздействия на пути распространения газа в потоке жидкости. Так, происходит ускоренное увеличение суммарной поверхности газовой фазы.
Таким образом, все запланированные результаты проекта за 2025 год получены в полном объёме.
Для оперативного доведения ключевых результатов реализации проекта в интерактивной, наглядной и научно-популярной форме, которая может быть доступна гораздо более широкому кругу читателей, чем узким специалистам, разработан web-ресурс, расположенный по адресу:
http://usgasliquid.ru/