Формирование, распространение и динамическое взаимодействие аэрозолей в ультразвуковых полях

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 23-19-00875

НазваниеФормирование, распространение и динамическое взаимодействие аэрозолей в ультразвуковых полях

Руководитель Шалунов Андрей Викторович, 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 09 - Инженерные науки; 09-301 - Электрофизика, электрофизические системы

Ключевые слова Ультразвук, распыление, колебательная система, диспергирование, резонанс, коагуляция

Код ГРНТИ47.55.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальной проблемы механики дисперсных сред, связанной с экспериментально-теоретическим исследованием закономерностей процессов искусственного формирования, распространения и взаимодействия аэрозолей с различными объектами на открытых пространствах и в ограниченных объемах. Актуальность решаемой проблемы обуславливается тем что, несмотря на перспективность применения аэрозольных технологий в промышленности и других сферах деятельности человека, на сегодняшний день эффективность применяемых способов перевода жидкости в аэрозольное состояние весьма низка. Широко известные и применяемые способы распыления формируют капли с широким дисперсным составом, что приводит к значительным непроизводительным потерям распыливаемой жидкости (унос мелких капель, формирование крупных брызг и т.д.). Показанные недостатки обуславливаются не недостаточной проработанностью теоретических основ или аппаратурного оформления известных способов, а физическими ограничениями, положенными в их основу. На сегодняшний день актуальность задачи повышения эффективности процессов искусственного формирования, распространения и взаимодействия аэрозолей многократно возросла в связи с распространением новой коронавирусной инфекции и большой вероятностью возникновения таких вирусных инфекций в будущем, т.к. разработка вакцин от таких инфекций требует длительного времени, а борьба с их распространением путем дезинфекции поверхностей и воздуха должна проводиться незамедлительно с момента их обнаружения. Перспективным направлением развития аэрозольных технологий является применение механических колебаний ультразвуковой частоты для перевода жидкости в дисперсное состояние. Воздействие ультразвуковыми колебаниями на жидкость позволяет формировать практически монодисперсные капли, с минимальным отклонением от медианного диаметра среди всех известных способов. В рамках заявляемого проекта планируется проведение комплексного исследования полного жизненного цикла искусственно формируемых аэрозолей, которое позволит создать новые способы формирования аэрозолей, развить физические представления, выявить новые закономерности распространения и взаимодействия аэрозольного облака с поверхностями и взвешенными частицами и разработать принципы построения аппаратурного оформления, обеспечивающего эффективное решение задач дезинфекции, пожаротушения, гидроулавливания (осаждение) пыли и других задач. Научная новизна исследования обусловлена тем, что при выполнении проекта будут впервые выявлены, теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены новые способы и режимы ультразвукового воздействия, обеспечивающие формирование аэрозоля с регулируемыми дисперсными характеристиками и производительностью, обеспечено создание факелов распыления необходимой формы и размеров, потоков, обеспечивающих распространение аэрозоля до зон взаимодействия, созданы условия активации распространяемых капель аэрозоля для повышения эффективности их конечного взаимодействия с различными объектами и поверхностями.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Кудряшова О.Б., Шалунов А.В., Генне Д.В., Доровских Р.С., Титов С.С. Innovative acoustic-hydraulic method for high-performance fine liquid atomization Applied sciences, vol. 13(22), pp. 12330 (год публикации - 2023)
10.3390/app132212330

2. Кудряшова О.Б., Шалунов А.В., Титов С.С., Доровских Р.С. Механизмы вторичного ультразвукового распыления жидкости Ползуновский вестник, № 2. С. 200-207. (год публикации - 2024)
10.25712/ASTU.2072-8921.2024.02.026

3. Кудряшова О.Б., Шалунов А.В., Титов С.С., Доровских Р.С., Нестеров В.А. Secondary ultrasonic atomisation mechanisms E3S Web of Conferences, Vol. 458, p. 02001 (год публикации - 2023)
10.1051/e3sconf/202345802001

4. Шалунов А.В., Нестеров В.А., Генне Д.В. A method of spraying based on hydrodynamic and ultrasonic influence on the sprayed liquid Journal of Physics: Conference Series, T. 2697, P. 012020 (год публикации - 2024)
10.1088/1742-6596/2697/1/012020

5. Хмелев В.Н., Шалунов А.В., Генне Д.В. Method for controlling and maintaining the thickness of a liquid layer during ultrasonic spraying Journal of Physics: Conference Series, T. 2697, P. 012019 (год публикации - 2024)
10.1088/1742-6596/2697/1/012019

6. Шалунов А.В., Нестеров В.А., Генне Д.В., Терентьев С.А. Акусто-гидравлический способ диспергирования жидкостей 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, с. 92-94 (год публикации - 2023)

7. Шалунов А.В., Нестеров В.А., Генне Д.В., Доровских Р.С. Распыление жидкости путем гидродинамического и ультразвукового воздействия Повышение энергоресурсоэффективности, экологической и технологической безопасности процессов и аппаратов химической и смежных отраслей промышленности, посвящённый 120-летию со дня рождения П. Г . Романкова (ISTS «EESTE-2024») (год публикации - 2024)

8. Шалунов А.В., Доровских Р.С., Генне Д.В., Терентьев С.А., Нестеров В.А. Инновационные ультразвуковые распылители Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях (ИАМП-2024), с. 139-140 (год публикации - 2024)

9. Кудряшова О.Б., Шалунов А.В., Терентьев С.А., Хмелев В.Н. High-Performance Acousto-Hydraulic method for generating fine aerosols for air and surface disinfection Ultrasonics Sonochemistry, V. 111, P. 107149 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ultsonch.2024.107149

10. Шалунов А.В., Хмелев В.Н., Терентьев С.А., Нестеров В.А., Генне Д.В. The Development and Analysis of a Multistage Spraying Method for Liquids in an Ultrasonic Field Applied sciences, Vol. 14, № 2, P. 796 (год публикации - 2024)
10.3390/app14020796

11. Шалунов А.В., Кудряшова О.Б., Хмелев В.Н., Генне Д.В., Терентьев С.А., Нестеров В.А. Innovative Ultrasonic Spray Methods for Indoor Disinfection Applied system innovation, Vol. 7, N6, P. 126 (год публикации - 2024)
10.3390/asi7060126

12. Шалунов А.В., Кудряшова О.Б., Терентьев С.А., Хмелев В.Н. Метод ультразвукового кавитационного распыления жидкостей Инженерно-физический журнал (Journal of Engineering Physics and Thermophysics), Т. 98, №5, С. 1294 (год публикации - 2025)

13. Шалунов А.В., Терентьев С.А., Титов С.С., Титова Н.В. Calculation of the surface shape of an ultrasonic atomizer to form a spray torch of the required shape EPJ Web of Conferences (год публикации - 2025)

14. Шалунов А.В., Кудряшова О.Б., Нестеров В.А., Терентьев С.А. Акустогидравлический способ распыления для нанесения покрытий на волокнистые материалы Химические волокна (Fibre Chemistry), № 4, с. 43-45 (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Во второй год выполнения проекта разработаны и реализованы подходы к формированию аэрозолей с заданными дисперсными характеристиками, основанные на использовании ультразвуковых (УЗ) колебаний. Исследования сосредоточены на создании методов управления дисперсностью и распространением аэрозолей, а также на разработке новых способов их формирования. Необходимость решения подобных задач возникает в связи с растущими требованиями к высокоточной генерации аэрозольных частиц для различных областей применения: от медицины и экологии до промышленности и сельского хозяйства. Предлагаемые в проекте модели разработаны на основе комплексного подхода, включающего математическое моделирование, экспериментальную проверку и практическую реализацию. Разработана усовершенствованная модель многоступенчатого распыления жидкостей, учитывающая вязкость, поверхностное натяжение и другие свойства среды. Она позволяет точно прогнозировать размеры капель в зависимости от параметров УЗ воздействия. Адекватность модели подтверждена экспериментами: отклонение расчетных значений от экспериментальных не превышает 15%. Создан новый способ формирования аэрозолей методом взрывного диспергирования капель, основанный на инициировании кавитационных пузырьков. Разработана модель, описывающая динамику пузырьков, их коллапс и образование ударных волн, которые разрушают капли на мелкие фрагменты. Подход обеспечивает увеличение энергии ударных волн и позволяет формировать частицы размером до 5–10% от исходного диаметра капли. Это открывает возможности для создания аэрозолей с высокой степенью дисперсности. Для описания процессов распространения и эволюции аэрозольных облаков разработана физико-математическая модель, учитывающая влияние звукового ветра, радиационного давления, гравитации, коагуляции и испарения. Она основана на интегро-дифференциальных уравнениях и позволяет прогнозировать динамику размеров и массы аэрозольных частиц в различных условиях. Также определены оптимальные параметры УЗ воздействия, обеспечивающие эффективное управление аэрозольными облаками. В рамках практической реализации разработаны и испытаны конструкции УЗ излучателей с фокусирующими свойствами, выполненные из титанового сплава. Они обеспечивают высокую интенсивность звукового давления в фокусе (свыше 182 дБ) и равномерность амплитуды колебаний. Эксперименты показали, что такие излучатели эффективно формируют и управляют аэрозолями. Экспериментальные исследования подтвердили влияние частоты и интенсивности УЗ колебаний на скорость и направленность распространения аэрозольного облака. Установлено, что повышение частоты с 22,1 до 60 кГц увеличивает скорость переноса частиц в 1,65 раза, а звуковое давление в диапазоне 90–130 дБ обеспечивает оптимальное управление облаком без избыточной турбулизации и коагуляции. Полученные результаты легли в основу публикаций в ведущих научных журналах. Проведенные работы создали теоретическую и практическую базу для дальнейшего развития технологий формирования и управления аэрозолями, что может найти применение в ряде актуальных задач, включая процессы тепломассообмена, напыление покрытий, медицинскую дезинфекцию, обработку поверхностей и другие.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе выполнения проекта за отчетный период получены значимые результаты по разработке и экспериментальному обоснованию методов ультразвукового (УЗ) диспергирования жидкостей и расплавов для очистки воздуха от высокодисперсных загрязнений и формирования порошковых материалов. 1. Разработана комплексная математическая модель взаимодействия аэрозольных капель с частицами контаминантов. Созданная модель, детально описывает захват частиц размером 0.1–10 мкм каплями аэрозоля (30–50 мкм). Учтены основные механизмы: инерционный, диффузионный, перехват, электростатический, а также акустически индуцированные эффекты. Впервые количественно оценена зона низкой эффективности («зазор Гринфилда», 0.1–2.5 мкм) и предложена новая характеристика – характерное время захвата (t_capt), обратно пропорциональное концентрации аэрозоля и минимальное для капель 30 мкм. 2. Определены оптимальные параметры УЗ воздействия для очистки воздуха. Проведены параметрические расчеты и экспериментальные исследования, подтвердившие высокую эффективность УЗ-воздействия. Установлено, что при звуковом давлении >5 кПа (~185 дБ) доминирует механизм акустически индуцированной коагуляции, что снижает время захвата частиц в зазоре Гринфилда на 1–2 порядка. Для частиц диаметром 0.9 мкм время очистки сокращается с 30–50 минут до 2–4 минут. Оптимальными параметрами признаны: диаметр капель: 30–40 мкм; звуковое давление: >5 кПа; концентрация аэрозоля: >1 г/м³. Разработан и запатентован способ очистки газа на основе многостадийного УЗ-дробления и коагуляции в трубчатом резонаторе. 3. Разработаны конструкции излучателей, обеспечивающих высокий уровень звукового давления. Для продольно-колеблющихся излучателей предложено решение со смещенной присоединительной плоскостью, обеспечивающее коэффициент трансформации 2 и амплитуду колебаний 85–90 мкм. Моделирование в ANSYS подтвердило достижение давления ~187 дБ в зазоре 80 мм. Для трубчатых излучателей разработана модификация с локальными утоньшениями, формирующая устойчивые изгибно-диаметральные колебания и равномерное распределение амплитуды. 4. Развита модель кавитационного диспергирования взвешенных капель в фокусированном ультразвуке на основе теории подобия. На основе энергетического баланса создана обобщенная модель взрывного кавитационного дробления капель в УЗ-поле. Выделены два периода: индукционный (накопление энергии в кавитационном пузырьке) и разрушения (быстрая фрагментация). Определены ключевые безразмерные параметры (акустическое число Вебера, отношение радиационного давления к капиллярному), что позволило обобщить результаты для различных жидкостей. Установлены критические давления и пределы процесса, включая область «насыщения». 5. Получено экспериментальное подтверждение эффективности разработанных способов УЗ-диспергирования без контакта с колеблющейся распылительной поверхностью. Создан экспериментальный стенд с высокоскоростной видеосъемкой и анализатором аэрозолей. Визуализированы все стадии кавитационного разрушения капель воды, спирта и глицерина. Экспериментально подтверждено увеличение объема капли перед разрушением на 6–14% за счет расширения парогазовых пузырьков. Впервые реализован способ бесконтактного акустического распыления расплава алюминия в фокусированном УЗ-поле. Установлены зависимости дисперсности порошка от температуры расплава и уровня звукового давления. Пороговое значение для инициирования диспергирования составляет 165–170 дБ. На способ подана заявка на патент. 6. Разработана методология проектирования УЗ-излучателей для задач диспергирования. Предложена последовательная методика, включающая выбор типа излучателя по условиям воздействия, расчет акустической мощности и площади излучающей поверхности, определение рабочей частоты на основе математических моделей, итерационное моделирование в ANSYS и расчет параметров электроакустического преобразователя. Итогом проведенных работ стало создание замкнутого теоретико-экспериментального комплекса, включающего физико-математические модели ключевых процессов, работоспособные экспериментальные установки и методологию проектирования оборудования. Полученные результаты подтверждают высокий практический потенциал разработанных УЗ-методов для задач глубокой очистки воздуха и получения дисперсных материалов.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Полученные в рамках проекта фундаментальные и прикладные результаты формируют значительный научный и технологический задел для развития новых высокоэффективных способов распыления жидкостей и расплавов, а также для создания на их основе усовершенствованных технологий очистки газов от тонкодисперсных контаминантов. Выявленные закономерности акустически и кавитационно индуцированного дробления капель в линейных и нелинейно-искаженных ультразвуковых полях расширяют представления о механике аэрозолей и могут служить основой для дальнейшего развития нелинейной механики гетерогенных сред, физики кавитации и механики дисперсных систем. Разработанные в проекте физико-математические модели распыления жидкостей (акусто-гидравлического кавитационного, многостадийного бесконтактного, кавитационного взрывного) позволяют целенаправленно управлять дисперсным составом формируемых аэрозолей, производительностью процесса и энергетической эффективностью. Эти модели могут быть использованы при проектировании новых распылительных устройств и технологий в широком спектре отраслей – от химической и металлургической промышленности до энергетики, экологии и медицины. Полученные фундаментальные зависимости сохраняют универсальный характер и применимы не только к ультразвуковым, но и к комбинированным и альтернативным методам распыления, в том числе при их дополнении акустическим воздействием. Предложенные в проекте технические решения по формированию мощных ультразвуковых полей и оригинальные конструкции ультразвуковых излучателей (в том числе трубчатых изгибно- и диаметрально-колеблющихся) обеспечивают возможность высокопроизводительного формирования мелкодисперсных аэрозолей без прямого контакта жидкости с излучающей поверхностью. Это открывает принципиально новые возможности для реализации процессов распыления вязких жидкостей, агрессивных сред и расплавов металлов, а также для интеграции ультразвуковых воздействий в технологические схемы, где прямой контакт с преобразователем невозможен или нежелателен. Разработанные способы распыления обладают высоким прикладным потенциалом для интенсификации тепло- и массообменных процессов, процессов сушки, охлаждения, нанесения покрытий, газоочистки, а также для получения порошков и гранулированных материалов с заданными дисперсными характеристиками. В частности, впервые показана возможность бесконтактного акустического распыления расплава алюминия с формированием порошков регулируемого гранулометрического состава, что создает предпосылки для развития отечественных технологий порошковой металлургии и аддитивного производства. Особую практическую и социальную значимость имеют результаты проекта, связанные с разработкой новых методов очистки газов от опасных тонкодисперсных контаминантов. Предложенный способ основан на формировании высококонцентрированного облака мелкодисперсного аэрозоля (30–50 мкм) с использованием разработанных высокопроизводительных способов распыления и на последующем многостадийном ультразвуковом воздействии, интенсифицирующем захват и коагуляцию частиц загрязнений. Экспериментально и теоретически показано, что такой подход позволяет существенно сократить характерное время удаления частиц наиболее опасного диапазона размеров (PM2.5 и менее), которые вносят наибольший вклад в развитие социально значимых заболеваний органов дыхания и сердечно-сосудистой системы. Разрабатываемые технологии очистки газа могут быть использованы: – в процессах тонкой химической технологии и материаловедения, где целевой продукт формируется в виде аэрозоля и требуется его эффективное отделение от газовой фазы; – в системах промышленной очистки отходящих газов предприятий от высокодисперсных загрязняющих примесей; – в системах локальной и индивидуальной очистки воздуха в жилых и общественных помещениях, в том числе в условиях природных и техногенных чрезвычайных ситуаций (пожары, аварийные выбросы аэрозольных загрязнений), когда требуется оперативное снижение концентрации опасных частиц в воздухе. Полученные в проекте результаты по взаимодействию аэрозольных капель с микро- и субмикронными частицами в ультразвуковом поле формируют научную основу для дальнейших исследований по воздействию акустических полей на микроорганизмы и биологические объекты. Это открывает перспективы создания новых комбинированных технологий обеззараживания воздуха, которые могут дополнить существующие методы (например, ультрафиолетовое облучение) и повысить устойчивость систем очистки к биологическим рискам. Практическая значимость результатов проекта подтверждена их внедряемостью: разработанные ультразвуковые излучатели и распылительные устройства доведены до уровня опытных и мелкосерийных образцов и реализуются на базе малого инновационного предприятия ООО «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ», созданного в соответствии с ФЗ-217. Это обеспечивает трансфер полученных научных результатов в реальный сектор экономики и формирование технологических заделов, способствующих экономическому росту и социальному развитию Российской Федерации.