Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В соответствии с заявленным на второй год проекта планом, были проведены следующие работы (нумерация задач соответствует блок схеме изначального плана. • Задача 1.2. С помощью собственной реализации метода прямого статистического моделирования Монте-Карло было проведено численное исследование течения смеси газов через систему вращающихся микроперфорированных дисков в плоской постановке. Изначальная гипотеза о наличии существенного усиления эффекта разделения смеси расчетами не подтвердилась – максимальные значения повышения коэффициента разделения составляют порядка 10% при существенном снижении потока. Поисковые исследования были проведены в широком диапазоне всех параметров задачи: характерного числа Кнудсена, скорости вращения дисков, геометрии (частота нанесения микроперфораций-щелей, расстояние между дисками), а также количества секций (дисков) и смещения фаз их вращения (определяется смещением положения щелей в соседних дисках). • Задача 1.3. (задача третьего года, решена в опережение плана). С помощью собственной реализации метода прямого статистического моделирования Монте-Карло было проведено численное исследование течения смеси газов в канале с подвижными стенками под действием перепада давления на предмет наличия эффекта разделения смеси. Исследование проведено в широком диапазоне чисел Кнудсена, скоростей движения стенок, а также при разных длинах каналов и коэффициентах аккомодации на стенках. Было численно подтверждено, что добавление противодействующего основному потоку сопротивления за счет движения стенок действительно приводит к усилению эффекта разделения естественной кнудсеновской диффузии. Эффект демонстрирует немонотонную зависимость от скорости стенок U с локальным максимумом при значениях U порядка средней тепловой скорости молекул. Было показано, что более низкие коэффициенты аккомодации на стенках уменьшают трение на стенках, что приводит к уменьшению коэффициента разделения, но увеличению расхода газа. В то же время, увеличение длины канала приводит к противоположному эффекту, увеличивая коэффициент разделения ценой уменьшения потока. По результатам работы написана и опубликована статья в международном журнале Physics of Fluids (Q1). • Задача 1.1 (продолжение задачи первого года, результаты сверх плана) С помощью собственной реализации метода прямого статистического моделирования Монте-Карло было проведено численное исследование течения газовой смеси через упрощенную версию турбомолекулярного насоса (ТМН), представляющую собой систему быстровращающихся турбин. Т.к. результаты предыдущего года показали высокий практический потенциал такой установки применительно к задаче газоразделения, было принято решение продолжить исследование данной задачи с упором на некоторые практические аспекты, а также на поиск оптимальных параметров работы устройства. Отдельные упор делался на исследовании отличий в требованиях к устройству при переходе от классического применения (создание сверхвысокого вакуума) к задаче газоразделения. По результатам работы написана статья и подана в международный журнал International Communications In Heat and Mass Transfer (Q1). • Задача 2.2 (часть 1). Был проведен обзор существующих в литературе решений, и на его основе, вместе с результатами моделирования был сформулирован список технических требований к ПАВ кристаллу. Проведено расчетное моделирование топологии кристалла с преобразователями сигнала и рассчитана их амплитудно-частная характеристика (АЧХ). На основании расчетов изготовлена плата носитель, на ней смонтирован ПАВ кристалл и остальные элементы устройства. Собран экспериментальный стенд, проведена проверка соответствия АЧХ характеристик устройства теоретически рассчитанным значениям. Проведены тесты на воде, проведенные тесты были успешны – показана возможность устройства прокачивать жидкость. На данный момент ведется сборка стенда для проверки прокачки газа. • Задача 3.1. Проведены расчеты течение бинарных смесей газов в микроканале по действием градиентов давления, температуры и концентрации методом DSMC. В качестве пар выбирались имеющиеся в распоряжении экспериментальной команды газы (CH4,CO2,O2,N2,Ar,Xe,SF6). На основании расчетов получены безразмерные коэффициенты потоков для использования в многомасштабном методе. С использованием новой базы коэффициентов проведена серия расчетов многомасштабным методом для сравнения с будущими экспериментами. • Задача 4.3. Проведено комплексное экспериментальное и теоретическое (численное) исследование насоса Кнудсена (НК). Экспериментальная установка состояла из мембран MCE и 3D-печатных секций с микрорешетками для нагрева/охлаждения жидкости. Была исследована зависимость перепада давления, создаваемого НК, от всех возможных параметров: внешней разности температур, количества секций, числа Кнудсена в мембранах и коэффициентом температурных потерь. Экспериментальные результаты по большинству параметров демонстрируют очень хорошее согласие с теорией, а также с результатами численного моделирования. В то же время сравнение влияние числа Кнудсена показало заметное качественное расхождение с имеющимися численными и экспериментальными данными, которое мы связываем с неупорядоченной структурой губчатых мембран из смешанных эфиров целлюлозы (MCE) и несоответствием между заявленными размерами пор в них и их эффективными значениями. Анализ коэффициента температурных потерь позволил нам вывести простую инженерную формулу для выбора оптимальных размеров и материалов элементов микроступеней. Также было показано, что использование конфигураций, в которых расстояние между нагревательными или охлаждающими элементами значительно больше толщины микроступени (мембраны или другого пористого материала), приводит к заметному уменьшению коэффициента температурных потерь и, соответственно, к ухудшению характеристик НК. По результатам работы опубликована статья в международном журнале International Communications In Heat and Mass Transfer (Q1).