Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В 2024 году был подготовлен аналитический обзор подходов к определению критериев эффективности процессов смешения, в частности, применительно к условиям данного проекта (вязкости 1-100 сСт, плотности 0.8 - 1.5 г/см³). На основе современных методов, описанных в мировой литературе, определены критерии эффективности перемешивания вязких жидкостей для модельных и реальных гидродинамических сред. Для анализа работы мешалок использованы центробежный критерий Рейнольдса и критерий мощности Эйлера. Адаптирован экспериментальный стенд для исследования методов интенсификации вихревого течения в цилиндрическом контейнере с верхним вращающимся диском за счет изменения свойств поверхности завихрителя. Изготовлены завихрители с гладкой поверхностью и различной гидрофобизацией (угол смачивания от 18 до 156 градусов), а также с структурированными выступами ("нанотрава", "микробороздки" и "микроребра"). Проведены эксперименты по влиянию модифицированной поверхности завихрителя на циркуляционные ячейки и вихревые структуры методом адаптивной трековой визуализации и PIV. Обнаружен прирост осевой протяженности вихря на 5–11% при использовании наноструктурированных поверхностей, особенно при числе Рейнольдса от 2000 до 4000. Высота бороздок до 0.3 мм незначительно влияет на гидродинамику при числах Рейнольдса от 100 до 16000. Увеличение шероховатости повышает скорость течения у поверхности завихрителя, но на малых числах Рейнольдса (<1500) не влияет на центральную часть контейнера. Максимальные изменения скорости при радиальном расположении микроструктур наблюдаются при числе Рейнольдса более 7000, а при окружном — при 3000, что подчеркивает сложность влияния шероховатости на вихревые течения (подготовлена статья в журнал Phys. Rev. Fluids). Исследования показали, что скорость течения в замкнутом контейнере не изменяется при различных гидрофобных и гидрофильных поверхностях, что позволяет не учитывать степень смачиваемости и материал завихрителя. Изготовлен вихревой реактор с адаптивным вращением боковой стенки. Верхний диск приводит в движение жидкость, а при увеличении его частоты под действием силы трения жидкости начинает вращаться цилиндрический контейнер. Проведены измерения частоты вращения боковой стенки в широком диапазоне чисел Рейнольдса для различных вязкостей жидкости (от 5 до 80 мм^2/c). Получено что основным фактором, влияющим на динамику вращения цилиндра, является вязкость жидкости. Для интенсификации вихревого течения на боковую стенку вихревого реактора были нанесены сегменты гидрофобных покрытий методом химической функционализации. Проведены экспериментальные и численные исследования развития ячейки центробежной циркуляции в рабочей жидкости с использованием полноразмерных завихрителей (твердый диск, несмешиваемая жидкость или газообразный вихрь) при ламинарных режимах течения (Re < 3000). Анализ результатов исследования формирования структуры ограниченного вихревого течения жидкости, закрученного потоком другой жидкости или газовым вихрем показал, что под границей раздела у оси формируется сильно закрученная струя с образованием ячеек центробежной циркуляции. Установлено, что развитие центробежной циркуляции аналогично замкнутому вихревому течению одной жидкости. Профили осевой скорости в газо-жидкостной системе и системе двух несмешиваемых жидкостей показали одинаковое формирование пузыревидного распада вихря независимо от типа завихрителя. Измерено время перемешивания методом кондуктометрии при различных режимах вихревого движения в модельном цилиндрическом реакторе. Определено время перемешивания для различных режимов на модельных жидкостях, выбраны оптимальные режимы. В диапазоне частоты вращения диска 45-50 рад/с обнаружен режим с формированием двойной нестационарной воронки, который может быть наиболее перспективным для дисковых мешалок при больших числах Рейнольдса (Skripkin S., Naumov I., Phys. Fluids, 2024). Формирование нестационарной эллиптической воронки уменьшило время перемешивания в 1.5 раза. Получены результаты на реальных лабораторных реакторах. Выбран плоский реактор с дисковой мешалкой (h/R = 0.3, общий объем 4.4 л) и вертикальный плоский реактор объемом 1.5 л с барботажной системой. Минимальное время перемешивания составило 5.1 с/л и 10.5 с/л соответственно, что подтверждает перспективность вихревого течения. По результатам исследования принята к печати статья в журнал “Морской биологический журнал”, 2025. С использованием Star-CCM+ проведены численные расчеты эффективности перемешивания в модельном реакторе. Для вычисления времени перемешивания использована модель пассивного скаляра. Полученная динамика числа Re при нижнем положении диска хорошо коррелирует с экспериментами на основе кондуктометрии. Проведены исследования по параметрической оптимизации конструкции завихрителя в вихревом реакторе. Для первоначальной оптимизации были выбраны положение диска, его диаметр и размер центрального отверстия. Увеличение размера центрального отверстия не значительно сократило время перемешивания, в то время как оптимальные параметры радиуса диска (Rдиска/Rреактора = 0.7, Z = 1.2 h/Rреактора) показали почти двукратное улучшение по сравнению с неоптимальными (Rдиска = Rреактора, крайнее нижнее или верхнее положение). На основе обзора литературы и анализа конфигураций мешалок была построена параметрическая модель реактора с лопаточной мешалкой, где варьировались количество и угол лопаток, их диаметр и позиционирование. Предварительные результаты показали значительные отличия в структуре течения по сравнению с дисковыми мешалками. Разработанная модель готова к дальнейшей оптимизации с целевыми функциями минимизации времени перемешивания и потребляемой мощности с учетом уровня сдвиговых напряжений. Проведены патентные исследования в области биореакторов для культивирования биомассы. Техническая задача: интенсификация массопереноса в вихревых биореакторах для разработки новых и совершенствования существующих устройств. Существующие патенты демонстрируют разнообразие подходов к повышению эффективности биореакторов. Предлагаемое решение на основе адаптивного вращения боковой стенки биореактора обладает необходимым уровнем новизны и патентоспособности. Охранных документов в РФ, США, Японии, Китае и др. странах, препятствующих патентованию, не выявлено. Результаты выполненных работ в 2024 году представлены в виде 4 научных статей в журналах (Physics of Fluids, E3S Web of conference, Морской биологический журнал) индексируемых в базах Web of Science/Scopus и RSCI, и 6 докладах на международных и всероссийских конференциях, включая 1 ключевой, 2 устных и 3 стендовых.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В 2025 году, в рамках отчетного периода по проекту, проведен комплекс исследований, посвященных численному моделированию, экспериментальному изучению и оптимизации гидродинамики вихревого реактора. Основное внимание уделено анализу ламинарных и турбулентных режимов течения, влиянию конструктивных параметров и поиску энергоэффективных конфигураций. Было выполнено численное моделирование ламинарных режимов (Re <3000) течения в реакторе с двумя типами боковой стенки: свободно вращающейся и с гидрофобным покрытием, моделируемым граничным условием полного скольжения. Моделирование, проведенное в пакете Star-CCM+, было предварено анализом сеточной сходимости, показавшим независимость результатов от дискретизации при использовании сетки с ~1.2 млн ячеек. Верификация численной модели для случая свободно вращающейся стенки проведена путем сопоставления с экспериментальными данными PIV при Re = 1953, показавшего хорошее согласование с отклонением не более 5%. Сравнительный анализ конфигураций выявил, что свободно вращающаяся стенка, обеспечивая существенное снижение трения по сравнению с неподвижной и значительное увеличение крутки потока, формирует более благоприятную для массообмена структуру течения с выраженной пространственной неоднородностью. В то же время условие полного скольжения, хотя и приводит к максимальному снижению трения и высокой тангенциальной скорости у стенки, создает структуру потока с концентрированным нисходящим пристеночным течением и однородным восходящим потоком, что потенциально менее эффективно для перемешивания. Таким образом, конфигурация со свободно вращающейся стенкой признана оптимальным компромиссом, сочетающим снижение гидродинамических потерь с сохранением условий для интенсификации массообмена (Exp. Fluids, 2025). Параллельно проведена серия экспериментальных исследований для изучения влияния вертикального положения дискового завихрителя (Z/H) на гидродинамику и эффективность перемешивания. Эксперименты, выполненные методами PIV и LDA на реакторах разного диаметра, подтвердили существование оптимального положения диска (Z = 0.35H), при котором время перемешивания минимально. Особое внимание было уделено режиму, возникающему при нижнем положении диска и превышении критического числа Рейнольдса, – нестационарному режиму «двойной воронки», характеризующемуся значительной интенсификацией процессов. Установлено, что наличие границы раздела двух несмешивающихся жидкостей с контрастом вязкостей существенно снижает порог перехода к этому режиму. Важным результатом стало обнаружение явления гистерезиса в двухслойной системе: режим «двойной воронки», возникший при высоких Re, сохраняет устойчивость при последующем снижении скорости вращения значительно ниже первоначального порога возникновения. Это позволяет поддерживать интенсивное перемешивание при числах Рейнольдса примерно на 30% ниже исходного критического значения, что расширяет диапазон энергоэффективной работы реактора (Physics of Fluids, 2025). Для турбулентных режимов (Re> 3000) решена многокритериальная задача оптимизации геометрии пропеллерной мешалки с использованием гибридного алгоритма SHERPA в среде Star-CCM+. Целевыми функциями были минимизация времени перемешивания (t_микс), потребляемой мощности (N) и максимального уровня сдвиговых напряжений (τ_max). В результате оптимизации для реактора диаметром 190 мм определена оптимальная конфигурация с шагом винта 1.5-1.7 от диаметра мешалки и углом наклона лопастей 25-30°. По сравнению с базовой геометрией, численное моделирование показало снижение времени перемешивания на ~12% и уменьшение потребляемой мощности на ~5% при сохранении максимальных сдвиговых напряжений в безопасных для моделируемых биологических сред пределах (τ_max < 10 Па). - Проведен анализ влияния гидрофобных покрытий и микрошероховатостей на интенсивность массообменных процессов и интенсивность вихревого движения культуральной среды во внутреннем объеме реактора. Предложен критерий интенсивности перемешивания для переходных режимов потока в замкнутых биореакторах, основанный на крупномасштабных гидродинамических массообменных процессах. Показано, что гидрофобные покрытия практически не оказывают влияние на процессы массообмена внутри замкнутых реакторов. - Проведена ооптимизация конструкции реакторов для достижения максимальной производительности при минимальных затратах энергии. Детально исследована структура вихревого движения трех несмешиваемых жидкостей. В компактном трехжидкостном закрученном потоке радиальная скорость меняет свое направление в средней и верхней жидкостях вблизи границ разделов при увеличении интенсивности закрутки. Показано, что режимы с величиной промежуточного слоя h_М =0.2–0.6R, для которых характерна развитая меридиональная циркуляция во всем объеме слоя, являются наиболее перспективными с точки зрения обеспечения эффективного теплообмена (J. Eng. Therm., 2025). Для экспериментальной верификации результатов оптимизации методом LCD 3D-печати изготовлен набор прототипов мешалок: плоский диск (базовый), радиальная турбина Раштона, вогнутая турбина Смита, осевой пропеллер и турбина с наклонными лопастями. Экспериментальные исследования, включавшие измерения полей скорости методом PIV и времени гомогенизации кондуктометрическим методом, подтвердили эффективность оптимизированных конструкций. Как и ожидалось, осевая пропеллерная мешалка показала наилучший результат (t_95 = 11 с), в то время как для базового диска время перемешивания составило 35 с. Полученные экспериментальные зависимости качественно согласуются с результатами численного моделирования и литературными данными. - Получены патенты: № 2848026 «Способ формирования вихревых течений для интенсификации массообмена в биореакторе» и № 2843813 «Способ диагностики течения в вихревом биореакторе с вращающейся боковой стенкой». Изобретения позволяют повысить эффективность интенсификации биологических и химических процессов в вихревых биореакторах с вращающейся стенкой при различных частотах вращения крышки реактора. Результаты выполненных работ в 2025 году представлены в виде 3 научных статей в журналах (Physics of Fluids (Q1), Experiment in Fluids (Q1), и J. Eng. Thermophys.) индексируемых в базах Web of Science/Scopus и RSCI, и 8 докладах на международных и всероссийских конференциях, среди которых 2 ключевых, 5 устный секционных и 1 стендовый. Таким образом, в отчетный период выполнены все запланированные работы, а полученные результаты создают основу для разработки научно обоснованных методов интенсификации массообменных процессов в вихревых реакторах.