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 25-79-20007
НазваниеРазвитие оптико-электронных методов измерения через многофазный барьер при исследовании дисперсной составляющей в экспериментах по моделированию природных и технических гидродинамических систем
Руководитель Кабардин Иван Константинович, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" , Новосибирская обл
Конкурс №108 - Конкурс 2025 года на получение грантов РНФ по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-105 - Газо- и гидродинамика технических и природных систем
Ключевые слова оптико-электронные методы, газо-, гидродинамика, многофазный барьер, скорость, морской аэрозоль, пузырьки, газосодержание, лазерная и фазовая доплеровская анемометрия, видеоэндоскопический PTV-метод, зондовый ультразвуковой метод измерения скорости, зондовый оптоволоконный метод измерения газосодержания и размеров пузырьков
Код ГРНТИ29.03.31
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальной научной задачи - развитие оптико-электронных методов измерения через многофазный барьер при исследовании дисперсной составляющей в экспериментах по моделированию природных и технических гидродинамических систем. Существует ряд задач с многофазными потоками, где концентрация дисперсной фазы значительна во всем объеме среды, а не только области измерения. Оптическому сигналу приходится преодолевать многофазный барьер прежде чем попасть на приемник, что приводит к сильному искажению сигнала. Научная проблема связана с обеспечением измерений через многофазный барьер в широком диапазоне условий исследуемых гидродинамических процессов. Конкретные задачи заключаются в развитии методик диагностики потоков газов при наличии капельных аэрозолей и течений со взвешенными пузырьками в жидкости. Развиваемые методы должны обеспечить данные о распределениях по скоростям и размерам капель/пузырьков, их объемной концентрации. Основные развиваемые методы – глубокие модификации методов ЛДА и ФДА, видеоэндоскопический PTV-метод, зондовый ультразвуковой метод измерения скорости, зондовый оптоволоконный метод измерения газосодержания и размеров пузырьков. Проблема преодоления многофазного барьера, за счет использования предлагаемых в этом проекте новых невозмущающих методов, будет решаться на примерах важных и актуальных задач природной и технической гидродинамики.
Эти методы будут использованы в лабораторных экспериментах по моделированию взаимодействия атмосферы и океана. Исследования будут выполняться на одной из лучших в мире экспериментальных установок - Высокоскоростном ветроволновом канале (ВВК) объекта уникальной инфраструктуры (ОИ) Комплекса крупномасштабных геофизических стендов (ККГС) ИПФ РАН. На ВВК моделируются условия со скоростями ветров до 50 м/с при пересчете на натурные условия и реализуются режимы волнения с регулярными обрушениями гребней, во время которых вблизи границы раздела воздушный поток насыщается каплями, а водная толща пузырьками. Многофазность пограничных слоев атмосферы и океана играет важнейшую роль во взаимодействии между ними. Вклад дисперсной фазы в обмен импульсом, теплом, в газообмен значителен, особенно при сильных ветрах. Корректные количественные оценки ее характеристик принципиально важны для прогнозирования состояния окружающей среды на разных масштабах. В лабораторных экспериментах при моделировании штормовых условий наблюдается высокая насыщенность дисперсной фазой пограничных слоев в воде и воздухе по всей ширине канала, а также осаждение капель на стенках, что затрудняло использование стандартных модификаций ЛДА, PIV/PTV и теневых методов. Планируется решить проблему многофазного барьера за счет использования новых методов.
Второй задачей для решения которой планируется использовать разрабатываемые методы являются фундаментальные исследования, связанные с изучение процессов в многофазной среде в каталитических картриджах на специальном экспериментальном стенде НГУ. Они имеют сложную структуру, образованную металлическими пластинами и чередующимися вставками стеклотканого катализатора с целью существенного увеличения эффективности межфазного обмена. В каналах такого картриджа возникают сильные неоднородности в структуре газового потока, образуются застойные зоны, значительно снижающие массоперенос реагентов (в том числе дисперсной фазы) к поверхности катализатора.
Новые данные позволят существенно уточнить характеристики дисперсной фазы. Это позволит в дальнейшим успешно развить новые модели, качественно и количественно описывающие ее вклад в процессы межфазного взаимодействия как в природных (пограничный слой атмосферы и океана), так и технических системах (каталитические устройства).
Новизна проекта также заключается в использовании новой элементной базы, на которой будут реализованы предлагаемые оптические схемы и конструкции. В частности, в качестве фотоприемников будут использованы новые кремниевые мультипиксельные фотоумножители.
Ожидаемые результаты
В ходе выполнения настоящего проекта планируется разработать и реализовать не отдельные частные научные и технические методы, а целый ряд комплексных решений по преодолению многофазного барьера при проведении оптических невозмущающих измерений в природных и технических гидродинамических системах широкого класса. Решения будут включать в себя аппаратно-программные средства глубоко модифицированных ЛДА/ФДА методов, видеоэндоскопические системы PTV-измерений, зондовые ультразвуковые измерения скоростей дисперсной фазы и оптоволоконные методы регистрации распределений размеров и объемной концентрации дисперсной фазы. Сопоставление результатов применения новых методов в лабораторных экспериментах по моделированию важных природных и технических систем позволят выявить преимущества и недостатки и определить оптимальные конфигурации использования для каждого из них, в зависимости от условий исследуемых процессов.
В настоящем проекте модифицированные ЛДА/ФДА методы, а также эндоскопическая видеосъемка, ультразвуковое и оптоволоконное зондирование будут впервые применены для измерений в экспериментах по лабораторному моделированию взаимодействия атмосферы и океана при штормовых и ураганных условиях, при интенсивной генерации капель и пузырьков вблизи границы раздела сред с использованием уникального оборудования ОИ ККГС ИПФ РАН. Будут решены проблемы влияния многофазного барьера как в воздухе, так и в воде. Новые данные, полученные с использованием разработанных в ходе проекта измерительных методов, позволят существенно уточнить характеристики дисперсной фазы в широком диапазоне условий моделирования, включая экстремальные (сильные ветра и интенсивные обрушения волн). Это позволит развить модели, качественно и количественно описывающие вклад дисперсной фазы в процессы обмена (импульсом, теплом) между атмосферой и океаном в широком диапазоне условий (включая шторма и ураганы).
Создание и развитие новых методов позволит существенно продвинуться в исследовании процессов массо- и теплопереноса в многофазных процессах, протекающих в каталитических системах, обладающих сложной пространственной структурой и геометрией. Полученные новые знания могут быть использованы не только для оптимизации каталитических процессов и защиты окружающей среды, но и в производстве компактных теплообменников, газотурбинных и комбинированных теплоэнергетических установок в авиационной и ракетно-космической промышленности. Результаты этой части проекта, будут обладать долгосрочной перспективой использования в новых наукоёмких производствах, где многофазные процессы играют ключевую роль.
Полученные результаты по созданию аппаратно-программных средств развитых методов будут воплощены в макетах новых измерительных систем.
Предполагаемые результаты проекта важны для развития сразу целого ряда областей науки: классической газо-, гидродинамики, физики атмосферы и океана, процессов тепломассообмена (с приложением в энергетике), оптики (включая лазерную) теории обработки сложных сигналов, методов экспериментальной физики. С этими факторами связана масштабность и комплексность решаемых в проекте задач и научных проблем.