Национальный исследовательский Томский государственный университет
Одним из ключевых индикаторов качества воды и благополучия водоема является уровень растворенного кислорода, участвующего в процессах окисления органических примесей и самоочищения водных систем, а также в жизненном цикле гидробионтов. Резкое снижение содержания кислорода может привести к эвтрофированию и гибели эндемичных аэробных организмов. Поэтому численное моделирование динамики растворенного кислорода во время существования термобара (природного явления, проявляющегося в виде узкой зоны погружения поверхностных вод в окрестности температуры максимальной плотности) важно для задач прогнозирования и мониторинга экологического состояния озер умеренных широт.
В рамках настоящей работы получены пространственно-временные распределения температуры и растворенного кислорода в период развития весеннего термобара на примере Баргузинского залива озера Байкал с помощью негидростатической 2.5D модели [1], в которой параметризация поступления атмосферного кислорода в озеро реализована с учетом растворимости кислорода в воде [2] и скорости ветра на поверхности водоема [3].
Результаты расчетов свидетельствуют о том, что генерируемые весенним термобаром вертикальные потоки способствуют увеличению концентрации растворенного кислорода в прибрежной части залива. В водоеме формируются участки с разным содержанием кислорода. В разделенных термобаром областях распределения температуры и растворенного кислорода имеют как количественные, так и качественные различия.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда №23-71-10020, https://www.rscf.ru/project/23-71-10020/.
1. Цыденов Б.О. Математическая модель транспорта растворенного кислорода при развитии термобара // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2023. № 86. С. 176-187.
2. Garcia H.E., Gordon L.I. Oxygen Solubility in Seawater: Better Fitting Equations. Limnol. Oceanogr. 1992. V. 37. No. 6. P. 1307-1312.
3. Wanninkhof R. Relationship between wind speed and gas exchange. J. Geophys. Res. 1992. V. 97. P. 7373-7382.
Баир Олегович Цыденов
НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва
Углекислый газ - один из нескольких парниковых газов, увеличение атмосферной концентрации которого приводит к повышению средней температуры планеты, вызывая изменения климата, окружающей среды и условий жизни человека. Одним из методов снижения негативного воздействия CO2 является его хранение в подземных водоносных пластах. В этом случае за счет непроницаемости породы, а также растворения в воде углекислый газ не будет выходить в атмосферу.
Успешное развитие геологического размещения CO2 требует широкого использования симуляторов для проверки и оптимизации мест хранения. Однако временные масштабы рассматриваемых явлений таковы, что нет достаточно долгосрочных данных для проверки симуляторов. Для достижения разумных временных масштабов исследовательской группой Бергенского университета (Норвегия) в 2022 году была построена модель геологического хранилища лабораторного размера FluidFlower. Проведено 5 экспериментов по закачке углекислого газа в водонасыщенный пласт в одинаковых условиях.
Преобладающим процессом в этой системе является конвекция CO2 при растворении в воде. Наблюдение и учет данного явления имеют важное значение для моделирования размещения углекислого газа в пластах, так как характерные размеры конвективных потоков малы по сравнению с протяженностью геологических резервуаров. В рамках данной работы получена численная модель этой системы на симуляторе Mufits, и проведено сравнение с реальными результатами. Также установлено, что примененные уравнения подходят для исследования влияния конвекции на поведение CO2 при размещении в водоносных пластах, поскольку симулятор с достаточной точностью предсказывает поведение газа.
Светлана Константиновна Вязьмина
МГУ им.М.В.Ломоносова
Традиционный метод добычи нефти из пласта – заводнение. В пласт закачивается флюид, который вытесняет собой нефть из пласта. Проходит двухфазная фильтрация воды и нефти через пористую среду, поскольку жидкости несмешивающиеся на границе раздела фаз образуется неустойчивость. Она возникает из-за того, что менее вязкая жидкость прорывается сквозь вытесняемую жидкость и образуются каналы, называемые вязкими пальцами. Возникающая неустойчивость приводит к размытию изначально плоского фронта вытеснения, что ведет к увеличению площади поверхности раздела фаз. В результате нефть может быть захвачена внутри пористого пласта, что снижает полноту нефтедобычи. Однако не всегда ясно как оптимизировать процесс вытеснения и улучшить нефтеотдачу. Одним из важных факторов, отвечающим за фронт вытеснения, является отношения вязкостей вытесняемой и вытесняющей жидкостей.
В работе используется метод компьютерного моделирования для исследования влияния отношения вязкостей на площадь границы раздела. Рассмотрен процесс, при котором менее вязкая жидкость вытесняет более вязкую, численное моделирование процесса вытеснения. Целью работы является аппроксимация функционалами зависимостей максимальной площади границы раздела фаз от отношения вязкости и от времени. Проведена серия вычислительных экспериментов, по результатам которых построим график значений максимальной площади вытеснения от отношения вязкостей. Результатом работы является функционал, который аппроксимирует график наилучшим образом. Благодаря полученному функционалу можно уточнить вычислительную модель, в том числе с учетом химических взаимодействий фаз.
Аделия Рустамовна Галиуллина
НИИ механики МГУ
В области сверхзвуковых внутренних течений в каналах актуальным представляется учёт при определении теплового потока и коэффициента теплоотдачи локальных изменений определяющей температуры – равновесной (адиабатной) температуры стенки. Как показано в ряде работ, погрешность в определении коэффициента теплоотдачи, рассчитанного без учета локальных изменений равновесной температуры стенки, может составлять до 50%. В центре Лэнгли NASA, подводя итоги проведенных за последние 50 лет исследований в области высокоскоростного аэродинамического нагрева, отмечают, что дальнейшее повышение точности определения закономерностей теплоотдачи при обтекании сверхзвуковым потоком поверхностей сложной формы требует тщательного исследования локальных значений равновесной температуры стенки.
Доклад посвящен исследованию динамических (распределение статического давления на стенке, поле скорости) и тепловых (адиабатная температура стенки, коэффициенты восстановления температуры и теплоотдачи) параметров в потоке сжимаемого газа при обтекании плоской стенки и наличии/отсутствии падающей ударной волны. Исследования проводились на аэродинамической установке АР-2 непрерывного действия. Тепловой поток в стенку определялся аналитическим методом: решением обратной задачи теплопроводности по измеренному темпу охлаждения стенки и теплофизическим свойствам материала модели. Для определения локальной скорости течения потока использовался PIV-метод.
Рис. PIV-визуализация продольной составляющей скорости в области взаимодействия падающей ударной волны со стенкой
1. Леонтьев А.И., Попович С.С., Лущик В.Г., Макарова М.С. Коэффициент восстановления температуры в сжимаемом турбулентном пограничном слое // ТВТ. 2022. Т. 60, №3. С. 455-480.
2. Popovich S.S. Aerodynamic cooling of the wall in the trace of a supersonic flow behind a backward-facing ledge // Fluid Dynamics. 2022. V. 57. N. 1. P. 57–64.
Сергей Станиславович Попович
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
В данной работе рассматривается экспериментальное исследование колебаний двухслойной жидкости в подвижном баке, совершающим возвратно- поступательное движение. Дано описание экспериментальной установки и определены в эксперименте основные динамические характеристики нелинейных колебаний двух жидкости, а также приведено сравнение полученных экспериментальных результатов с теоретическими.
В качестве испытуемых жидкостей были выбраны вода, подсолнечное масло плотностью. Экспериментальная установка рис. 1 состоит из основания, подвижной пластины, прозрачного бака, электромеханического возбудителя колебаний и контрольно-измерительного комплекса. Основание представляет собой неподвижную пластину из текстолита, на которой были закреплены электромеханический возбудитель и металлические направляющие, обеспечивающие плавное движение без боковых вибраций подвижной пластины.
Весь процесс колебаний регистрировался на видеокамеру Айфон 15 Pro Max и затем анализировался на персональном компьютере ASUS.
Вин Ко Ко
ЮФУ, студент
Повсеместная потребность в компактных источниках энергии привела к созданию большого количества различных батарей, в состав которых входит как лёгкие металлы, типа лития, так и тяжёлые, типа кобальта и никеля. Их переработка и повторное использование затруднено трудоемкостью разделения лития от тяжёлых металлов из растворов электролитов. Одним из перспективных методов является электробаромембранный способ разделения [1]. Этот метод подразумевает использование нанофильтрационных мембран, которые имеют поры больших размеров по сравнению с обратноосмотическими мембранами, что делает их менее селективными для ионов, но увеличивает их гидродинамическую проницаемость [2].
В данном докладе будут представлены результаты численного моделирования электроконвекции в электробаромембранной ячейке. Такая ячейка состоит из двух полостей, заполненных электролитом, разделённых тонкой нанофильтрационной мембраной (см. рис.). На систему подаётся разность электрических потенциалов, что приводит к электрокинетическим процессам. В одной из камер создаётся повышенное давление, что приводит к гидродинамическим течениям через пористую мембрану.
Было исследовано влияние градиента давления на электрокинетическую неустойчивость, которая возникает около ионоселективных мембран при достаточно больших напряжённостях внешнего электрического поля [3, 4]. Наличие электроконвекции, с одной стороны, усиливает электрический ток, проходящий через мембрану, но, с другой стороны, приводит к перемешиванию электролита около мембраны, что затрудняет процесс разделения ионов металлов в области вихреобразования.
Работа выполнена при поддержке РНФ, грант № 22-79-10085.
Илья Иванович Ольберг
Финансовый университет при Правительстве РФ, Кубанский государственный университет, НИИ Механики МГУ
Неводный электрофорез (или электрофорез в неполярных жидкостях) — это вид электрофореза, при котором водный раствор заменяется на органический растворитель. Органические растворители имеют более низкую диэлектрическую константу и способны растворять соединения, которые труднорастворимы в воде, тем самым дают возможность разделения таких соединений с помощью электрофореза. В электролитах, растворителем которых является неполярная жидкость, формируется плотный электрический двойной слой (ЭДС). Разница между полярными и неполярными жидкостями заключается в их молекулярной структуре и распределении электрического заряда внутри молекулы. Полярные молекулы демонстрируют неравномерное распределение плотности заряда, что приводит к наличию у них чистого дипольного момента.
В работе проведено прямое численное моделирование электрофореза диэлектрической частицы в неполярных жидкостях при высокой напряженности электрического поля. Обнаружены несколько режимов поведения частицы в зависимости от величины числа Дебая, изучены нормальные и тангенциальные потоки ионов около поверхности частицы и обнаружена область полного отсутствия потоков катионов и анионов.
Елизавета Александровна Франц
НИУ МЭИ, кафедра Низких Температур
В целях исследования тепломассопереноса при пленочном кипении сверхтекучего гелия-II на кафедре Низких температур продолжительное время проводятся эксперименты, изучающие поведение межфазной границы пар – жидкость. Данные работы проводятся в экспериментальных ячейках различной формы; в каналах с пористыми наполнителями разного диаметра. Исследования показали [1], что в длинных капиллярах сверхтекучий гелий, в отличие от обычных жидкостей, может двигаться к источнику тепла.
Ранее в [2] показано, как ведет себя сверхтекучий гелий в заполненном пористой засыпкой диаметром 240 мкм U- образном канале. При подаче тепловой нагрузки, в канале появляются постоянные устойчивые колебания с амплитудой и частотой, зависящими от условий эксперимента: тепловой нагрузки, температуры жидкости, глубины погружения нагревателя.
В настоящей работе проанализировано влияние диаметра (70±5 мкм; 240±5 мкм) засыпки из монодисперсных шариков на движение межфазной границы пар – жидкость в канале. На Рис. 1 сравниваются колебания в двух разных сериях при тепловой нагрузке 47 кВт и давлении 4500 Па. В первом случае – амплитуда и частота колебаний 1 мм и 3,2 Гц соответственно. Во втором случае – амплитуда и частота колебаний 5 мм и 1,7 Гц соответственно.
Таким образом, в зависимости от размера шариков пористой засыпки меняется амплитуда и частота колебательного движения межфазной границы пар – жидкость. В то же время, чем меньше диаметр шариков засыпки, тем большую тепловую нагрузку необходимо подать для начала колебательных движений.
Работа выполнена при поддержке Российского Научного Фонда (проект №23-29-00342).
Литература
1. Королев П.В., Крюков А.П., Медников А.Ф. Экспериментальное исследование движения гелия-II в капилляре при наличии паровой полости вблизи нагревателя // Вестник МЭИ. 2006. № 4. С. 27—33
2. Евко Е.А., Пузина Ю.Ю. Влияние монодисперсной засыпки на колебания сверхтекучего гелия в U-образном канале. // Всероссийская конференция молодых ученых-механиков YSM-2023. Тезисы докладов (4 – 14 сентября 2023 г., Сочи, «Буревестник» МГУ). – М.: Издательство Московского университета, 2023. Стр. 43.
Евгений Александрович Евко
НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова
Рассмотрена задача двухфазной фильтрации несжимаемых жидкостей в анизотропной пористой среде, находящейся в поле силы тяжести. Исследовано влияние анизотропной проницаемости, гравитационного расслоения фаз и капиллярного давления на эффективность вытеснения. Определены критерии подобия, характеризующие направления течения вытесняющей и вытесняемой жидкостей и на фазовой плоскости ограничена область значений этих параметров, которые соответствуют реальным значениям физических параметров пластов и жидкостей, насыщающих их. В рамках исследования численных решений профильной задачи фильтрации проведена классификация режимов вытеснения из анизотропного пласта [1]. Показано, что существует четыре режима, соответствующих качественно различным течениям. Проведено сравнение их эффективности в терминах коэффициента извлечения жидкости из пласта и коэффициента его охвата вытеснением. Исследовано влияние капиллярного давления на эффективность вытеснения в различных режимах течения. Показано, что в одних случаях увеличение влияния капиллярного давления приводит к повышению коэффициента вытеснения, а в других режимах, наоборот, – к его снижению. Представлены карты максимальных значений коэффициентов эффективности в фазовой плоскости и соответствующие им положения горизонтальных скважин, при которых эти значения достигаются.
1. Чернова А. А., Афанасьев А.А. Режимы вытеснения жидкости из анизотропного пласта в поле силы тяжести // Изв. РАН. МЖГ. 2023. № 6. С. 95–109.
Анна Александровна Чернова
Национальный исследовательский Томский государственный университет
Природные течения в силу больших масштабов, как правило, являются полностью турбулентными [1, 2]. В глубоких водоемах коэффициенты турбулентного обмена в вертикальном и горизонтальном направлениях существенно различаются, так как из-за устойчивой плотностной стратификации вертикальные пульсации гидрологических характеристик меньше горизонтальных [3]. С этим связаны основные трудности моделирования гидродинамики озер [4, 5].
В рамках представленной работы численно исследуются эффекты коэффициентов горизонтальной турбулентной вязкости на примере развития весеннего термобара (природного явления, проявляющегося в виде узкой зоны погружения поверхностных вод в окрестности температуры максимальной плотности) в оз. Долгое с помощью негидростатической 2.5D модели, включающей в себя уравнения неразрывности, количества движения, энергии, турбулентных характеристик и др. [6].
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда №24-47-10001, https://rscf.ru/project/24-47-10001/.
1. Роди В. Модели турбулентности окружающей среды // Методы расчета турбулентных течений. Москва: Мир, 1984. С. 276-278.
2. Караушев А.В. Проблемы динамики естественных водных потоков. Л.: Гидрометеоиздат, 1960. 392 с.
3. Доронин Ю.П. Физика океана. С.-Пб.: РГГУ, 2000. 305 с.
4. Жегулин Г.В., Зимин А.В. Оценки коэффициентов горизонтального турбулентного обмена в Белом море по данным измерений скорости течений // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2017. Т. 10, № 1. С. 17-30.
5. Cheng R.T., Powell T.M., Dillon T.M. Numerical models of wind-driven circulation in lakes // Appl. Math. Modelling. 1976, V. 1, No. 3. 141-159.
6.Tsydenov B.O. Numerical modeling of the autumnal thermal bar // J. Mar. Syst. 2018. No. 179. P. 1-9.
Баир Олегович Цыденов
