Наиболее значимые фундаментальные результаты научных исследований коллектива в 2024 году

Выявление условий и режимов кавитационного взаимодействия жидких сред с газами

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда № 23-12-00278.

Основные авторы фундаментального исследования:

• Голых Роман Николаевич – доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, профессор Бийского технологического института (филиала) АлтГТУ им. И.И. Ползунова (БТИ АлтГТУ)
• Барсуков Александр Романович – аспирант, старший преподаватель БТИ АлтГТУ
• Маняхин Иван Александрович – аспирант, младший научный сотрудник БТИ АлтГТУ

Фундаментальная научная проблема – малый коэффициент диффузии газа в жидкости, примерно в 10000 раз меньше, чем коэффициент диффузии газа в газе.

Предлагаемый способ решения проблемы – ультразвуковая интенсификация массообмена газ-жидкость, основа которой – кавитационный эффект.

Механизмы ультразвуковой интенсификации массообмена «газ-жидкость»

Практические приложения

Отделение вредных газов из атмосферного воздуха («карбоновый след» индустриализации и выбросы техногенных аварий), поглощение агрессивных газов из смесей в химико-технологических процессах	Обогащение воды газами медицинского назначения («радоновые ванны»)	Синтез твёрдофазных веществ (пищевые продукты, полимерные материалы) — решение двойной задачи: получение полезных продуктов и утилизация вредных газообразных соединений углерода	Дегазация расплавов металлов для машиностроения и авиации

Результаты теоретических исследований

1. Доказана теорема о регулярности обобщённой функции профиля межфазной поверхности h (в пространстве Шварца S(R⁴) обобщённых функций медленного роста) при схлопывании кавитационных пузырьков как сингулярного силового воздействия (ударная волна от каждого пузырька — дельта-функция Дирака в 4-мерном пространстве-времени).

2. Создан параллельный численный алгоритм расчёта профиля волн на поверхности аэрационного пузырька.

3. Установлены новые необходимые условия максимально эффективного увеличения межфазной поверхности:

• Необходима инжекция газа сквозь центральный канал внутри ультразвукового излучателя.
• Необходимо создавать локальные зоны вырожденной кавитации — долгоживущих несхлопывающихся пузырьков в комбинации со схлопывающимися пузырьками (ранее считалось, что это не обеспечивает интенсификации химико-технологических процессов)

Условия способствуют формированию волнообразных возмущений на поверхности пузырьков вплоть до дробления.

4. Выявлены оптимальные режимы максимального увеличения поверхности в объёме кавитирующей жидкости.

Иллюстрация сходимости разработанного численного метода расчёта нелинейного кавитационно-акустического поля в жидкости с аэрационными пузырьками (зоны кавитации на каждой итерации: фиолетовая зона — зона вырожденной кавитации; зелёная и синие зоны — зоны схлопывающихся пузырьков; жёлтая и оранжевые зоны — нет кавитации). Слева направо — распределения от 1-й итерации метода до последней.

Выявленные зависимости увеличения площади межфазной поверхности от амплитуды звукового давления (частота колебаний 22 кГц).

Результаты экспериментальных исследований

(проведены совместно с Институтом гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН)

Экспериментальные исследования влияния интенсивности ультразвукового воздействия на площадь межфазной поверхности с помощью скоростной киносъёмки (210 000 кадров в секунду).

Экспериментальные исследования влияния вязкости на увеличение межфазной поверхности (на примере раствора глицерина в воде): а) глицерин – 0%; б) глицерин – 10%; в) глицерин – 37,5%; г) глицерин – 50%; д) глицерин – 60%; е) глицерин – 80%.

Подтверждена теоретически предсказанная возможность увеличения межфазной поверхности до 1,7 раз и более в вязких жидкостях (увеличение достигнуто при массовой концентрации глицерина в воде вплоть до 37,5%).

Предложен подход к повышению эффективности ускорения массопереноса газа в вязких жидкостях за счёт оптимизации температуры. Эффект предсказан теоретически. Эксперименты проводятся в настоящее время.

Более 10 публикаций в Web of Science, Scopus и иных зарубежных БД. 3 научные публикации в RSCI. Участие в 5 международных и 4 всероссийских конференциях, где доклады были отмечены дипломами I и II степени.

Основные результаты исследований представлены в статьях, на международных и всероссийских конференциях:

1. Golykh, R.N. Generalized functions of slow growth problem statement for capillary wave formation in gas-liquid interface under ultrasonic cavitation / R.N. Golykh // Mathematical notes of NEFU. - Yakutsk, 2025.
2. Барсуков, А.Р. Влияние ультразвуковых колебаний на формирование поверхностных возмущений барботажного пузырька в ходе принудительной аэрации при разных вязкостях жидкой фазы / А.Р. Барсуков, Р.Н. Голых, Ж.-Б. Карра, И.А. Маняхин // Ползуновский вестник. - 2025. - №2.
3. Голых, Р.Н. Влияние ультразвукового кавитационного воздействия на межфазную поверхность «газ-жидкость» при принудительной аэрации / Голых Р.Н., Карра Ж.Б., Хмелёв В.Н., Маняхин И.А., Минаков В.Д., Генне Д.В., Барсуков А.Р. // Прикладная механика и техническая физика. - 2024. - ONLINE FIRST. DOI 10.15372/PMTF202315435. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=65356304
4. Сливин, А.Н. Моделирование процесса возникновения волн на межфазной границе "газ-жидкость" при создании акустических возмущений давления в газовой фазе / А.Н. Сливин, Р.Н. Голых, А.Р. Барсуков // Южно-Сибирский научный вестник. - 2024. - № 2 (54). - С. 69-73. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=67858785
5. Барсуков, А.Р. Влияние ультразвука на межфазную поверхность «газ-жидкость» в ходе принудительной аэрации / А.Р. Барсуков, Р.Н. Голых, В.Н. Хмелёв, Ж.Б. Карра, И.А. Маняхин // Сборник трудов III Всероссийской конференции «Физико-технические проблемы добычи, транспорта и переработки органического сырья в условиях холодного климата». - 2024. - № 1. - С. 164-166. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=69141406
6. Golykh, R.N. Application of a Fractional Derivative to Simulate the Evolution of the Interfacial Surface in a Bubbling Bubble under the Influence of Ultrasonic Vibrations in a Liquid / R.N. Golykh // Advances in Applications of Analytical Methods for Solving Differential Equations (Symmetry 2024) — 2024. - P.23-24. https://math.sut.ac.th/conference5/book.pdf