ИСТИНА

Проект направлен на теоретическое и экспериментальное исследование течений смеси газов в широком диапазоне чисел Кнудсена, с сильным разбросом масштабов (от микронного до макроскопического) в областях со сложной геометрией, неизотермическими и подвижными границами с учетом влияния внутренних степеней свободы молекул, применительно к задачам газоразделения.

Проект направлен на теоретическое и экспериментальное исследование течений смеси газов в широком диапазоне чисел Кнудсена в областях с сильно различающимися масштабами (от микроскопического до континуального), а также сложными, неизотермическими и подвижными границами, с учетом внутренних степеней свободы молекул, применительно к задачам газоразделения. Необходимость такого исследования продиктована, среди прочего, потребностью в поиске новых, более эффективных методах газоразделения, т.к. разделение газов является составной частью многих технологических процессов в энергетике и промышленности: выделение чистого кислорода, азота и благородных газов из воздуха; переработка попутного нефтяного газа, улавливание углекислого газа; выделение водорода из углеводородных смесей для водородной энергетики, разделение изотопов (в частности, обогащение урана для атомной энергетики). При этом, многие работы последних лет (в том числе работы авторов проекта) выявляют множество новых способов разделения смесей газов при течении именно с конечными числами Кнудсена (в микроструктурах и мембранах). Исследование широкого диапазона режимов течения (по числу Кнудсена), одновременный расчет на разных пространственных масштабах, постоянное движение и изменение границ расчетной области, необходимость моделировать течения многоатомных газов ‒ все это представляет серьезный вызов существующим численным методам динамики разреженного газа. Для моделирования подобного класса нетривиальных задач планируется применять численные методы, разработанные авторами в предыдущих проектах РНФ (№21-71-00071, №20-71-10049, №17-71-10227), и учитывающие большинство из этих эффектов, а также дальше развить эти методы для повышения эффективности расчетов в некоторых постановках. Стоит отметить, что большинство идей газоразделения за счет микроразмерных эффектов, предложенных в мировой литературе (а также самими авторами проекта), являются чисто теоретическими. В свете этого отличительной особенностью проекта также является создание экспериментальных стендов для реализации нескольких ранее обнаруженных эффектов на практике.

Ожидаемые результаты ‒ Первый год В первом году планируется завершить исследование по четырем из описанных выше задач: (1.1) об эффекте разделения смеси газов при течении через систему роторов, (2.1) о течении газа в канале с поверхностными волнами, методологическую (5.1) о совершенствовании метода DSMC и разработанного авторами многомасштабного численного метода, а также блок задач (4.1-4.2) о создании перепада температур на мембране за счет двух 3D-печатных структур с микроканалами, по которым течет вода разной температуры. В задаче (1.1) будет исследована возможность разделения смеси газов при течении через систему вращающихся роторов в плоской постановке (предварительные расчеты уже дают положительный ответ на этот вопрос). Ключевым вопросом будет качественное исследование эффективности газоразделения в зависимости от параметров задачи: характерного числа Кнудсена, скорости вращения роторов, геометрии лопастей (угол наклона, длина, зазор между лопастями), а также количества секций (роторов). Будут выявлены ключевые зависимости и определены оптимальные параметры для газоразделения. Также, на основании полученных результатов будет сделан вывод о потенциальной возможности применения текущей архитектуры турбомолекулярных вакуумных насосов к задачам газоразделения (и о постановке соответствующего эксперимента). В задаче (2.1) будет получена оценка эффективности работы устройства как газового насоса в зависимости от основных параметров. На основе анализа результатов и сравнения с реальными значениями параметров, которые возможно получить на практике, будет принято решение о возможности и целесообразности проведения эксперимента в рамках проекта В результате решения (5.1) будет реализован вариант low-variance DSMC, а также встроен DSMC решатель в многомасштабный численный метод (на данный момент использующий на микромасштабе решение уравнения Больцмана в модели МакКормака). Данные модификации позволят более эффективно моделировать неизотермические задачи проекта (3.1b, 3.2b, 4.3b, 4.4b), а также учесть в них влияние внутренних степеней свободы молекул азота/кислорода. На основании экспериментально-теоретического блока (4.1-4.2) будет принято принципиальное решение о том, какие основные элементы будут использоваться в задачах (4.3-4.4) и (3.2). Будут получено ответы на вопросы: (a) возможно ли использование микроканалов с жидкостным нагревом/охлаждением или необходимо использовать металлические микрорешетки, как делается сейчас, а также (b) важно ли и возможно ли использование между разнонагретыми микроканалами/микрорешетками мембраны, или можно обойтись только разнонагретыми микроэлементами (без мембраны между ними). Ожидаемые результаты ‒ Второй год Во втором году планируется завершить исследование по трем из описанных выше задач: (1.2) об эффекте разделения смеси газов при течении через систему вращающихся перфорированных дисков, (3.1) об экспериментально-теоретическом исследовании эффекта разделения в устройстве Sugimoto, а также (4.3) об экспериментально-теоретическом исследовании эффекта прокачки газа в устройстве типа насоса Кнудсена закрытого типа. В задача (1.2) будет исследована возможность разделения смеси газов при течении через систему вращающихся микроперфорированных дисков в плоской постановке. Будет определена зависимость эффективности газоразделения от 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). В задаче (3.1) на основании уже имеющихся и проведенных в ходе проекта многомасштабным методом расчетов будут предложены более оптимальные параметры работы устройства (по сравнению с исходным вариантом Sugimoto). Будет собрано устройство с предложенными параметрами, а также проведена серия экспериментов где будут варьироваться основные параметры устройства: различные перепады температур/давлений, скорости потока, мембраны (различные материалами) и размеры их пор (определяют число Кнудсена в мембране) на нескольких смесях газов. Целью является получить на основании предложенных параметров более высокую эффективность устройства, чем у Японских коллег, а также получить хорошее согласование между теоретическим предсказаниями и экспериментальными результатами. В задаче (4.3) на основании многопараметрического численного и экспериментального исследования планируется выявить оптимальные параметры работы устройства как газового насоса. Отдельной (фундаментальной) целью является получение хорошей согласованности между теоретическими и экспериментальными результатами, что может быть затем использовано в задаче (4.4) о газоразделении. Ожидаемые результаты ‒ Третий год В третьем году планируется завершить исследование по трем из описанных выше задач: (1.3) об эффекте разделения смеси газов при течении между вращающимися цилиндрами, (3.2) об экспериментально-теоретическом исследовании эффекта разделения в устройстве Sugimoto с модификациями, а также (4.4) об экспериментально-теоретическом исследовании эффекта разделения в устройстве типа насоса Кнудсена закрытого типа. Дополнительно, планируется закончить решение экспериментальной задачи (2.2), в случае если работа над ней будет начата во втором году по результатам решения задачи (2.1) В задаче (1.3) будет исследована возможность разделения смеси газов при течении под действием перепада давлений между двумя вращающимися цилиндрами. Будет определена зависимость эффективности газоразделения от параметров задачи: характерного числа Кнудсена, скорости вращения цилиндров, отношения давлений на входе/выходе, и выявлены конфигурации для наиболее эффективного разделения. В задаче (3.2) будет теоретически и экспериментально оценена возможность дальнейшего совершенствования устройства Sugimoto за счет новейших мембранных и аддитивных технологий. Будут исследованы два конкретных улучшения: (1) использование новейших органически и неорганических мембран, в том числе собственной разработки и производства (мембраны из анодного оксида алюминия); и (2) применение аддитивных технологий – подвод перепадов температур к мембране за счет 3D-печатных структур с жидкостным охлаждением/нагревов вместо металлическим микрорешеток и микроструктур. В задаче (4.3) на основании многопараметрического численного и экспериментального исследования планируется выявить оптимальные параметры работы устройства как газоразделителя, а также оценить, на основании этих данных возможность и целесообразность применения такого устройства на практике. Отдельной (фундаментальной) целью является получение хорошей согласованности между теоретическими и экспериментальными результатами В задаче (2.2) целью и ожидаемым результатом является экспериментальное подтверждение возможности использования микроканала с генератором поверхностных волн в качестве газового микронасоса, а также (в случае успеха) количественная оценка данного эффекта в зависимости от параметров устройства и внешних параметров (давления).

Реализована модификация классического метода прямого статистического моделирования Монте-Карло (DSMC) для учета сложных, движущихся с переменной скоростью и ускорением, и изменяющих форму границ. Данная модификация DSMC применена для решения задача о течении газа в микроканале с рядом осциллирующих перегородок в широком диапазоне чисел Кнудсена [1,2] и о течении газа в микроканале с поверхностными акустическими волнами, распространяющимися по его стенкам, в свободномолекулярном [3] и переходном режимах (статья готовится к публикации). Показано, что волновое движение границы может приводить к эффекту разделения смеси, а также вызывать поток газа в направлении распространения волн. В составе коллектива разработана собственная реализация подхода событийного молекулярно-динамического моделирования (EDMD) [4]. Данный метод успешно апробирован на двух задачах динамики разреженного газа: (1) плоской задаче о течении в канале между двумя резервуарами с разными давлениями и (2) задаче о сверхзвуковом обтекании цилиндра, в обеих задачах получено хорошее согласие с результатами других авторов и методов. Метод EDMD также был применен для моделирования внутренних медленных течений разреженного газа с целью изучения эффектов разделения многокомпонентной смеси в неизотермических микроструктурах [5], а также для изучения новых принципов разделения смеси в нестационарных переходных течениях в областях с подвижной границей [6,15]. Также, с использованием метода EDMD была решена задача об аэросепарации: методе разделения смеси газов при сверхзвуковом истечении из сопла в вакуум [7,8] и исследованы механизмы такого разделения.