Теоретические и экспериментальные исследования свойств и течений гетерогенных сред, взаимодействующих с в электромагнитными полями.НИР

Theoretical and experimental studies of the properties and flows of heterogeneous media interacting with in electromagnetic fields

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Теоретические и экспериментальные исследования свойств и течений гетерогенных сред, взаимодействующих с в электромагнитными полями.
Результаты этапа: а) Исследована возможность образования нескомпенсированного заряда в сильных электрических полях при наличии объемных электрохимических процессов в условиях, когда источник заряженных частиц является пространственно неоднородным в области течения за счет неоднородности напряженности электрического поля, концентраций реагирующих компонент, градиентов температуры и т.п. Показано, в частности, что в условиях, когда скорость ионизации зависит от поля, в пристеночных областях резкого изменения напряженности поля могут появляться биполярные структуры с противоположно направленными векторами кулоновских сил. Вследствие этого могут возникать наблюдаемые в экспериментах неустойчивости течения среды с вихревыми образованиями. б) В рамках электрогидродинамики проведен анализ нескольких различных физических механизмов электризации (образования в среде нескомпенсированного объемного электрического заряда) в электрогидродинамических течениях слабопроводящих многокомпонентных смесей жидкостей и газов. в) Теоретически и экспериментально (совместно с П.А.Власовым, ИХФ РАН) разработаны некоторые аспекты методики применения цилиндрических электрических зондов для получения информации об эффективной скорости хемоинизации в высокотемпературных неравновесных газовых смесях сложного состава за отраженными ударными волнами в ударных трубах. Показано, что зондовые измерения можно использовать для измерения времени задержки воспламенения в высокотемпературных углеводородных газовых смесях атмосферного давления. г) Исследован круг вопросов о распространении по произвольному нестационарному, но известному фону слабых разрывов и слабых ударных волн в газах, плазме и тонких слоях магнитных жидкостей. Учитывалось наличие противодавления, гравитационного, электрического и магнитного полей. Решены задачи с периодическим фоном и с убывающей плотностью или толщиной слоя жидкости в рамках теории мелкой воды. Дано решение задачи электрогидродинамики об ударной волне, проходящей без отражения сквозь ряд слоев заряженного газа, что может моделировать явления, происходящие в грозовых облаках. д) Проведено теоретическое исследование электровращения капсулы в приложенном однородном постоянном электрическом поле. Капсула представляет собой сферическую оболочку, содержащую слабопроводящую поляризующуюся вязкую жидкость и взвешенную в другой жидкости с аналогичными свойствами. Учитывается влияние поверхностной проводимости на внутренней и внешней поверхностях оболочки. Выведена система обыкновенных дифференциальных уравнений, которая полностью определяет изменение со временем параметров, определяющих электрическое поле по заданным начальным данным. Найдена угловая скорость электровращения. Исследовалась устойчивость установившегося электровращения по Мелчеру–Тейлору, основанная на балансе моментов электрических и вязких сил, действующих на капсулу. е) В проведенных экспериментах по скольжению цилиндрического тела вдоль твердой поверхности в гидрофобной жидкости с последующей его остановкой исследован процесс паро-газовой кавитации. Впервые обнаружено, что в отличие от чисто газовой кавитации, кавитационный пузырек в паро-газовой области в гидрофобной жидкости имеет более сложную ("трехфазную") структуру, состоящую из микро капель сконденсированных паров воды, газа пузырька и окружающей жидкости. При этом каждая из фаз имеет разную диэлектрическую проницаемость, что приводит к образованию на границах раздела поверхностных электрических зарядов разных знаков, индуцирующих электрические поля. Наблюдается влияние электрических полей соседних пузырьков на перемещение микро капель воды внутри пузырька и к слиянию кавитационных пузырьков, иногда сопровождающемуся явлением электролюминесценции. ж) В рамках исследований по теоретическому и экспериментальному исследованию применения магнитных жидкостей и электромагнитного воздействия для диагностики и терапии опухолей разработаны составы контрастных МРТ негативных нанопрепаратов (на основе магнитной жидкости) для раннего выявления центров злокачественных образований у лабораторных животных. Описана процедура синтезирования магнитных жидкостей на водной основе, содержащих суперпарамагнитные наночастицы. Приведены и проанализированы результаты наблюдений.
2 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Теоретические и экспериментальные исследования свойств и течений гетерогенных сред, взаимодействующих с в электромагнитными полями.
Результаты этапа: Теоретически обоснована в рамках электрогидродинамической модели возможность измерения времени индукции процесса горения в высокотемпературных неравновесных газовых смесях сложного состава с помощью цилиндрических электрических зондов с изолированной поверхностью. Диэлектрическое покрытие зонда позволяет избежать погрешностей измерений, связанных с возможными изменениями электрохимических свойств поверхности в высокотемпературной химически неравновесной среде. Изолированный зонд регистрирует ток смещения, т.е. появление в окрестности зонда нестационарного объемного электрического заряда, источником которого служат процессы хемоионизации, сопровождающие воспламенение газовой смеси. Получено хорошее согласие теории с экспериментами, которые проводились в ударной трубе за отраженными ударными волнами. Разработан метод разрешения трудностей, связанных с отсутствием решения некоторых автомодельных задач, например, задачи о сильном взрыве в среде с переменной плотностью при расходимости массы в точке взрыва. В данном случае задача решается введением вытесняющего газ поршня при специальном не автомодельном определением внешнего фона, приводящего к ускорению ударной волны. Метод применяется к задачам электрогидродинамики заряженного газа о распространении плоской ударной волны в продольном переменном электрическом поле с произвольным распределением удельного электрического заряда. Проведено в рамках феррогидродинамики теоретическое исследование изменения формы капли магнитной жидкости, взвешенной в несмешивающейся с ней магнитной жидкости, в нестационарном однородном магнитном поле. Жидкость капли и окружающая ее жидкость считаются идеальными и несжимаемыми. Поверхностное натяжение границы раздела жидкостей считается достаточно большим, чтобы деформации капли можно было считать малыми. Скорость течения, напряженность магнитного поля и форма капли найдены с точностью до членов первого порядка по имеющемуся в задаче малому параметру. В гармонически колеблющемся магнитном поле капля представляет собой эллипсоид вращения с осью, направленной вдоль вектора напряженности, совершающий деформационные колебания с угловой частотой, равной удвоенной угловой частоте колебаний напряженности. Во вращающемся магнитном поле капля принимает форму эллипсоида общего вида. Эллипсоид вращается вокруг своей малой оси, направленной вдоль оси, вокруг которой вращается вектор напряженности, с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения вектора напряженности. Кроме вынужденных колебаний, вызванных приложенным нестационарным магнитным полем, в капле могут возбуждаться собственные колебания. Вследствие того, что жидкости являются идеальными эти колебания - незатухающие. Решены задачи о собственных колебаниях капли, вызванных мгновенным включением приложенных гармонически колеблющихся и вращающихся полей. Разработан способ раннего выявления и подавления центров злокачественной пролифераци и злокачественных опухолей с применением нанотехнологий и магнитных полей.
3 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Теоретические и экспериментальные исследования свойств и течений гетерогенных сред, взаимодействующих с в электромагнитными полями.
Результаты этапа: 1) Теоретически и экспериментально (совместно с П.А.Власовым, ИХФ РАН) разработана методика применения цилиндрических электрических зондов для получения информации об эффективной скорости химической ионизации в высокотемпературных неравновесных газовых смесях сложного состава за отраженными ударными волнами в ударных трубах. Показано, что зондовые измерения можно использовать для измерения времени задержки воспламенения в высокотемпературных углеводородных газовых смесях атмосферного давления. Такой подход к применению электрических зондов является оригинальным и представляет дальнейшее развитие работ участников проекта по зондовым измерениям в химически неравновесных реагирующих средах. (В.А.Полянский, И.Л.Панкратьева). 2) Исследована возможность образования нескомпенсированного заряда в электрических полях при наличии объемных электрохимических процессов в условиях, когда источник заряженных частиц является пространственно неоднородным в области течения за счет различных причин: неоднородности напряженности сильного электрического поля, градиентов температуры и концентраций реагирующих компонент и т.п. Показано, в частности, что в условиях, когда скорость ионизации зависит от поля, в пристеночных областях резкого изменения напряженности поля могут появляться биполярные структуры с противоположно направленными векторами кулоновских сил. В рамках этого подхода исследована электрогидродинамическая структура факела углеводородного пламени в плоском канале. Рассмотрено двумерное неизотермическое течение в плоском канале многокомпонентной химически реагирующей газовой смеси, содержащей заряженные частицы двух сортов: с положительным и отрицательным знаком заряда. Движение среды в целом описывается обычными уравнениями сохранения импульса и энергии для вязкой жидкости, в которые добавлена объемная кулоновская сила. В уравнениях для заряженных частиц учитывается диффузия и дрейф в электрическом поле, объемные реакции ионизации и рекомбинации, а также поверхностные электрохимические процессы с поглощением заряженных частиц. В пламенах при температурах в диапазоне 1500 - 4000 К и давлениях порядка атмосферного основным источником заряженных частиц служит реакция хемоионизации, когда при столкновении двух нейтральных молекул образуются положительный ион и электрон. Источник зависит от концентраций реагирующих компонент смеси и от кинетической скорости реакции хемоионизации, величина которой определяется температурой. В окрестности границ пламени, очевидно, имеются большие градиенты этих параметров, а следовательно, существует сильная пространственная неоднородность источника. Показано, что в таких условиях вблизи границ пламени образуются узкие области объемного электрического заряда (типа биполярных двойных слоёв) и даже при отсутствии внешнего приложенного поля появляются кулоновские силы, действующие на поведение пламени. При этом в биполярных слоях эти силы имеют противоположные направления, что может приводить к возникновению неустойчивостей в окрестностях границ пламени, типа наблюдаемых в экспериментах вихревых образований, влияющих на эффективность процесса горения. (В.А.Полянский, И.Л.Панкратьева). 3) В проведенных экспериментах по скольжению цилиндрического тела вдоль твердой поверхности в гидрофобной жидкости с последующей его остановкой исследован процесс формирования кавитационных пузырьков при достижении параметров, соответствующих паро-газовой области на диаграмме в фазовой плоскости давление-температура (Р, Т). Впервые обнаружено, что в отличие от чисто газовой кавитации, кавитационный пузырек в паро-газовой области в гидрофобной жидкости имеет более сложную ("трехфазную") структуру, состоящую из микро капель сконденсированных паров воды, газа пузырька и окружающей жидкости. При этом каждая из фаз имеет разную диэлектрическую проницаемость, что приводит к образованию на границах раздела поверхностных электрических зарядов разных знаков, индуцирующих электрические поля. Наблюдается влияние электрических полей соседних пузырьков на перемещение микро капель воды внутри пузырька. Это может приводить к слиянию кавитационных пузырьков, иногда сопровождающемуся явлением электролюминесценции (вспышками видимого света) под действием сильных электрических полей, возникающих при сближении разноименно заряженных областей. Свечение может быть связано с искровыми микропробоями жидкости в сильных полях. Возможно также возбуждение и дезактивация молекул среды под действием сильного электрического поля. Обнаружение капель воды в кавитационных пузырьках может представлять интерес для различных областей медицины и биологии, а также для многих технологических процессов, где используется смазка. Например, в устройствах с подшипниками на вращающихся валах, где может иметь место нарушение соосности, приводящее к образованию в смазочном масле кавитационных пузарьков с микрокаплями воды и, как следствие, к возможным коррозионным явлениям. (А.А. Монахов, В.А.Полянский, И.Л.Панкратьева). 4) На основании развитого ранее общего подхода к решению задач для лагранжевых гиперболических уравнений исследован круг вопросов о распространении слабых разрывов и слабых ударных волн в газах, плазме и тонких слоях магнитных жидкостей, создающихся, например, движением поршня и распространяющихся по произвольному нестационарному, но известному фону. Учитывалось наличие противодавления, гравитационного, электрического и магнитного полей. Решены задачи с периодическим фоном и с убывающей плотностью или толщиной слоя жидкости в рамках теории мелкой воды. Проведено сравнение с точными решениями, полученными ранее. Дано решение задачи электрогидродинамики об ударной волне, проходящей без отражения сквозь ряд слоев заряженного газа, что может моделировать явления, происходящие в грозовых облаках. Этот комплекс задач является оригинальным и актуален для процессов, происходящих в атмосфере Земли при искусственном ее нагревании или ионизации, что опасно связано с различными экологическими последствиями. (С.Д.Ковалевская). 5) Проведено теоретическое исследование электровращения капсулы в приложенном однородном постоянном электрическом поле. Капсула представляет собой сферическую оболочку, содержащую слабопроводящую поляризующуюся вязкую жидкость и взвешенную в другой жидкости с аналогичными свойствами. Учитывается влияние поверхностной проводимости на внутренней и внешней поверхностях оболочки. Жидкости внутри и вне капсулы считаются достаточно вязкими, чтобы выполнялось приближение Стокса, а их удельные электропроводности достаточно малыми, чтобы выполнялось приближение электрогидродинамики. Получены соотношения для напряженности электрического поля через два зависящих от времени векторных параметра и для скорости течения в любой точке через угловую скорость вращения, также зависящую только от времени. Выведена система обыкновенных дифференциальных уравнений, которая полностью определяет изменение со временем параметров, определяющих электрическое поле по заданным начальным данным. Найдены точки покоя этой системы, которые соответствуют случаю стационарного электрического поля и установившегося течения. Найдена угловая скорость электровращения, при этом вектор угловой скорости всегда направлен перпендикулярно направлению вектора напряженности приложенного электрического поля. Значения параметров, определяющих электрическое поле, а также угловая скорость электровращения для случая стационарного электрического поля и установившегося течения были найдены в аналитическом виде. Установлено, что всегда существует решение без электровращения. Из полученных формул следует, что в зависимости от параметров могут реализоваться три случая: 1) решения с электровращением не существуют, 2) для напряженностей электрического поля, больших некоторого первого критического значения, есть решения с электровращением при единственном значении модуля угловой скорости, 3) при увеличении поля до второго критического значения возникают решения с электровращением с двумя значениями модуля угловой скорости, а при дальнейшем увеличении поля снова имеется решения только с одним значением этого модуля. Исследовалась устойчивость установившегося электровращения по Мелчеру–Тейлору, основанная на балансе моментов электрических и вязких сил, действующих на капсулу. Установлено, что в случае 1) решения без электровращения всегда устойчивы; в случае 2) решения без электровращения устойчивы при таких значениях напряженности электрического поля, при которых не существует решений с электровращением и неустойчивы, когда они существуют, а решения с электровращением всегда устойчивы; в случае 3) решения без электровращения устойчивы при значениях напряженностях ниже второго критического значения, решения с более высоким модулем угловой скорости вращения всегда устойчивы, а решения с меньшим модулем угловой скорости всегда неустойчивы. (А.Н. Тятюшкин). 5) Получено общее решение уравнений Навье-Стокса для несжимаемой жидкости в приближении малых чисел Рейнольдса без использования приближения квазиустановившихся течений. Скорость и давление выражены в виде рядов с векторными и тензорными коэффициентами, которые определяются при решении конкретной задачи из граничных условий. Проверено, что в пределе приближения квазиустановившихся течений это решение совпадает с общим решением Лэмба. Кроме выражений для скорости и давления найдено выражение для тензора вязких напряжений. Это общее решение может быть использовано для решения задач о переходных процессах при течении вязкой жидкости для случаев, когда в уравнениях Навье-Стокса можно пренебречь конвективным ускорением. В частности его можно использовать для решения задач о течении внутри и вне капли вязкой жидкости, взвешенной в другой вязкой жидкости, в методе, разработанном для решения таких задач в приближении квазиустановившихся течений, заменив им общее решение Лэмба. Это решение было использовано для решения задачи о колебаниях капли вязкой магнитной жидкости в переменном магнитном поле с учетом как вязкости, так и инерции жидкости капли и окружающей ее жидкости. (А.Н. Тятюшкин). 5) В рамках исследований по теоретическому и экспериментальному исследованию применения магнитных жидкостей и электромагнитного воздействия для диагностики и терапии опухолей разработаны составы комбинаций контрастных МРТ негативных нанопрепаратов (на основе магнитной жидкости) с традиционно используемым магневистом для раннего выявления центров злокачественных образований у лабораторных животных. Описана процедура синтезирования магнитных жидкостей на водной основе, содержащей суперпарамагнитные наночастицы. Приведены и проанализированы результаты наблюдений. Разрабатываемая методика использования магнитной жидкости в комбинации с традиционным контрастными составами является оригинальной и патентуется авторами. (Н.А.Брусенцов, В.А.Полянский).

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".