Проект РФФИ № 18-31-00339 мол_а «Особенности конвективной крупномасштабной циркуляции жидкого натрия», рук. Мамыкин А.Д., первый этап (2018 г.)

На начальном этапе проекта (2018 год) выполнены работы по модернизации экспериментальной установки: произведён монтаж системы охлаждения электромагнитных катушек перемешивателей горячего и холодного теплообменников, установлена дополнительная теплоизоляция. Установлены датчики температуры для контроля над внешними условиями, а также для оценки теплопотерь. Смонтирована и налажена система круглосуточного удалённого мониторинга для обеспечения автономной работы установки и записи экспериментальных данных. Проведена серия краткосрочных экспериментов длительностью от 1 до 10 часов. Число Релея варьировалось в диапазоне (5 – 25) * 10^6, а средняя температура в экспериментальной ячейке от 125 до 160 °С. Для восстановления картины течения применялись кросскорреляционный и спектральный виды анализа, а также вейвлет-преобразования. По полученным эволюциям температуры на установленных в конвективной ячейке 28 термопарах был обнаружен (впервые для жидких металлов) слошинг крупномасштабной циркуляции (КМЦ) – плоскопараллельное периодическое смещение плоскости КМЦ от оси цилиндра. Слошинг сопровождался поворотами плоскости КМЦ вдоль оси цилиндра на различные углы. Было показано, что период колебаний слошинга согласуется с периодом обращения КМЦ и зависит от числа Релея. Результаты экспериментальных исследований были использованы для верификации численного счёта (LES-подход).

rffi 18 31 00339 мол а img1

A.D. Mamykin, I. V. Kolesnichenko, A. M. Pavlinov and R. I. Khalilov Large scale circulation in turbulent Rayleigh-Benard convection of liquid sodium in cylindrical cell // Journal of Physics: Conf. Series. 2018. Vol. 1128. Pp. 012019. doi :10.1088/1742-6596/1128/1/012019

Эксперимент, визуализация слошинга

rffi 18 31 00339 мол а img2

A.D. Mamykin, I. V. Kolesnichenko, A. M. Pavlinov and R. I. Khalilov Large scale circulation in turbulent Rayleigh-Benard convection of liquid sodium in cylindrical cell // Journal of Physics: Conf. Series. 2018. Vol. 1128. Pp. 012019. 2019

Пространственно временная карта температуры в трёх сечениях цилиндра.

Время осреднения – 1 секунда.  Ra = 1.96·107

Позиции локальных максимумов и минимумов меняются периодически со временем с периодом около 0.1 Гц во всех сечениях согласованно. Это является доказательством наличия у КМЦ моды слошинга, когда её плоскость отклоняется периодически от центральной оси цилиндра.

Эксперимент, скорость КМЦ

rffi 18 31 00339 мол а img3 Термопары также использовались для измерения средней аксиальной компоненты скорости КМЦ в области между соседними термопарами. Эта скорость оценивается по положению максимума функции кросскорреляции, рассчитанной для каждой пары сигналов от соседних датчиков (маленькие графики на рис. слева). Дополнительные пики слева и справа от основного соответствуют колебаниям слошинга с периодом около 10 секунд. Чтобы охарактеризовать среднюю интенсивность КМЦ, вычислялась средняя скорость Ucc, усредненная по абсолютным значениям скоростей, измеренных в восьми тройках термопар A1-A3-A5, B1-B2-B3, C1-C2-C3, D1-D2-D3, E1-E3-E5, F1-F2-F3, G1-G2-G3 и H1-H2-H3.
На основном графике слева показан профиль относительной температуры в среднем сечении цилиндра.
 rffi 18 31 00339 мол а img4  Другими источниками информации для определения характерного времени осцилляции основной моды КМЦ (или другой моды, например, слошинга) является спектры мощности пульсаций температуры. В спектрах температурных сигналов со всех термопар внутри цилиндра наблюдаются выраженные пики. На рис. слева показаны спектры температурных колебаний термопары А3 для различных чисел Релея. Основные пики соответствуют частоте колебаний ƒp КМЦ, ƒp = U / X (U – усредненная по времени скорость движения потока, X - характерный размер).β=0ο

 

rffi 18 31 00339 мол а img5 rffi 18 31 00339 мол а img6 rffi 18 31 00339 мол а img7
 

Частота ωp = 2πƒp, нормированная на χ/D2, показана на рисунке сверху в зависимости от числа Рэлея. Линейная аппроксимация дает   (ωp D2) / χ ~ Ra0.43 ± 0.01. Этот результат близок к зависимости (ωp D2) / χ = 0.47 Ra0.424, полученной Cioni et al. для ртути [*].

 Число Рейнольдса может быть рассчитано двумя способами: через функции кросскорреляции Recc = Ucc D / ν и через спектры Reƒ = X D ƒp  / ν. Полагая сначала X = 4D, получим Reƒ = 4 D2 ƒp  / ν. На рисунке сверху показана зависимость Reƒ и Recc от числа Грассгофа Gr = Ra / Pr. Зависимости имеют близкий наклон, но сдвинуты относительно друг друга.  

Полагая теперь Reƒ = Recc, получим значение X. На рисунке сверху показана зависимость величины X / π D от числа Грассгофа. β=0ο

Номер Проекта 17-41-590059-р_а
Название Проекта «Турбулентность и магнитные поля в замкнутом потоке жидкого натрия»
Руководитель: Фрик Петр Готлобович
Аннотация

Проект направлен на исследование процессов формирования турбулентного потока в криволинейном канале и процессов переноса магнитного поля в турбулентных потоках жидкого металла при больших числах Рейнольдса Re и умеренных магнитных числах Рейнольдса Rem. Основную часть проекта составляют экспериментальные исследования характеристик импульсных турбулентных потоков жидкого натрия - металла, обладающего высокой электропроводностью, малой плотностью, малой вязкостью и низкой температурой плавления. Проведены измерения характеристик поля скорости импульсного турбулентного течения натрия за решеткой, установленной в кольцевом канале (решетки обеспечивают инжекцию кинетической энергии непосредственно в малые масштабы). Показано, что динамика импульсного турбулентного потока существенно отличается от наблюдаемой в свободном канале, где турбулентность развивается на масштабах сечения канала, Рис.1.

rffi ural 17 41 590059 р а img1

Рис.1 Тороидальная полоидальная скорости в канале с решетками (верхняя панель) и в свободном канале (нижняя панель).

Измерения характеристик пульсаций скорости и магнитного поля показали, что индукционные эффекты в нестационарном импульсном потоке успевают проявиться в полной мере. Измерен эффективный коэффициент магнитной диффузии, который  за счет турбулентных пульсаций возрастает на 3%, Рис.2.

rffi ural 17 41 590059 р а img2

Рис.2 Измерение коэффициента магнитной диффузии (метод сдвига фаз). Сдвиг фаз в потоке решеточной турбулентности (верхняя панель) и калибровочный сдвиг фаз при отвердевании   жидкого натрия в канале (частоты наложенного магнитного поля 23, 53 и 97гц).

 

Выполнено численное моделирование процесса генерации мелкомасштабных пульсаций магнитного поля в нестационарном потоке. Расчеты выполнены с помощью каскадной модели турбулентности. Исследовано влияние характеристик возбуждаемого мелкомасштабного магнитного поля от параметров течения и магнитного числа Прандтля.

The project is aimed to study the characteristics of turbulent pulse flow in a curvilinear channel and the induction processes in turbulent nonstationary flows of a liquid metal under large Reynolds numbers and moderate magnetic Reynolds numbers. The main part of the project consists of experimental studies of the characteristics of turbulent spin-down flow of liquid sodium - a metal with high electrical conductivity, low density, low viscosity and low melting point. Measurements were made of the characteristics of the velocity field of a pulsed turbulent sodium flow behind grids installed in a toroidal channel. Grids provide injection of kinetic energy directly into small scales. It is shown that the dynamics of grid induced pulsed turbulent flow is significantly different from that observed in a free channel, where turbulence develops on the scale of the channel cross section. Measurements of the characteristics of the velocity and  magnetic field fluctuations showed that induction effects in this non-stationary pulsed flow have time to manifest themselves in full. The effective coefficient of magnetic diffusion is measured, which due to turbulent pulsations increased by 3%. Numerical modeling of the generation of small-scale magnetic field in the non-stationary flow has been performed. The calculations were performed using a shell model of turbulence. The influence of the characteristics of the excited small-scale magnetic field on the flow parameters and the magnetic Prandtl number is investigated.

 

Участие в научных мероприятиях по тематике Проекта за период, на который предоставлен грант (каждое мероприятие с новой строки, указать названия мероприятий и тип доклада)
ХX Зимняя Школа по механике сплошных сред, Пермь, 13-16 февраля 2017 г. - все участникиX Зимняя Школа по механике сплошных сред, Пермь, 13-16 февраля 2017 г. - все участники
проекта, устные доклады.
16th European Turbulence Conference (ETC16), 21-24 August 2017, Stockholm, Sweden. Фрик П.Г., устный доклад.
Всероссийская научная конференция "Теплофизика и физическая гидродинамика", Ялта, Республика Крым, 11-17 сентября 2017г., Фрик П.Г. Приглашенная лекция.

Адреса (полностью) ресурсов в Интернете, подготовленных авторами по данному проекту, например, http://www.somewhere.ru/mypub.html:
https://www.researchgate.net/project/Turbulence-and-magnetic-fields-in-closed-flow-of-liquidsodium?_esc=profileContributions
Библиографический список всех публикаций по Проекту, опубликованных за период, на который предоставлен грант, в порядке значимости: монографии, статьи в научных изданиях, тезисы докладов и материалы съездов, конференций и т.д.:
Stepanov R., Frick P., Noskov V., Pavlinov A., Denisov S. Magnetic field in decaying grid turbulence of liquid sodium // Magnetohydrodynamics. 2019. V.55. N.
Frick P., Mizeva I. MHD turbulence in spin-down flows of liquid metals // Magnetohydrodynamics. 2019. V.55. N.
Frick P., Mizeva I. MHD turbulence in spin-down flows of liquid metals // Russian Conference on Magnetohydrodynamics, June 18 – 21, 2018, Perm, Russia. Book of Abstracts. P.40.
Pavlinov A., Denisov S., Noskov V., Stepanov R., Frick P. Pulsed flows of liquid sodium in a toroidal channel: grid-induced turbulence // Russian Conference on Magnetohydrodynamics, June 18 – 21, 2018, Perm, Russia. Book of Abstracts. P.99.
Frick P., Mizeva I. MHD turbulence in spin-down flows of liquid metals // MHD Days and GdRI Dynamo Meeting, November 26 - 28, 2018, Dresden, Germany, Book of abstracts

 

Этап №1 Выбор направлений исследований и возможных вариантов технических решений

Cоглашение от 26.11.2018 г. № 075-02-2018-147

Номер гос. регистрации АААА-А18-118121090018-8

Уникальный идентификатор проекта RFMEFI60718X0202

Приоритетное направление: Науки о жизни

Критическая технология: Технологии снижения потерь от социально значимых заболеваний

Период выполнения: 31 мая 2018 г. – 31 декабря 2020 г.

Получатель субсидии: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук (ПФИЦ УрО РАН)

Индустриальный партнер: Акционерное общество «Производственное объединение «Уральский оптико-механический завод им. Э.С. Яламова» (АО «ПО «УОМЗ»)

Ключевые слова: программно-аппаратный комплекс, термографическая  диагностика тканей, лазерная интерференционная микроскопия клеток, динамический и морфологический анализ клеток, флуоресцентный анализ, противоопухолевые препараты, апоптоз, направленный транспорт лекарств

1 Цель проекта

Реализация проекта направлена на решение социально-значимой проблемы создания отечественных программно-аппаратных средств и методик для высокоинформативной и достоверной ранней диагностики злокачественных новообразований, обеспечивающих импортонезависимость российского здравоохранения и имеющих экспортный потенциал.

Целью реализуемого проекта является создание обладающего экспортным потенциалом отечественного программно-аппаратного комплекса на базе лазерного модуляционного интерференционного микроскопа, оригинальных методик флюоресцентного и термографического анализа для ранней диагностики злокачественных опухолей, оценки эффективности противоопухолевых препаратов с целью обеспечения импортонезависимости.

2 Основные результаты проекта

На первом этапе выполнения проекта разработаны блок термографической диагностики и лабораторная методика ранней неинвазивной диагностики рака молочной железы, предназначенные для высокоточной диагностики злокачественных новообразований. Созданы методики анализа динамики изображений лазерной интерференционной микроскопии и дифференциации нормальных и опухолевых клеток, предназначенные для биомедицинских и диагностических исследовательских центров. Предложен критерий дифференциации нормальных и опухолевых клеток устанавливающий, что эпителиальная клетка человека считается опухолевой, если значение показателя Хёрста превышает значение 0,45 и ширина мультифрактального спектра равна 0. В противном случае клетка считается нормальной. С использованием разработанных в проекте компьютерных моделей поровой структуры разработаны методики получения пористых носителей лекарственных препаратов для экспресс-оценки эффективности противоопухолевых препаратов.

Работы выполнены на высоком научно-техническом уровне, полученные результаты соответствуют техническому заданию и плану-графику исполнения обязательств.

3 Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках проекта

На отчетном этапе охраноспособных РИД не создано.

4 Назначение и область применения результатов проекта

Результаты проекта по разработке отечественных инновационных программно-аппаратных средств для ранней диагностики онкологических заболеваний и оценки эффективности противоопухолевых средств вносят значимый вклад в реализацию приоритетов Стратегии научно-технологического развития России в части перехода к персонализированной медицине, высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьесбережения

5 Эффекты от внедрения результатов проекта

Организация производства программно-аппаратных комплексов на территории РФ приведет к повышению эффективности неинвазивной диагностики и терапевтических методов лечения, сокращению сроков лечения и снижению затрат медицинских учреждений на закупку медицинских изделий, позволит обеспечить импортонезависимость отечественного здравоохранения от поставок дорогостоящего оборудования и препаратов, а также увеличить объемы экспорта российской высокотехнологичной продукции.

6 Формы и объемы коммерциализации результатов проекта

Коммерциализация результатов проекта позволит создать высокотехнологичный наукоемкий продукт – программно-аппаратный комплекс для ранней диагностики злокачественных опухолей и анализа действия противоопухолевых препаратов (ПАК), востребованный в здравоохранении и в области биомедицинских исследований. Создание производства на базе Индустриального партнера позволит увеличить долю российской продукции на отечественном рынке оборудования лазерной интерференционной микроскопии и сопутствующего оборудования к 2024 г. до 2,5% (в настоящий момент около 1%). По данным агентства BCC Research, объем мирового рынка микроскопии и сопутствующего оборудования для биомедицинских приложений в 2018 году превысил $7,0 млрд (доля российского рынка менее 0,1%). Техническо-экономические характеристики планируемой к производству продукции проекта обеспечивают ее конкурентные преимущества перед импортными аналогами. Прогнозируемая стоимость ПАК на 30% ниже импортных аналогов, что обеспечивает конкурентоспособность продукта на внутреннем и на внешних рынках. Вывод на рынок создаваемых на основе результатов проекта программно-аппаратных комплексов планируется осуществить в 2021 г.

7 Наличие соисполнителей

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, этап №1, июнь-декабрь 2018 г.

Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы»

соглашение от 26.11.2018 г. № 075-02-2018-147
номер гос. регистрации АААА-А18-118121090018-8
Уникальный идентификатор проекта RFMEFI60718X0202
"Разработка программно-аппаратного комплекса для ранней диагностики злокачественных опухолей и анализа эффективности действия противоопухолевых препаратов методами лазерной интерференционной микроскопии и инфракрасной термографии"

Аннотация проекта:

Возрастающее использование возобновляемых источников с сильно изменяющимся во времени выходом энергии требует соответствующего масштабного расширения хранилищ электроэнергии. Хотя углеводороды считаются единственным жизнеспособным способом долгосрочного хранения энергии (на масштабах тераватт-часов), электрохимические хранилища являются привлекательным кандидатом для краткосрочного и среднесрочного хранения. Жидкометаллические батареи (ЖМБ) активно изучались еще в 1960-х и вновь привлекли к себе внимание в последнее время. ЖМБ состоят из двух жидких металлических электродов, разделенных слоем жидкости с ионной проводимостью (расплавленной соли). Их основными преимуществами являются сверхбыстрая кинетика переноса заряда на границах жидкость-жидкость, обеспечивающая чрезвычайно высокую плотность тока заряда-разряда, их потенциально низкая стоимость, обусловленная обилием электродных материалов, таких как натрий и свинец, а также, отсутствие проблем старения, что обещает беспрецедентный срок службы. В настоящее время созданы образцы небольших лабораторных ЖМБ, однако выходу на промышленно интересные размеры мешает целый букет гидродинамических и магнитогидродинамических (МГД) неустойчивостей: конвективная, электровихревая, тейлеровская и пр.   Проект включает теоретическое и экспериментальное исследование гидродинамики ЖМБ, в частности МГД-эффектов, возникающих в многослойных жидкометаллических системах при протекании больших электрических токов и вызванном ими сильном локальном разогреве. Предстоит выяснить критерии, определяющие ограничения на максимальный размер ЖМБ и / или на минимальную толщину слоя электролита, а также, провести поиск путей преодоления этих ограничений.
       Удивительно, но одна из МГД неустойчивостей, связанных с ЖМБ, неустойчивость Тейлера, лежит и в основе модели Тейлер-Спройта для звездных динамо. Недавно было обнаружено, что в отличие от других моделей солнечного динамо, модель Тейлера-Спройта очень восприимчива к синхронизации слабыми приливно-отливными силами, вызываемыми движением планет. Это может послужить ключом к объяснению удивительной эмпирической синхронизации цикла Швабе с периодической со-ориентацией трех доминирующих планет (Венеры, Земли и Юпитера) с периодом11.07 лет. В рамках проекта планируется подтвердить и расширить эту модель синхронизации с целью объяснить и более длительные циклы солнечного динамо, которые, в свою очередь, должны быть поняты и количественно определены, чтобы получить более надежные климатические прогнозы и обеспечить выявление антропогенных компонентов. Будет  построена модель синхронизации динамо, которая позволит подтвердить (или опровергнуть) эту возможность. В том случае, если идея обнаружит жизнеспособность, мы предполагаем построить метод использования обнаруженного таким образом фактора, определяющего солнечную активность, для ее прогноза. Мы ожидаем, что эти методы, безотносительно от судьбы идеи синхронизации самой по себе, окажутся полезными для задачи предсказания солнечной активности. В ходе проекта будут развиты соответствующие методы анализа и прогноза.
       План работ включает четыре задачи:  первая и вторая посвящены ЖМБ, третья и четвертая - солнечному динамо. Обе темы проекта тесно связаны лежащими в их основе МГД неустойчивостями, что отражает и содержание задач плана. Учитывая имеющийся опыт участвующих институтов, работа будет проводиться в тесном сотрудничестве в расчете на синергетический эффект.
Задача 1 «Эксперименты по ЖМБ» направлена на изучение различных МГД неустойчивостей в ЖМБ в «холодном» трехслойном эксперименте, который позволит использовать весь арсенал методов измерений. Второй этап предполагает переход к «горячей» системе с Bi, солью Na и Na, для чего должны быть разработаны соответствующие индукционные методы идентификации границ раздела. С учетом опыта  экспериментов по конвекции натрии, эксперимент будет реализован в ИМСС, но при всесторонней поддержке ГЦДР как при планировании и подготовке эксперимента, так и в подготовке и проведении измерений.
Задача 2 «Численное моделирование и разработка методов измерений для ЖМБ» включает численные исследования ЖМБ. Основываясь на существующей библиотеке разработанных в ГЦДР кодов для одно- и двухфазных потоков, большая часть численных работ будет проводиться в ГЦДР, но при тесном сотрудничестве с группой в Перми. Работа по комбинированной индуктивной системе для одновременного определения скорости потока и положений интерфейса будет проводится совместно. Во всех экспериментах будут проанализированы возникающие режимы течения и структура поверхности для разных параметров процесса. Результаты численного моделирования будут сопоставлены с результатами эксперимента. Это позволит уточнить математическую модель и достичь хорошего согласия между результатами расчета и эксперимента.
Задача 3 «Эксперимент по инициированию колебаний спиральности в потоке Рэлея-Бенара» относится к модели планетарной синхронизации солнечного динамо, которая основана на изменениях спиральности, вызванных приливно возмущениями, без существенного изменения кинетической энергии. Идея состоит в том, чтобы исследовать запуск колебаний спиральности в конвективном эксперименте  с помощью соответствующего возмущения старшей моды. Эксперимент будет проводиться в ГЦДР, но с учетом опыта российской группы по конвективным экспериментам на жидком металле.
Задача 4 «Теория синхронизации солнечного динамо» направлена на развитие модель солнечного динамо с синхронизацией, и ее согласования с традиционными моделями солнечного динамо, а также данными солнечных наблюдений и связанных с климатом данных. Поскольку модель опирается на МГД явления, рассматриваемые и задачах ЖМБ, задача 4 тесно связана методологически с задачей 2. Существующий код будет адаптирован и использован для изучения колебаний спиральности при более высоких (магнитных) числах Прандтля. Численное моделирование будет также выполнено для более тонких цилиндрических оболочек (которые более похожи на тахолин, но численно более затратны) и с учетом вращения. Результаты моделирования будут сравниваться с данными наблюдения за солнечной активностью. Особое внимание будет уделено долговременных циклов и тому, как они могут возникать в модели синхронизации. Основные численные эксперименты будут выполняться в ГЦДР, при активной поддержке ИМСС и МГУ в части построения моделей 
и интерпретации наблюдательных данных.

Основные участники российского коллектива:

Институт механики сплошных сред УрО РАН

Фрик Петр Готлобович (рук.) 
Степанов Родион Александрович (осн. исп.)
Колесниченко Илья Владимирович (осн. исп.)
Халилов Руслан Ильдусович,
Павлинов Александр Михайлович,
Мамыкин Андрей Дмитриевич,
Титов Валерий Викторович, 
Лосев Геннадий Леонидович, 

Московский государственный университет

Соколов Дмитрий Дмитриевич (осн. исп.)
Калинин Антон Олегович, 

Основные участники зарубежного коллектива:

Геймгольц Центр Дрезден-Розендорф

Стефани Франк (рук.) , доктор наук, вед.науч.сотр. 
Вайер Том, доктор тех.наук, науч.сотр. 
Вебер Норберт, доктор тех.наук., пост.док. 
Гиизеке Андре, доктор наук, науч.сотр. 
Вондрак Томас, доктор тех.наук 

Подкатегории

Здесь планируется размещать Веб-версии сборников статей