Этап №2 Обновление научно-исследовательской инфраструктуры ЦКП

Соглашение от 01.11.2019 № 075-15-2019-1655

Номер гос. регистрации АААА-А19-119121390036-8

Уникальный идентификатор проекта RFMEFI62119X0031

Приоритетное направление: Информационно-телекоммуникационные системы (ИТ)

Период выполнения: 01 января 2020 г. – 30 ноября 2020 г.

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

1. Цель проекта

Реализация проекта направлена на развитие научно-исследовательской инфраструктуры центра коллективного пользования (ЦКП) «Исследования материалов и вещества» ПФИЦ УрО РАН для обеспечения поддержки реализации приоритетов научно-технологического развития, в том числе в кооперации с ведущими мировыми научными центрами, расширение перечня и комплексности оказываемых услуг, а также круга пользователей для обеспечения максимальной загрузки оборудования ЦКП и обеспечения эффективного участия в реализации стратегии научно-технологического развития Российской Федерации.

2. Основные результаты проекта

В рамках второго этапа (заключительного) выполнения работы по гранту ФЦП проведена глубокая модернизация приборного парка ЦКП «Исследования материалов и вещества», приобретено четыре единицы оборудования на общую сумму 60 миллионов рублей. Приобретенное оборудование позволяет получать новые научные результаты в области разработки научных основ создания новой аппаратурной базы для систем мониторинга температуры и деформации, используемых при создании SMART-материалов и конструкций, в области методов высокоэнергетического воздействия на поверхность материалов с целью создания остаточных сжимающих напряжений высокой амплитуды, в области мониторинга меж- и внутриклеточных процессов.

В 2020 году было приобретено следующее оборудование:

  1. Комплекс для лазерного пиннинга на базе лазера Beamtech SGR-Extra-10 (КНР).
  2. Респирометр Micro-Oxymax 10 (США).
  3. 8 канальный интеррогатор HYPERION si255-HS-08-1510-1590-5000-NO (США).
  4. Анализатор клеточного метаболизма XFe96 Analyzer.

В рамках выполнения гранта в интересах сторонних заказчиков проведены исследований по комплексной теме «Разработка научных основ применения встроенных оптоволоконных датчиков для мониторинга процессов деформирования и разрушения полимерных композиционных материалов», разработан проект методики «Исследование кинетических параметров высокотемпературного разложения комбинированных металлооксидных катализаторов горения энергетических конденсированных систем».

Для подготовки профильных специалистов по тематике «Динамика и прочность машин» совместно с Пермским национальным политехническим университетом разработана и утверждена образовательная программа магистратуры по направлению 15.04.03 «Прикладная механика» профилю «Динамика и прочности машин, конструкций и механизмов». В образовательной программе заложены два экспериментальных практикума по механике разрушения и динамике конструкций, которые будут выполнятся на оборудовании под непосредственным руководством сотрудников ЦКП «Исследования материалов и вещества» ПФИЦ УрО РАН. Для популяризации услуг ЦКП был разработан и подготовлен информационный буклет.

За отчетные период ЦКП «Исследования материалов и вещества» ПФИЦ УрО РАН увеличена доля внешних заказов услуг и работ по сравнению с 2019 годом более чем на 10%. Так в 2020 году количество внешних организаций-пользователей научным оборудованием составило 29. Загрузка оборудования ЦКП в 2020 г. в интересах третьих лиц составила 81%.

Этап №1 Выполнение плана мероприятий по развитию ЦКП, направленных на модернизацию приборно-инструментальной базы, разработку новых методик и привлечение внебюджетных средств.

Соглашение от 13.05.2020 № 075-15-2020-539

Номер гос. регистрации АААА-А20-120121090066-4

Уникальный идентификатор проекта RFMEFI62120X0036

Приоритетное направление: Информационно-телекоммуникационные системы (ИТ)

Период выполнения: 13 мая 2020 г. – 30 ноября 2020 г.

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

1. Цель проекта

Целью работ является комплексное развитие центра коллективного пользования "Исследование материалов и вещества" (ЦКП) за счёт создания экспериментального комплекса, по ряду параметров являющегося уникальным для Российской Федерации, востребованного всеми участниками Пермского научно-образовательного центра мирового уровня "Рациональное недропользование" (НОЦ), существенно повышающего комплексность и номенклатуру перечня оказываемых услуг ЦКП и конкурентоспособности научных результатов и технологий НОЦ в Российской Федерации и за рубежом.

2. Основные результаты проекта

В рамках первого этапа (заключительного) выполнения работы по гранту ФЦП
проведена глубокая модернизация приборного парка ЦКП «Исследования материалов и вещества», приобретено девять единиц оборудования на общую сумму более 94 миллионов рублей. Приобретенное оборудование позволяет проводить комплексные исследования механических свойств природных и конструкционных структурно-неоднородных материалов, развивать научные основы применения современных оптико-волоконных технологий для мониторинга нагруженных элементов конструкций, проводить комплексные структурные, химические и физические исследования новых материалов, химических соединений и биологических структур.

В 2020 году было приобретено следующее оборудование:

  1. Скоростная камера Photron FASTCAM SA-Z 2100K (Япония).
  2. Газовый хроматограф с масс-спектрометрическим детектором Aglient 7890 B (США).
  3. Микроскоп биологический Zeiss Axio Imager M2 (Германия).
  4. Экспериментальный комплекс для исследования течения многофазных сред в составе:
    • измерительный комплекс для динамических испытаний технически сложных объектов МА-8, СА-02Л (Россия);
    • Nd:YAG-лазер с диодной накачкой и модуляцией добротности Centurion+ (Франция).
  5. ВЭЖХ система 1260 Infinity II Aglient (США).
  6. Рентгеновский томограф высокого разрешения SkyScan 1272 Bruker (Бельгия).

В рамках выполнения гранта в интересах сторонних заказчиков проведены исследований по следующим комплексным темам: исследование свойств и структуры горных пород, исследование физико-механических свойств материалов и конструкций, исследование газовых режимов рудничной вентиляции, разработан проект методики «Количественное определение ароматических и полиароматических соединений в углеводородном сырье методов хромато-масс-спектрометрии».

Для подготовки профильных специалистов по тематике НОЦ «Рациональное недропользование» совместно с Пермским национальным политехническим университетом разработана и утверждена образовательная программа магистратуры по направлению 15.04.03 «Прикладная механика» профилю «Динамика и прочности машин, конструкций и механизмов». В образовательной программе заложены два экспериментальных практикума по механике разрушения и динамике конструкций, которые будут выполнятся на оборудовании под непосредственным руководством сотрудников ЦКП «Исследования материалов и вещества» ПФИЦ УрО РАН.

В рамках метрологического обеспечения работы ЦКП «Исследования материалов и вещества» ПФИЦ УрО РАН в 2020 году проведена поверка испытательных машин. Для популяризации услуг ЦКП был разработан и подготовлен информационный буклет.

За отчетный период ЦКП «Исследования материалов и вещества» ПФИЦ УрО РАН увеличена доля внешних заказов услуг и работ по сравнению с 2019 годом более чем на 10%. Так в 2020 году количество внешних организаций-пользователей научным оборудованием составило 32 (из них 6 – зарубежные). Загрузка оборудования ЦКП в 2020 г. в интересах третьих лиц составила 81 %.

Проект состоит в экспериментальном и теоретическом исследовании процесса возникновения вторичных движений жидкости (вихрей) в конвективных системах с границей раздела, содержащей адсорбированную плёнку поверхностно-активного вещества (ПАВ). Основной целью проекта является определение структуры устойчивого режима течения в задаче о всплывающем в растворе ПАВ пузырьке газа. Для достижения поставленной цели в работе также проводятся исследования развития неустойчивости аналогичной природы в системах с более простой геометрией (плоской поверхности). Эти задачи являются фундаментом многих технологических процессов, основанных на межфазном массообмене, что делает заявляемые исследования актуальными и востребованными на рынке.

Несмотря на интенсивные исследования в этой области за последние четверть века, задача до сих пор далека от завершения. Связано это, в первую очередь, с отсутствием хотя бы приближенного аналитического решения (ввиду сложности задачи), которое можно было бы исследовать на устойчивость. Все исследования ведутся методами численного эксперимента, который необходим для проверки сложной математической модели, содержащей большое число управляющих параметров. При этом в существующих на сегодняшний день моделях, авторы априори считают, что итоговый режим обтекания пузырька обладает осевой симметрией. Верификация такой сложной модели с натурным экспериментом производиться лишь по одному интегральному параметру - по скорости всплытия газовых включений, что, на наш взгляд, оставляет место для возможных ошибок.

Проведенные исследования устойчивости однородного течения от сосредоточенного источника в системе с границей раздела, содержащей молекулы ПАВ, показали, что на поверхности жидкости возникает неустойчивость в виде многовихревого течения, периодического в азимутальном направлении. Есть все основания предполагать, что подобная неустойчивость может развиваться и на сферической поверхности пузырька, обтекаемого однородным потоком раствора ПАВ. Исследование систем с менее сложной геометрией (случай плоской поверхности) с учетом обнаруженного эффекта позволит показать несостоятельность приближения об устойчивости однородного течения на поверхности, занятой ПАВ. С прикладной точки зрения эта работа должна направить поиски корректной модели в новое русло и, в перспективе, к повышению эффективности, упомянутых ранее, технологических процессов.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году

В рамках выполнения проекта построена математическая модель, позволяющая описать поведение пленки нерастворимого сурфактанта на поверхности жидкости в цилиндрической кювете при наличии неравномерного нагрева сверху. Решение поставленной краевой задачи осуществлялось путем прямого численного моделирования с использованием математического пакета Comsol Multiphysics.

Тестирование численной модели проводилось на задаче о термокапиллярной конвекции в ячейке Хеле-Шоу при наличии на свободной границе пленки нерастворимого ПАВ. Изучена динамика пленки нерастворимого сурфактанта после отключения нагрева. Результаты расчетов показали, что при смене граничного условия точка стагнации из положения, занимаемого в стационарном режиме, смещается обратно нелинейным образом, а именно при приближении к стенке полости она сначала начинает замедляться, а потом окно резко закрывается. При этом вблизи точки стагнации происходит небольшое накопление ПАВ. Данный эффект качественно согласуется с экспериментальными наблюдениями и связан с наличием течения, развитым в объеме полости, препятствующим продвижению пленки. После уменьшения интенсивности объемного течения пленка беспрепятственно закрывает всю свободную поверхность.

В соответствии с основной задачей проекта при помощи математического пакета Comsol Multiphysics также была протестирована трехмерная численная модель и получены предварительные результаты моделирования динамики изначально однородной пленки сурфактанта на поверхности цилиндрической кюветы в двух случаях: при точечном нагреве в центре и при радиальном линейном распределении теплового потока в зависимости от координаты. Было продемонстрировано смещение ПАВ в холодную область кюветы вследствие возникновения термокапиллярного течения.

В рамках выполнения проекта экспериментально исследованы структуры и устойчивость радиального осесимметричного течения, генерируемого локализованным источником на поверхности воды, покрытой пленкой ПАВ. Опыты проводились в заполненной чистой водой цилиндрической кювете, на оси симметрии которой располагался источник течения. Генерация движения жидкости осуществлялась с помощью нескольких типов локальных источников, которые можно классифицировать по природе движущей силы как поверхностные, объёмные и смешанные. Структура поверхностного и объемного течения визуализировалась путем добавления светорассеивающих частиц с применением метода лазерного ножа. Олеиновая и стеариновая кислоты, существенно отличающиеся поверхностными реологическими свойствами, использовались для создания адсорбированного слоя нерастовримого ПАВ.

Обнаружено, что не зависимо от типа источника на поверхности чистой воды формируется осесимметричное радиальное течение. При наличии адсорбированной пленки ПАВ структура течения определяется как свойствами и поверхностной концентрацией ПАВ, так и характеристиками источника конвективного течения. При относительно мощном источнике на поверхности формируется двухзонная структура течения: радиальное осесимметричное течение в центральной части и застойная зона с вихревым течением на периферии. При уменьшении мощности источника центральная зона коллапсирует, и на всей поверхности визуализируется многовихревое течение. В переделах застойной зоны, вне зависимости от наличия осесимметричной части в центре, может развиваться многовихревое течение, периодическое в азимутальном направлении, но только после формирования объемного течения под ней.

По результатам проделанной работы предложен физический механизм взаимодействия конвективного течения с адсорбированной пленкой и набор безразмерных параметров. Показано, что возникновение и размер центральной зоны определяется величиной параметра упругости E, равного отношению касательных напряжений, создаваемых на поверхности пленкой ПАВ и источником конвективного движения. При 0<eДля проведения работ, запланированных на второй год реализации проекта, осуществлена разработка и сборка экспериментальной установки по визуализации течения на поверхности пузырька газа, обтекаемого однородным потоком ПАВ. На примере задачи Стокса об обтекании твердой сферы выбран оптимальный метод визуализации, определен рабочий диапазон управляющих параметров эксперимента. Для работы с газовыми включениями осуществлен подбор веществ, сформирована база данных их физико-химических свойств.

Публикации

  1. А. И. Шмырова, А. В. Шмыров О механизмах, приводящих к формированию вихревых структур на границе раздела жидкость-газ в присутствии адсорбционного слоя Вестник Пермского университета. Физика, - (год публикации - 2020).
  2. Шмыров А.В., Шмырова А.И. Экспериментальное исследование азимутальной неустойчивости осесимметричного течения в присутствии пленки ПАВ Сборник материалов VI Всероссийской конференции Пермские гидродинамические научные чтения. Пермь. 28–29 ноябрь 2019 г., c. 200-202 (год публикации - 2019).

Информация о проекте на сайте РНФ: https://rscf.ru/contests/search-projects/19-71-00097

Первое информационное сообщение

Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук объявляет о проведении с 16 по 18 ноября 2020 года Школы молодых ученых «Мониторинг природных и техногенных систем», которая организуется при финансовой поддержке Российского научного фонда в рамках выполнения проекта № 19-77-30008.

Тематика Школы включает лекции ведущих российских и зарубежных специалистов. Во втором информационном сообщении до 10 октября 2020 года будет представлен список лекторов и тематика лекций.

Мы надеемся, что Школа пройдет в очном формате. Если ситуация с Covid-19 не позволит, то она пройдет в комбинированном формате с использованием телеконференционных технологий.

Заявка на участие

Регистрация участников осуществляется в режиме on-line до 10 ноября 2020 г.
Организационный взнос для участников не предусмотрен.

Место проведения

Трансляция заседаний Школы доступна по ссылкам:

При очном участии:

Школа проводится в г. Перми на базе ПФИЦ УрО РАН по адресу: ул. Академика Королева, д. 3 с проживанием в гостиницах города, сведения о которых можно найти по электронному адресу http://hotel.perm.ru/. Онлайн-карта города доступна на сайте http://perm.2gis.ru/

Информация о дистанционном участии будет выслана зарегистрированным участникам позднее.

Важные даты:

10 октября 2020 г. – второе информационное сообщение со списком лекторов и тематикой лекций

10 ноября 2020 г. – третье информационное сообщение, содержащее программу работы Школы

до 10 ноября 2020 г. – регистрация участников Школы

Контакты:

ПФИЦ УрО РАН
Ул. Академика Королева, д. 1
Ответственный секретарь
Юрлова Наталия Алексеевна
Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
тел. +7 (342) 237 83 20

Материалы для скачивания:

Первое информационное сообщение

Второе информационное сообщение

Программа конференции


Оперативную информацию о Школе можно найти на сайте: https://www.icmm.ru/nauka/konferentsii

Проект РФФИ 19-41 590004. Руководитель Васильев А. Ю.

На первом этапе экспериментально исследована структура и динамика крупномасштабной циркуляции в турбулентной конвекции Рэлея-Бенара для жидкостей с умеренными и высокими числами Прандтля.  Экспериментальная установка представляет собой кубическую полость со стороной L=250 мм (см. рис.1). В качестве рабочих жидкостей выступала дистиллированная вода, 25 % водный раствор пропиленгликоля и чистый пропиленгликоль. Эксперименты проводились при средних температурах жидкости 50 и 25 oС (для воды) и 20 oС (для 25 % водного раствора пропиленгликоля и чистого пропиленгликоля), что соответствует средним числам Прандтля Pr=3.5, Pr=6.1 и Pr=64. Разложение двумерных полей скорости на фурье-моды показало, что при изменении числа Прандтля от 3.5 до 24 в течении доминирует одна крупномасштабная мода (см. рис. 1). При дальнейшем росте числа Прандтля структура течения существенно меняется и энергия распределяется между несколькими основными фурье-модами. Происходит также существенное изменение временной динамики доминирующей моды.

rffi 19 41 590004 img1 1

Рис.1 Экспериментальная установка в разрезе: 1 – медный теплообменник, 2 – плексигласовые боковые стенки толщиной d=25 мм, 3 – теплоизолятор. Нормированная энергия фурье-мод: (а) – Pr=6.1, Ra=2.0·109, (б) - Pr=24, Ra=1.3·109, (в) - Pr=64, Ra=1.3·109

Большое внимание было уделено численному моделированию конвективной турбулентности с неоднородным нагревом при умеренных и высоких числах Рэлея (10^7<ra<2x10^9). Неоднородный нагрев создавался только на нижней границе кубической полости при помощи смешанных граничных условий (см. рис.2). На границе были выделены «проводящие» области, которые поддерживались при постоянной температуре, а оставшаяся часть границы считалась теплоизолированной, т.е. тепловой проток равен нулю. В расчетах рассматривались три конфигурации распределения нагреваемых областей: (I) - локализованный нагрев; (II) - девять нагревателей одинакового размера, равноудаленные друг от друга; (III) – комбинация из нагреваемых областей трех размеров с неоднородным распределением по пространству.

Обнаружено, что при Ra=10^7 эффективность переноса тепла сильно зависит от распределения нагреваемых областей на нижней границе. Максимальные отличия в числе Нуссельта достигают 20%. В более развитом режиме (Ra=1.1x10^9) отличия не превышают 5%, поскольку турбулентность эффективнее перемешивает среду. При неоднородном нагреве показатель степени в зависимости числа Нуссельта от числа Рэлея может принимать два значения: beta~2/7 для конфигураций (I) и (II); beta~1/3 для конфигурации (III) (см. рис.3).

rffi 19 41 590004 img1 2

Рис.2 Схема вычислительной области. Варианты распределения нагреваемых областей. Черным цветом отмечены нагреваемые области.

rffi 19 41 590004 img1 3

Рис.3 Зависимость числа Нуссельта от числа Релея в двойных логарифмических координатах, где индексами обозначено: 1 – локализованный нагрев, 9 – девять нагревательных областей, F – комбинация из нагреваемых областей трех размеров. Штриховые линии показывают степенные законы Nu~Raβ.

Кроме того, исследовано влияние многомасштабного рельефа поверхности теплообменника на процессы переноса тепла в замкнутой полости. Задача решалась в сопряженной постановке. Нижний теплообменник представлял собой медную плиту толщиной 10 мм, на поверхности которой имеются выступающие прямоугольные элементы. Комбинация из элементов трех разных размеров в поперечном сечении формирует фрактальную топологию поверхности теплообменника. На рис.4 показаны распределения температуры в медном массиве и зависимости числа Нуссельта от числа Релея для двух высот рельефа.

rffi 19 41 590004 img1 4

Рис.4 Левая панель – распределение температуры на поверхности теплообменника. Правая панель – зависимость числа Нуссельта от числа Релея в двойных логарифмических координатах: ● – h/L=0.1, ■ - h/L=0.05. Штриховые линии показывают степенные законы Nu~Raβ.

.

Подкатегории

Здесь планируется размещать Веб-версии сборников статей