Развитие научных основ теплофизики структурно-фазовых и физико-химических превращений в микроразмерных системах

Объектом исследования являются гидродинамические, диффузионные и тепловые процессы при структурно-фазовых и физико-химических превращениях в микроразмерных и наноразмерных системах. Цель работы – развитие научных основ теплофизики микроразмерных и наноразмерных систем, применение полученных результатов для разработки новых энергетических технологий. В процессе работы выполнены экспериментальные исследования теплообмена при конденсации зеотропной смеси пропан/изобутан в микроканальном теплообменнике, изучены кавитационные течения в щелевом канале, исследована эффективность микроэкстракторов для течения несмешивающихся жидкостей, изучены волновые характеристики для течения смеси азот-вязкая жидкость в микроканале и на границе придонного слоя углекислого газа. Численно изучено вытеснение нефти водой в кусочно-неоднородной пористой среде, исследовано турбулентное течение неньютоновской суспензии, исследовано распространение трещины гидроразрыва пласта, изучены физико-химические процессы при получении водорода в микроструктурном реакторе автотермальной конверсии метана. В результате комплексных исследований впервые установлены закономерности теплообмена при конденсации смеси пропан/изобутан в микроканальном теплообменнике для молярной концентрации пропана 64%-36%. Расширены методы анализа кавитационных течений, выявлены закономерности возникновения паро-газовых областей в щелевых каналах. С использованием алгоритма для фазового усреднения поля скорости установлены характеристики течения смеси вода-масло в X-образном микроканале, выявлены оптимальные режимы для построения микрореакторов и микроэкстракторов. Установлены волновые характеристики для кольцевого течения смеси PMS200/азота в прямоугольном микроканале с Т-образным смесителем. Применительно к решению проблемы захоронения углекислого газа предложен качественный критерий различия внутренних волн в мелкой и глубокой воде. Численно получены характеристики вытеснения нефти водой в пористой среде, содержащей малопроницаемую область, разработана решеточная модель порового пространства для засыпки микросфер, установлена микроструктура двухфазного течения. На основе метода крупных вихрей разработана модель турбулентного течения неньютоновской жидкости с твердыми частицами, установлены характеристики напорного турбулентного течения суспензий в горизонтальном канале. Получены закономерности оседания эллиптической частицы при умеренно-высоких числах Рейнольдса, на основе полной трехмерной модели распространения трещины гидроразрыва определено давление, необходимое для инициации ее роста. Получены закономерности структурообразования при сворачивании белка в биологических наноразмерных системах. Применительно к решению задач развития низкоуглеродной экономики экспериментально установлены закономерности физико-химических превращений при автотермальной конверсии метана в реакторе-теплообменнике с микроструктурным родиевым катализатором, установлены условия высокой конверсии метана. Полученные результаты вносят значительный вклад в выявление закономерностей структурно-фазовых и физико-химических превращений в микроразмерных системах. Развитие данного объекта исследования позволит разработать перспективные устройства и технологии водородной энергетики, микрофлюидные технологии, технологии повышения нефтеотдачи в нефтедобывающей промышленности.