Фундаментальные исследования для создания двухжидкостных центробежных массо- и теплообменников

Актуальность разработки методов исследования тепломассопереноса в сильно закрученных вихревых течениях диктуется сложностью изучаемого объекта, в большинстве случаев с ярко выраженными нестационарными технологическими режимами. Увеличение точности при диагностике нестационарных вихревых течений необходимо как для описания режимов работы и совершенствования вихревых технологий, так и для разработки и совершенствования современных методов их расчета. Поэтому для повышения эффективности и надежности работы вихревых устройств необходимо комплексное научное исследование способов управления характеристиками вихревых течений и процессов переноса. Важнейшим практическим направлением является разработка вихревых аппаратов для повышения энергоэффективности и улучшения тепло-массообменных процессов в химических, биологических и энергетических технологиях. При выполнении Проекта 2019 года сделан значительный прорыв с точки зрения понимания физики вращающихся одно и двухкомпонентных несмешивающихся жидкостей, однако ряд важных вопросов все еще остается нерешенным, особенно связанный с взаимодействием на границе соприкосновения двух несмешиваемых вращающихся сред, где одна среда жидкость, а другая - жидкость или газ. В исследованиях 2019-2021 гг. было установлено, что (при определённом подборе жидкостей и отношения их объёмов) с усилением крутки формирование рециркуляционных зон и приосевого распада вихря происходит в верхней, нижней или почти одновременно в обеих жидкостях. Важным и интригующим фактом является то, что сходящееся над границей раздела спиральное течение менее плотной верхней жидкости формирует под границей раздела расходящиеся (!) спиральное движение более плотной нижней жидкости. Проект 2022 года нацелен на детальное исследование этого важного и пока не понятого феномена. Намеченное исследование структуры течения у поверхности раздела, поможет разгадать физический механизм скольжения, что важно, как для практических приложений, так и для фундаментальной науки. Планируется использовать новую методику экспериментальной диагностики и новую технику измерений, показавшую хорошие результаты при исследовании структуры течений в тонких пленках жидкости. Проект 2022 года фактически является детализующим продолжением проекта 2019 г. В проекте 2022 года планируется детальное исследование как самого эффекта проскальзывания (блок 1), так и реализация практических приложений вихревой гидромеханики ограниченных течений в области биотехнологий (блок 2). Цель исследований блока 1: Комплексное изучения эффекта проскальзывания на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей с применением как высокоразрешающих экспериментальных оптико-лазерных методов, используемых в исследовании плёночных течений, так и современных вычислительных технологий, методов и подходов, реализуемых в последние годы в ИТ СО РАН. Цель исследований блока 2 заключается в анализе современных вихревых биореакторов, формировании научных основ, разработке и оптимизации методов и устройств вихревого перемешивания культур микроводорослей для их интенсивного культивирования. Выработке рекомендаций для развития технологий производства биомассы микроводорослей, получения уникальных биологически активных веществ из их биомассы в промышленных масштабах. Полученные в ходе выполнения проекта знания о фундаментальных закономерностях вихревого взаимодействия несмешиваемых сред в ограниченных вихревых реакторах, обеспечат энергоэффективность и улучшение тепло-массообменных процессов в химических, биологических и энергетических технологиях. В частности, создание промышленных технологий интенсивного культивирования морских микроводорослей открывает перспективу широкого их использования в научных и прикладных целях для получения ценных веществ, а также создания лекарственных препаратов, биологически активных продуктов питания, биокатализаторов, получения возобновляемого сырья – биомассы для нужд тонкой химии, биоэнергетики, пищевой и фармацевтической промышленности, медицины, а также технологии доочистки стоков сельскохозяйственных производств.