Уникальная методика. Ученые разработали математическую модель гидродинамической кавитации

Научный коллектив Донского государственного технического университета разработал уникальную методику, позволяющую полностью исключить физический эксперимент и обучить нейросети для оценки парамеров жидкости состава сточных вод и ее обработки при возникновении кавитации*. Исследование реализуется учеными ДГТУ в рамках гранта Российского научного фонда.

По мнению руководителя проекта, начальника Управления научных исследований ДГТУ, к.т.н., доцента Дениса Куимова, ранее для того, чтобы оценить работу устройства на той или иной жидкости, надо было собрать установку и провести реальный эксперимент. Используя же разработанную математическую модель, изготавливать ничего не потребуется и проводить эксперимент тоже не нужно. Разработка позволит специалистам проверять параметры жидкости, и уже до изготовления установки оценить при каких
параметрах будет создаваться кавитация.

Ученые ДГТУ исследовали как влияние отдельных параметров жидкости, так и их комплексное воздействие на интенсивность кавитации. Был проведен анализ эффективности обработки в средах, приближенных по
своим свойствам к сточным водам. В рамках проведения экспериментальных исследований по отбору эмпирических данных о влиянии свойств жидкостей на интенсивность кавитации учеными было проведено свыше 400 экспериментов.

По словам руководителя проекта Дениса Куимова, при кавитационном воздействии на жидкость происходит генерация кавитационных пустот, схлопывание которых создает высокую плотность энергии на единицу объема. Применение гидродинамической и акустической кавитации для интенсификации технологических процессов, связанных с изменением реологических свойств** и параметров жидких материалов – известная процедура, но до сих пор не была разработана единая методология ее использования.

Во-первых, на сегодняшний день нет каких-либо серийных генераторов кавитации, и каждый коллектив применяет свои установки, обладающие своими уникальными характеристиками. Во-вторых, каждый коллектив при обработке использует сырье со своими уникальными характеристиками. Таким образом, повторить тот же самый эксперимент и получить такие же результаты практически невозможно, – пояснил Денис Куимов. – Это приводит к ситуации, когда невозможно воспользоваться параметрами, которые получили авторы исследования. Все это препятствует внедрению кавитации в промышленность.

• Денис Куимов, руководитель проекта, начальник Управления научных исследований ДГТУ, к.т.н., доцент

Также ученые ДГТУ поставили перед собой задачу установить, как изменения параметров обрабатываемого сырья (температуры, вязкости, состава) и характеристик генератора влияют на условия образования и
интенсивность кавитации.

Загрязнение водных ресурсов приводит к необратимым экологическим последствиям, что требует от научного сообщества поиска соответствующих решений. Среди множества разработанных методик воздействия на жидкие многодисперсные смеси именно кавитация предлагает наибольший потенциал для интенсификации физической и химической обработки энергоэффективным способом.

• Денис Куимов

Ученые отметили высокую значимость для размера кавитационного облака переменных, связанных с геометрией трубки Вентури*** – давления на входе, растворенности солей, вязкости жидкости, а также насыщения углекислым газом. При этом применяемые в рамках исследования твердые примеси не оказывали существенного влияния на интенсивность создаваемой кавитации, что может объясняться как формой частиц твердых примесей, так и степенью их гидрофобности. Длина кавитационного облака для входного давления на трубке Вентуре уменьшалась с 24 мм до 16 мм с изменением состава раствора, в том числе изменением концентрации содержания соли и увеличением вязкости. Аналогичные зависимости были получены для той же трубки Вентури, но при входном давлении 2 атм. При этом длина кавитационного облака уменьшалась с 42 мм до 28 мм.

По мнению Дениса Куимова, для акустической кавитации размер кавитации находится в сильной зависимости от амплитуды акустического воздействия. Для активатора вихревого слоя наибольшее значение имеют геометрические параметры элементов вторичной дискретной части и скорость движения элементов. Верификация разработанных зависимостей осуществлялась как с применением ранее использованных экспериментальных установок, так и с применением установки с трубкой Вентури, но уже с использованием центробежного насоса.

В отличие от расчетных параметров длина кавитационного облака при использовании центробежного насоса увеличивалась от 3 до 6 мм, в зависимости от давления на входе, в случае с водопроводной жидкостью.
Применение сточных воды в качестве жидкого сырья показало более значительные различия в длине кавитационного облака – от 4 до 7 мм, что объясняется наличием ряда твердых примесей, в том числе гидрофобных и гидрофильных примесей.

Авторы исследования установили, что эффективность работы любого генератора кавитации во всех представленных технологических процессах напрямую зависит от интенсивности создаваемой кавитации.
Учитывая многогранность параметров жидкости, исследователи опирались не на оценку влияния отдельных параметров жидкости на кавитацию (например, только вязкость или только концентрация растворенных солей в жидкости), а на постепенное усложнение условий эксперимента путем последовательного добавления новых переменных, влияющих на порог создания кавитации.

Основная часть анализа кавитационного процесса учитывала множественное изменение раствора на основе дистиллированной воды, в том числе изучение кавитации в непосредственно чистой дистиллированной воде
и последующих растворах, с добавлением соли хлорида натрия, глицерина, твердых примесей, насыщение углекислым газом, а также совместное включение перечисленных примесей для достижения свойств раствора, приближенных к реальным природным средам.

Результаты подобных экспериментальных исследований позволили получить новые эмпирические данные для уточнения безразмерного числа кавитации. Учитывая многогранность параметров жидкости исследования опирались на нелинейный регрессионный анализ всех основных параметров жидкого сырья, полученные по результатам экспериментальных исследований.

Регрессионный анализ позволил оценить степень влияния отдельных параметров сырья и включить их в расчет безразмерного числа кавитации.

Математическая модель опирается на разработке нового безразмерного числа кавитации оценки, выведенного на основе проведенного нелинейный регрессионного анализа всех основных параметров жидкого сырья, включая разность между давлением окружающей среды и давлением насыщенного пара обрабатываемой жидкости, общее количество растворенных в воде частиц, концентрацию твердых примесей
(нерастворенных), концентрацию растворенных газов в жидкости, кинематическую вязкость обрабатываемой жидкости, плотность обрабатываемой жидкости, температуру обрабатываемой жидкости и
коэффициент геометрии генератора гидродинамической кавитации.

На основании нелинейного регрессионного анализа были рассчитаны весовые коэффициенты для каждого отдельного параметра и выведено итоговое выражение безразмерного числа кавитации для генератора гидродинамической кавитации. Таким образом, учет каждого параметра, а также степень его влияния на интенсивность и агрессивность кавитации в новом безразмерном числе кавитации, позволит в будущем только на основании знаний о параметрах сырья не только оценивать возможность создания кавитации и ее интенсивность, но и оптимизировать существующие генераторы гидродинамической кавитации в случаях разработки технологии обработки жидких многодисперсных сред, а также оптимизировать устройства, наоборот, для исключения возникновения кавитации, например, в трубопроводах, где кавитация несет разрушительные эффекты.

Проект «Кавитационные эффекты для интенсификации протоколов экологически чистых процессов» реализуется в рамках гранта Российского научного фонда № 22-79-00226 от 28.07.2022 г.

*Кавитация – физический процесс образования разрывов сплошности, то есть пузырьков (пустот) в жидкостях в результате местного понижения давления.
**Реологические свойства – механические свойства вещества, обусловленные его структурой. К ним относят вязкость, пластичность, упругость и прочность.
***Трубка Вентури – устройство для измерения расхода или скорости потока газов и жидкостей, представляющее собой трубу с горловиной, включаемую в разрыв трубопровода.

Фото на обложке: Денис Куимов. Источник: ДГТУ