Поиск - новости науки и техники

Законы для взвесей. Пользу и вред аэрозолей можно строго регламентировать.

Хотим того или нет, но мы всегда вдыхаем аэрозоли. Обычная пыль, дым, спреи, с помощью которых лечим заболевания верхних дыхательных путей, – это все они. Мельчайшие частицы твердых веществ или жидкостей, находящиеся в воздухе во взвешенном состоянии, проникают всюду, даже туда, куда не должны бы, например внутрь защитных масок. Как усилить контроль за их распространением, грамотно построить модель поведения аэрозолей, выявить особенности взаимодействия веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях? Ответы на эти и подобные вопросы ищет и находит доцент кафедры моделирования экологических систем Казанского (Приволжского) федерального университета кандидат физико-математических наук Артур ГИЛЬФАНОВ. С его помощью и наш корреспондент погрузился в аэрозольную атмосферу.

– Аэрозоли играют большую роль в нашей жизни и могут быть как полезными, так и вредными, – поясняет Артур Камилевич. – Вокруг нас практически нет чистого воздуха. Атмосфера содержит аэрозольные частицы различной природы, которые образуются естественным путем или в результате деятельности человека, например при горении. Главные источники таких частиц – автомобили и различные производства. Аэрозоли присутствуют и дома, и на работе, это может быть обычная пыль или дым от сигарет. Важно оценить риск от них для здоровья человека и создать средства защиты. Подобные задачи порождают целую индустрию измерительных устройств, защитных масок, фильтров, технологий тестирования и калибровки, а также соответствующие научные задачи.
Аэрозоли, как уже сказано, могут нести и пользу. Например, участвуют в ингаляционном способе доставки лекарств. В некоторых случаях аэрозольный поток – элемент физического процесса, например при импульсном впрыске топлива в двигателе внутреннего сгорания.
Наша научная группа занимается математическим моделированием аэрозольных течений применительно ко всем этим проблемам. Мы создаем новые и развиваем существующие модели, проводим вычислительные эксперименты для прогнозирования и оптимизации процессов динамики двухфазных течений, разрабатываем практические рекомендации для инженеров, экологов и медиков, а также пытаемся найти ответы на разные фундаментальные вопросы. Поясню: двухфазные течения – это течения смешанных сред, в которых две фазы (разные агрегатные состояния) не перемешаны на молекулярном уровне.
– Какие задачи стоят перед вами?
– Исследованиями по проекту, получившему поддержку в виде гранта Президента России, мы собираемся решить две проблемы. Первая заключается в разработке математической модели аэрозольного реактора, с помощью которого генерируются наночастицы. Технологии создания наноаэрозолей имеют большое значение для различных приложений в области экологии и медицины. Основная сложность – создать генератор, формирующий нужное распределение частиц по размерам. Задача непростая, так как частицы образуются в турбулентном потоке, а в самом формировании аэрозоля задействовано много физических процессов, таких, например, как нуклеация, коагуляция и конденсация. Надо заметить, что только реактором дело не ограничивается. Мы смотрим на проблему шире. Математическая модель, подобная разрабатываемой, используется при расчете образования частиц в выхлопных газах автомобильного двигателя, значит, в дальнейшем мы можем перейти к решению задач в этой области.
Другая проблема – исследование попадания взвешенных пылевых частиц в организм человека при использовании защитной маски. Обнаружилось, что существующие образцы таких приспособлений пропускают аэрозольные частицы через щели между маской и лицом, и от частиц определенных размеров они просто не защищают. Следует сказать, что решаемая проблема сходна с той, что рассматривалась в моей кандидатской диссертации, посвященной аспирации аэрозоля в измерительные устройства. Выработка требований к допустимой негерметичности защитных масок и респираторов – одна из целей планируемых вычислительных экспериментов.
К задаче расчета доли взвешенных частиц, проникающих в дыхательную систему человека, примыкает и задача оценки их осаждения на различных ее участках, что также станет предметом наших усилий. Исследования второго направления, связанного с дыханием через маску, в основном проводятся сотрудниками нашей научной группы Ильнаром Мухаметзановым и Ольгой Соловьевой.
Работая над соответствующей моделью, мы опять-таки смотрим шире. Точно такая же проблема существует для бытовых и промышленных фильтров. Негерметичность стыков между элементами или даже очень малые нарушения в материалах, из которых они состоят, сводят порой на нет их эффективность.
– В чем особенность ваших исследований?
– В первую очередь – в очень непростых математических задачах, с которыми приходится иметь дело, так как динамика аэрозоля описывается сложным интегро-дифференциальным уравнением. Чтобы справиться с ним, необходимо прежде решить уравнения для течения газа, в котором находятся частицы. Другая особенность связана с турбулентностью, которая в изучаемых процессах играет свою роль. Турбулентные потоки интересны сами по себе, а динамика аэрозоля в турбулентности сегодня вообще мало изучена. Я думаю, именно исследование влияния турбулентности на формирование частиц внесет фундаментальный вклад в науку. В настоящий момент мы лишь приближаемся к этому. Наш успех во многом зависит от используемых вычислительных возможностей.
– С кем вы обмениваетесь опытом в ходе своей работы?
– Наша научная группа в Казанском федеральном университете насчитывает восемь человек. Лаборатория называется “Аэрозоли”, официально она была открыта в 2014 году на базе Института экологии и природопользования и Института математики и механики благодаря усилиям моего научного руководителя профессора Шамиля Зарипова. Но многие наши сотрудники работают в этой области довольно давно. У нашей группы хорошие научные связи с коллегами из научных центров различных стран. Среди них Институт токсикологии и экспериментальной медицины в Ганновере (Германия), Центр аэрозольных исследований Университета Цинциннати (США), Центр информатики, инженерии и математики Университета Брайтона (Великобритания), Институт химических процессов Академии наук Республики Чехия в Праге. Контакты с зарубежными коллегами помогают подтверждать значимость полученных нами результатов, выбирать новые направления научного поиска.
Аэрозольная тематика вызывает огромный интерес у экологов, медиков, физиков во всем мире. Влияние аэрозолей на здоровье человека, глобальный и региональный климат, распространение биоаэрозолей, биомедицинские технологии – это далеко не полный перечень остроактуальных задач современности. Роль математического моделирования в их решении неоценима. Регулярно проводятся Европейские аэрозольные конференции, в работе многих из которых мы активно участвуем. Вопросы моделирования многофазных течений обсуждаются и на оте­чественных конференциях, в частности на Всероссийском съезде по проблемам механики, последний из которых состоялся в Казани в 2015 году. Участие в этих мероприятиях дает импульс дальнейшим исследованиям.
В ходе работы над проектом сотрудники нашей группы занимаются не только фундаментальными, но и прикладными вопросами. Один из участников проекта Тимур Зарипов решает задачу испарения капель в импульсной турбулентной струе в условиях камеры внутреннего сгорания. Это важная проблема для автомобильной промышленности, связанная с проектированием экономичных двигателей. Наш сотрудник Сергей Соловьев участвует в работах по моделированию химического реактора, с помощью которого производятся катализаторы в одной из крупнейших российских компаний “Нижнекамскнефтехим”. Хочу особо отметить, что при активном участии ученых Казанского федерального университета на этом нефтехимическом предприятии в 2014 году была открыта фабрика катализаторов, продукция которой позволяет успешно заменить ту, что поставлялась ранее из-за рубежа.

На снимке: руководитель проекта Артур Гильфанов (стоит) и сотрудники научной группы Ольга Соловьева и Ильнар Мухаметзанов.

Венера САЛИХОВА
Фото предоставлено А.Гильфановым

Нет комментариев