Поиск - новости науки и техники

Буря в пробирке. Примеси придают воде интересные свойства.

Все знают, что вода при нагревании закипает. Однако этот процесс не так прост, как кажется. Если жидкость немного загрязнена, то в ней происходят различные интересные явления. О том, что они собой представляют и зачем их нужно изучать, знает доктор физико-математических наук профессор Томского политехнического университета Павел ­Стрижак (на снимке – четвертый справа во втором ряду), получивший на свои исследования грант Президента РФ для поддержки молодых ученых.

– Наша команда при проведении экспериментов использует водопроводную питьевую, дистиллированную, технологические и сточные воды, а также суспензии и растворы на их основе. Для создания суспензий мы добавляем в воду углеродистые частицы (например, графит) различных размеров и концентраций. В растворы – соль и другие вещества (например, моющие средства, которые изменяют свойства поверхности исходной жидкости). Для эмульсий используем отработанные индустриальные масла, шламы (отходы, получаемые в виде осадка при промывке рудного материала), жидкие топлива. 
Мы уделяем большое внимание процессам передачи тепла от внешней высокотемпературной среды в капли исследуемых жидкостей в результате распространения излучения (радиационного теплового потока). Прогрев каждой капли происходит по-разному, так как наличие в них нерастворимых и растворимых добавок (твердых частиц, солей, газов) напрямую влияет на оптические свойства и, соответственно, на условия распространения излучения. Это и характеризует наше направление исследований. 
Приведу пример того, как изменяются оптические свойства неоднородной капли воды. В экспериментах мы смогли показать влияние имеющихся в этих каплях нерастворимых твердых частиц на процесс нагрева и испарения жидкости, а также на условия аккумулирования значительной части лучистой энергии в окрестностях частиц. С ростом температуры капля мутнеет. Растет доля энергии, поглощаемая ею. При высоких температурах после непродолжительного прогрева происходит быстрая фрагментация капель с крупным твердым углеродистым включением внутри. 
– Как изменяются оптические свойства этих жидкостей перед взрывом? 
– Один из интересных моментов при изучении оптических свойств жидкостей – способность воды пропускать энергию излучения. Мы доказываем, что слой воды может пропускать радиационный тепловой поток. Более того, этой энергии достаточно для формирования пузырьков внутри капли, их последующего быстрого роста и развития на поверхности твердой частицы и, в конце концов, разрушения слоя воды вокруг включения. 
Мы применяем современное научное оборудование: высокоскоростные видеокамеры, лазерную технику, кросскорреляционные системы, лабораторные дозирующие устройства, сверхточные аналитические весы, специализированные следящие системы регистрации и другие приборы. Эти технические средства, а также специализированное программное обеспечение позволяют исследовать процессы на высоком уровне. Особенно выделю такие методы: высокоскоростная видеорегистрация и оптическая бесконтактная диагностика параметров испаряющихся капель. Мы не возмущаем каплю какими-либо средствами измерений. Это очень важно.
– Зачем нужны ваши исследования?
– Основная наша цель – создание экспериментальной информационной базы данных о закономерностях, характеристиках и особенностях испарения водных суспензий при высоких температурах. Рассмотрим, к примеру, взрывную фрагментацию слоя жидкости капли воды с внутренней твердой частицей. Необходимо сделать акцент на исследования при высоких температурах, так как в научных периодических изданиях очень мало информации о процессах нагрева, испарения и кипения жидкостей (особенно двухфазных) при 800-1500°С. При наличии таких данных можно разрабатывать уникальные технологии и создавать специализированные системы для функционирования широкой группы реальных практических приложений. 
Исследования по зажиганию топлив при локальном (экономически и энергетически выгодном) нагреве курируют Дмитрий Глушков (он в декабре прошлого года в возрасте 28 лет защитил докторскую диссертацию) и Ксения Вершинина. Под их руководством аспиранты и магистранты проводят лабораторные исследования в области разработки перспективных систем контролируемого розжига различных топлив, в том числе на основе отходов угледобычи, а также отработанных (подлежащих утилизации) углеводородных жидкостей. Применение в энергетике таких топливных композиций, с одной стороны, позволит использовать производственные отходы, а с другой – снизить вредные выбросы в атмосферу.
Ответственные за блок экспериментальных исследований с использованием современных оптических методов диагностики многофазных жидкостных и газовых потоков – молодые кандидаты наук Роман Волков, Максим Пискунов, Роман Егоров. С 2014 года список их научных трудов насчитывает более 50 работ в изданиях системы цитирования Web of Science (в том числе более 20 статей в изданиях первого квартиля). Экспериментальные исследования в направлении создания перспективных технологий пожаротушения проводят молодые кандидаты наук Алена Жданова и Ольга Высокоморная. Им помогают аспиранты Иван Войтков, Галина Няшина, Тимур Валиуллин, Маргарита Дмитриенко. Особенно хотелось бы отметить самого молодого члена нашего коллектива – студента Дмитрия Антонова, который учится на третьем курсе, но уже имеет результаты теоретических и экспериментальных исследований на несколько кандидатских диссертаций.
Наша научная команда регулярно пополняется талантливыми студентами, магистрантами и аспирантами ТПУ. В последние годы к нам приходят ребята и из других вузов. Ежегодно один-два человека из числа наших молодых коллег защищают кандидатские диссертации. Постоянно получаем премии, гранты и стипендии Администрации Томской области, РАН, Правительства РФ и Президента РФ. Все это становится возможным благодаря трудолюбию и самоотдаче.
Несмотря на насыщенный рабочий график, мы находим время для совместных, в том числе спортивных, мероприятий. Чаще всего это коллективные выезды на базы отдыха для занятия спортом, совместных прогулок.
– Каковы ближайшие творческие планы?
– В первую очередь, необходимо максимально полно изучить закономерности нагрева, испарения, кипения и быстропротекающих явлений (например, взрывной фрагментации) капель суспензий, эмульсий и растворов. Эта задача долгосрочная. В процессе исследований нередко возникают интересные вопросы, которые могут послужить предпосылкой для целого ряда дополнительных исследований и научных статей. Например, при разработке прогностических моделей испарения капель и аэрозольных потоков жидкостей на основе воды в газовых средах мы обнаружили, что отсутствуют достоверные данные об излучающих свойствах трехатомных газов в малых объемах и при невысоких давлениях. Такие условия соответствуют паровым оболочкам, формирующимся вблизи поверхности испаряющихся капель. Сегодня эксперименты для исследования радиационных свойств водяного пара находятся на стадии планирования.
– Как финансируется ваша работа?
– Поиск источников финансирования – одна из главных проблем. В последние годы государственная поддержка научных исследований в виде грантов значительно возросла. Сейчас перечень конкурсов довольно велик – от выделения индивидуальных грантов для аспирантов и молодых ученых до поддержки крупных проектов, выполняемых большими научными коллективами. Иногда в рамках крупных конкурсов нашей команде, в которой много молодежи, приходится конкурировать с опытными и возрастными коллективами, в том числе из подразделений РАН. Увы, зачастую результаты экспертизы по таким конкурсам не совсем прозрачны. Бывало и так, что все заключения экспертов имеют положительную оценку, но заявка на грант поддержку не получает. К сожалению, такие результаты не редкость.
Другая проблема – сроки рассмотрения статей в российских научных изданиях. Нередко с момента отправки материала до его опубликования проходит полтора-два года. За это время представленные в статье результаты исследований теряют свою актуальность. Вероятно, такие длительные сроки связаны с небольшим количеством выпусков журналов в течение года и их ограниченной наполняемостью, а также малой численностью сотрудников научных изданий – и эти факторы, конечно же, тоже связаны с финансированием.
– Какие результаты вы уже получили? Где они применяются? 
– Большинство наших научных результатов являются фундаментальными и могут быть использованы при разработке и совершенствовании широкой группы технологий. Например, результаты исследований в области испарения капельных потоков жидкостей в газовых средах могут применяться в пожаротушении, в том числе с использованием авиационных средств. В энергетике – при формировании многофазных теплоносителей на основе дымовых газов и распыленной воды, при проектировании систем распыления топлива, для расчета параметров рекуперативных и смесительных теплообменных аппаратов и так далее. Большинство полученных научных результатов уже опубликованы в монографии, и их могут использовать инженеры при разработке соответствующих проектов.
– Насколько трудно, на ваш взгляд, реализовать на практике научные достижения? Что мешает?
– Индустрия с осторожностью относится к новым разработкам. Это вполне ожидаемо и понятно. Переломить ситуацию можно, и это происходит, но проходят годы и даже десятилетия. На мой взгляд, нужно развивать сектор передовых промышленных технологий, который наполнялся бы рискованными проектами и разработками. Лучшие из них пойдут в большую промышленность. Конечно, для решения этой проблемы необходимо досконально изучить все риски. Но в целом действовать нужно активнее. Многие разработки российских исследователей через несколько лет простоев всплывают за рубежом под маркой иностранных компаний, которые из научных периодических изданий вытягивают идею и ее коммерциализуют.
Беседовал 
Василий ЯНЧИЛИН
Иллюстрации предоставлены П.Стрижаком
На схеме: Принцип применения капельного потока графитовой суспензии в качестве тушащего агента при борьбе с лесным пожаром

Нет комментариев