Изучение поведения газовых смесей в различных условиях имеет важное значение для развития экологических и промышленных технологий. Это исследование подчёркивает тонкие изменения между диффузионным и конвективным перемешиванием в газовых смесях, предоставляя ключевые идеи для их практического использования.
Диффузия, при которой газы смешиваются из-за градиентов концентрации, и конвективное перемешивание, включающее коллективное движение газов, имеют решающее значение для улучшения нашего понимания состава атмосферы. Понимание этих процессов не только расширяет наши знания, но и открывает новые возможности для инновационных подходов к управлению атмосферными газами, предвещая заметный прогресс в сохранении окружающей среды и промышленных практиках.
Группа исследователей под руководством профессора Владимира Коссова, в составе Магжана Жанели из Казахского национального педагогического университета имени Абая и Ольги Федоренко, доктора Мансии Асембаевой и Майры Молдабековой из Казахского национального университета имени аль-Фараби, добилась значительных успехов в понимании динамики газовых смесей. Их работа, опубликованная в Международном журнале терможидкостей, тщательно исследует поведение газовых смесей при переходах между диффузионным и конвективным перемешиванием в условиях равномерной температуры.
Основные выводы исследования
Профессор Коссова отмечает: «Экспериментальные исследования показали, что для рассматриваемых систем… несмотря на начальные условия, благоприятствующие градиенту плотности, при котором плотность смеси уменьшается с высотой, были зафиксированы как диффузионные, так и конвективные типы перемешивания». Это ключевое наблюдение подчёркивает инновационные подходы, которые можно использовать для более эффективного управления концентрациями парниковых газов в нашей атмосфере.
Методология, лежащая в основе этого исследования, так же убедительна, как и его результаты. Благодаря гармоничному сочетанию экспериментальных исследований и теоретического моделирования команда тщательно проанализировала, как изменение давления и состава газовых смесей влияет на их поведение при смешивании.
Профессор Коссова далее разъясняет теоретическую основу, которая поддерживала их выводы: «Численное решение системы уравнений диффузии позволило нам определить для заданных параметров распределения концентраций компонентов и плотности смеси в вертикальном диффузионном плоском канале. Эти результаты представлены графически и подробно обсуждаются». Эта прогностическая модель является мощным инструментом для прогнозирования поведения газовых смесей в различных условиях, обеспечивая прочную основу для разработки передовых механизмов управления.
Инновационный аспект исследования
Особенно инновационным аспектом исследования является введение карт устойчивости. Эти инструменты эффективно различают области, где газовые смеси демонстрируют стабильное диффузионное поведение, от областей, склонных к конвективной нестабильности.
Профессор Коссова подчёркивает полезность карт, заявляя: «Карты устойчивости позволяют нам идентифицировать типы смесей и прояснить условия, приводящие к конвекции, особенно в сценариях, когда плотность газовой смеси в начале выше в верхней части диффузионного канала, чем в нижней». Эти карты предлагают бесценное руководство для учёных и инженеров, направляя усилия по оптимизации условий для достижения предпочтительных результатов смешивания, будь то для промышленного применения или управления окружающей средой.
Это совместное исследование не только углубляет наше понимание динамики газовых смесей в различных условиях, но и определяет практические меры для улучшения нашего контроля над этими смесями. Благодаря тщательному изучению переходов между диффузионным и конвективным перемешиванием в газовых смесях профессор Коссова вместе со своими уважаемыми коллегами закладывает основу для новаторских стратегий управления газами, потенциально переопределяя наш подход к различным экологическим и промышленным задачам.
Ссылка на журнал
Vladimir Kossov, Magzhan Zhaneli, Olga Fedorenko, Mansiya Asembaeva, Maira Moldabekova, «Diffusion Instability in Three-Component Gas Mixtures Containing Greenhouse Gas». International Journal of Thermofluids, 2023. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijft.2023.100495
Об авторах
Коссова Владимир — доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент Национальной академии наук Республики Казахстан (2012) и академик Национальной академии наук Высшей школы Казахстана (2017). Его исследовательские интересы включают многокомпонентную диффузию газов, транспортные свойства смесей, конвективную устойчивость и турбулентность, энергосберегающие технологии и экологию. Под его руководством в Казахстане развивается научное направление, связанное с изучением диффузионной и конвективной неустойчивости в многокомпонентных средах. Он опубликовал более 300 научных статей и 15 патентов.
Доктор Ольга Федоренко — доцент кафедры тепловой физики и технической физики физико-технического факультета Казахского национального университета имени аль-Фараби. Её исследовательская работа сосредоточена на тепловой физике, тепло- и массообмене в газах. Она была обладателем государственной научной стипендии для талантливых молодых учёных в 2013–2014 годах. В качестве соавтора она приняла участие в инновационном проекте «Устройство для разделения смеси углеводородных газов», который был представлен на международной выставке EXPO-2017 в национальном павильоне «Нур Алем» на экспозиции «Творческая энергия». Она участвует в научных проектах, финансируемых Комитетом науки Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан.
Асембаева Мансия, кандидат физико-математических наук, доцент. Научные исследования связаны с изучением диффузионных и конвективных особенностей многокомпонентных газовых систем при различных давлениях и температурах. Участвует в разработке научных проектов, связанных с изучением теплофизических свойств парниковых газов.