Ручейковое течение представляет собой течение пленки жидкости, ограниченное с двух сторон контактными линиями. Такая ситуация возможна при течении по поверхностям сложной формы, а также при орошении поверхностей с низкой смачиваемостью и недостаточном удельном расходе жидкости. Переход к ручейковому течению может быть спровоцирован неустойчивостью Рэлея-Тэйлора, Марангони или Сафмана-Тэйлора. В общем случае ручейковое течение неустойчиво к малым возмущениям, которые развиваются в сложную систему нелинейных волн. Исследования развитых волн на поверхности ручейков единичны: необходимость учитывать влияние контактных линий делает задачу существенно трехмерной. Вкупе с нелинейностью волн это осложняет теоретическое моделирование, а также предъявляет высокие требования к верификационным экспериментам.

В данной работе приводится описание теоретических и экспериментальных подходов, применяемых совместно для исследования трехмерных волновых режимов ручейкового течения по плоским и цилиндрическим поверхностям в широком диапазоне значений угла наклона поверхности к горизонту, ширины ручейка и плотности орошения. Рассмотрена модель равновесной формы ручейка, упрощенная квазидвумерная модель развитого нелинейного волнового течения, ее развитие в трехмерную область. Все модели тестируются путем прямого сравнения с экспериментальными данными по пространственно-временной эволюции мгновенных трехмерных полей толщины пленки, полученных методом лазерно-индуцированной флюоресценции [1], а также мгновенных полей скорости в плоскости, параллельной твердой поверхности, на различных глубинах жидкости, полученных методом PTV с использованием пленоптической камеры [2].

Результаты сравнения демонстрируют высокую достоверность разработанных теоретических моделей в диапазоне умеренных значений плотности орошения [3]. При высоких расходах жидкости в центральной части ручейка инициируется переход к турбулентности. Работа в этой области режимов требует дальнейшего развития теоретических подходов.  

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (РНФ № 19-79-30075, https://rscf.ru/project/19-79-30075/).

Литература

1. Cherdantsev A., Bobylev A., Guzanov V., Kvon A., Kharlamov, S. Measuring liquid film thickness based on the brightness level of the fluorescence: Methodical overview // Int. J. Multiph. Flow (2023) 168, 104570.
2. Kvon A., Kharlamov S., Bobylev A., Guzanov V. Investigation of the flow structure in three-dimensional waves on falling liquid films using light field camera // Exp. Therm. Fluid Sci. (2022) 132, 110553.
3. Guzanov V., Aktershev S., Bobylev A., Kvon A., Cherdantsev, A. Experimental and theoretical study of stationary nonlinear three-dimensional wave regimes on a straight rivulet flowing down an inclined plane // Int. J. Multiph. Flow (2024) 181, 104990.

В докладе будут рассмотрены следующие вопросы: история исследований явления перегрева, начало отсчета – первые систематические работы сотрудников университета Торонто, осуществленные сто лет назад; история исследований, осуществленных в Уральской теплофизической школе; современные методы и результаты измерения температуры достижимого перегрева, в том числе, методом импульсного нагрева проволочного зонда, открывшим путь к изучению термонеустойчивых объектов; свойства перегретых жидкостей и сверхкритических флюидов в масштабе малых характерных объемов и времен; характерные черты вскипания растворов с ограниченной (в координатах концентрация – температура) растворимостью компонентов, имеющих нижнюю критическую температуру растворения, в областях не вполне устойчивых (находящихся выше бинодали жидкость-жидкость или бинодали жидкость-пар) и неустойчивых (находящихся выше спинодали жидкость-жидкость) состояний; перспективные, применительно к современным технологиям, задачи в области перегрева и фрагментации сложных объектов.

Геополитическая ситуация и колебания мировых цен на энергоносители диктуют необходимость разработки и внедрения инновационных, высокоэффективных технологий добычи углеводородов. Одним из перспективных направлений является применение микро- и нанофлюидных технологий, способных кардинально изменить подход к исследованиям в области разработки месторождений. Центральной проблемой, решаемой с помощью микро- и нанофлюидных технологий, является комплексное изучение многофазных потоков в условиях, имитирующих пористую среду нефтегазового пласта. Для этого разрабатываются и применяются микрофлюидные чипы. Эти устройства, представляющие собой миниатюрные «лаборатории на чипе», позволяют проводить эксперименты с образцами горных пород и флюидов в контролируемых условиях, моделируя процессы вытеснения нефти и газа [1]. Это позволяет значительно снизить затраты на исследования и ускорить процесс разработки новых технологий. 

Разрабатываются новые экспериментальные методики, основанные на применении микрофлюидных устройств, позволяющие с высокой точностью исследовать физико-химические процессы, протекающие в пористой среде на микро- и наноуровне. Особое внимание уделяется использованию наносуспензий и наноэмульсий для увеличения нефтеотдачи пластов. Наночастицы, благодаря своим уникальным свойствам, улучшают смачиваемость пор, снижают поверхностное натяжение и изменяют реологические свойства нефти, что приводит к более полному вытеснению углеводородов из пласта [2]. Несмотря на значительный потенциал, внедрение микро- и нанофлюидных технологий сопряжено с определёнными сложностями. Это включает в себя необходимость разработки специализированного оборудования, создание высокоточных методов измерения и контроля, а также необходимость проведения масштабных полевых испытаний для подтверждения эффективности технологий. Дальнейшие исследования в этой области являются важной задачей для обеспечения устойчивого развития и повышения конкурнтноспособности российской нефтегазовой индустрии. 

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (РНФ № 23-79-30022, https://rscf.ru/project/23-79-30022/).

Литература

1. Bazazi P., Sanati-Nezhad A., Hejazi S.H. Role of chemical additives on water-based heavy oil mobilization: A microfluidic approach // Fuel. – 2019. – V. 241, p.195-1202.
2. Киреев В. Нанотехнологии: история возникновения и развития // – Наноиндустрия (2008) №2, с.2–10.