Новый эффект центробежного скольжения на поверхности раздела двух жидкостей, приводящий к существенной интенсификации массообменных процессов в химических и биореакторах

 

«Вихревое домино» в закрученном потоке двух несмешивающихся жидкостей: а – схема вихревого реактора; б – результаты моделирования; в – экспериментальная визуализация одновременного распада вихря в нижнем и верхнем слое жидкостей; в – аномальное направление закрутки потока, возникающее за счёт обнаруженного эффекта проскальзывания; д – газовихревой биореактор, изготовленный по заказу биотехнологической компании. 

Экспериментально обнаружен эффект центробежного скольжения на поверхности раздела двух несмешивающихся жидкостей с близкими плотностями, в результате которого при усилении крутки потока распад вихря происходит в верхней и нижней жидкости почти одновременно. Сходящееся спиральное течение в верхней жидкости над границей раздела формирует расходящиеся спиральное движение более плотной жидкости под границей раздела. Эффект центробежного скольжения до сих пор не получил теоретического объяснения. Прямое численное моделирование такого течения дает радикальное различие с экспериментом в сценарии формирования структуры течения на начальной стадии.  Наблюдаемая множественность ячеек и их расположение улучшает перемешивание, что интенсифицирует биологические (рост, деление и питание клеток, микроорганизмов, водорослей) и химические процессы в вихревых реакторах. По заказу биотехнологической компании изготовлен опытный образец высокоэффективного газовихревого реактора для выращивании биологических культур, основанный на описанном эффекте.

Вихревое перемешивание является распространённым методом интенсификации  процессов в химических и биореакторах. Известное явление распада вихря, в результате которого вихрь в реакторе резко расширяется, а его осевая скорость обращает своё направление, хорошо изучено для однофазных течений. Как показано в данной работе, в двухжидкостных (газожидкостных) реакторах явление распада вихря сопровождается множеством новых эффектов: центробежное скольжение на поверхности раздела двух жидкостей, гистерезис и развитие множественных циркуляционных ячеек. Как оказалось, наблюдаемый в эксперименте, эффект центробежного скольжения до сих пор не имеет чёткого теоретического описания. Попытки прямого численного моделирования такого течения, хотя и приводят в квазистационарном пределе к результатам, наблюдаемым экспериментально, дают радикальное различие в сценарии формирования итоговой структуры течения на начальной стадии. Обнаружено, что для несмешивающихся жидкостей с близкими плотностями при усилении крутки потока распад вихря происходит в верхней и нижней жидкости почти одновременно. Возникает структура меридионального движения, напоминающая игральную кость домино «один-один». Важным является то, что сходящееся спиральное течение в верхней жидкости над границей раздела формирует расходящиеся спиральное движение более плотной жидкости под границей раздела. Полученные результаты представляют значительный интерес для практических приложений. Наблюдаемая множественность ячеек и их расположение улучшает перемешивание, что интенсифицирует биологические (рост, деление и питание клеток, микроорганизмов, водорослей) и химические процессы в вихревых реакторах.

ИТ СО РАН, в.н.с., д.т.н., проф. РАН Наумов И.В., в.н.с., д.ф.-м.н. Штерн В.Н., м.н.с. Цой М.А., инж.-иссл. Шарифуллин Б.Р., тел. 8(383)316-53-39.