Гидродинамическая прочистка канализации
На данный момент человеческим гением изобретено множество способов прочистки канализации. Самыми популярными и востребованными являются гидродинамический, механический и химический. Гидродинамическая прочистка канализации по праву удерживает пальму первенства. Она часто применяется, когда другие бессильны. Ее суть заключает в обработке внутреннего пространства трубы потоком воды высокого давления, которое подбирается в зависимости от диаметра трубы.
Сегодня гидродинамическая очистка канализации осуществляетcя по следующим правилам:
Гидродинамическая прочистная машина для канализации подает струю воды в трубу по специальному шлангу, который оснащен несколькими отверстиями, смотрящими назад под углом 15 — 45° по отношению к оси шланга. После включения высокого напора шланг продвигается вглубь трубы, взбивая и отслаивая осадок и засорения. После преодоления определенного расстояния (обычно это один-два интервала между смотровыми колодцами), включается механизм барабана, который вытягивает шланг обратно вместе с засором.
Немаловажным фактором, на который стоит обращать внимание, осуществляя прочистку, это расход воды. Так для бытовых канализаций с диаметром труб 250-300 мм достаточно 30 литров в минуту. Стоит отметить, что эта цифра касается труб, расположенных вне зданий. Для эффективной прочистки внутренней канализации вполне хватит 15-20 литров в минуту. На промышленных объектах эти цифры будут намного большими. Гидродинамическая прочистная машина должна обеспечивать давление воды в 200 атмосфер. Именно это значение является оптимальным для устранения любых засоров и восстановления работоспособности канализации.
Гидродинамическая прочистка труб осуществляется специальными машинами, типовая комплектация которых включает в себя электрический двигатель, шланг высокого давления, форсунка и помпа. Принцип работы таких машин уже был описан выше. При покупке стоит обязательно обращать внимание на форсунки, сопла которых должны иметь обратное направление.
При другом их расположении гидродинамическая прочистка труб станет невозможной. Тип форсунок подбирается в зависимости от характера и давности засорения. Форсунка с дополнительным соплом с передним боем является наиболее эффективной и востребованной. Передний бой расчищает место для продвижения шланга дальше.
Гидродинамическая прочистка труб наиболее эффективна при борьбе с жиром, илом или песком. Смеем заверить, что промывка труб не нарушает целостности системы и сохраняет прочность соединений стыков. Помимо прочего, гидродинамическая очистка канализации прекрасно справляется со строительным мусором, проросшими корнями и другими твердыми отложениями, благодаря наличию в нашем арсенале специальных насадок. Наша компания предоставляет только высококачественные услуги по применению гидродинамической промывки при решении проблем в работе канализационных систем.
В Москву за предыдущие годы было ввезено множество техники профильного назначения, но ни одна из них не будет работать правильно, если ей будет управлять неграмотный человек.
Наша гидродинамическая прочистная машина управляется профессионалами с 30-ти летним опытом безупречной работы.
Если Вы знаете, что Вашему предприятию необходима гидродинамическая промывка труб, звоните по телефону +7 (495) 775-81-41.
Гидродинамическая устойчивость и турбулентность
Создание теории гидродинамической устойчивости и турбулентности на протяжении многих лет остается в Институте теплофизики в числе основных научных проблем. Были предприняты значительные усилия для построения теории турбулентности без эмпирических постоянных. Развиты новые подходы и получены оригинальные решения: предельные законы для турбулентных течений, принцип максимальной устойчивости; выявлены новые свойства подобия процессов турбулентного тепломассопереноса; при помощи методов квантовой теории поля и ренормализационной группы получены новые результаты для однородной изотропной турбулентности; развита теория структурной турбулентности.
Получен закон тепломассоотдачи и основные характеристики пристенной турбулентности в потоках с отрывом.
Определено влияние внешней турбулентности на процессы переноса в пристенных течениях.
Показано, что наличие фронта пламени в пограничном слое приводит к ламинаризации течения.
Обнаружено влияние объемной вязкости (внутренних степеней свободы молекул) на процессы ламинарно-турбулентного перехода при течении в круглой трубе и сверхзвуковой струе.
На основе разработанного в институте метода стробоскопической визуализации потока проведено исследование тонкой структуры вязкого подслоя при течении воды, выяснен механизм снижения гидравлического сопротивления при добавках ничтожно малых количеств высокополимеров.
|
LES-моделирование. Мгновенное поле продольной компоненты скорости в круглой затопленной струе при числе Re = 25 000 |
|
|
Переход к многомасштабной пространственной форме течения в рэлей-бенаровской конвекции (горизонтальный слой, подогреваемый снизу). |
Турбулентная сверхзвуковая струя. Экспозиция: слева – 10–3 с, справа – 10–5 с. |
Синхронными измерениями мгновенных значений скорости и температуры определены корреляции между переносом импульса и тепла вблизи нагреваемой поверхности.
В качестве высокоэффективного средства управления пристенной турбулентностью и снижения трения изучено влияние полимерных добавок, податливых покрытий и микропузырькового газонасыщения пристенного потока жидкости.
В экспериментах, проведенных в широком диапазоне чисел Рейнольдса от 3 * 106 до 108, достигнуто пятикратное уменьшение полного сопротивления испытуемых моделей. Выявлено резкое уменьшение высокочастотных акустических шумов и пульсаций давления на обтекаемой поверхности. Исследована динамика снижения трения полимерными растворами при очень высоких касательных напряжениях.
Экспериментально исследована эволюция пространственной формы течения в режиме тепловой гравитационно-капиллярной конвекции с ростом чисел Рэлея и Марангони. Процесс ламинарно-турбулентного перехода при числах Прандтля Рг > 5 имеет ярко выраженный многостадийный характер. С ростом перепада температуры форма течения качественно меняется. Появление новых масштабов течения сопровождается ростом интегральной теплопередачи.
При помощи метода Particle Image Velocimetry детально изучена турбулентная структура свободных и ограниченных струйных течений. Развиты подходы и методы анализа экспериментальных данных на основе тройной декомпозиции пульсаций и надлежащего ортогонального разложения (Proper Orthogonal Decomposition).
Развиты алгоритмы прямого численного решения уравнений Навье-Стокса и моделирования методом крупных вихрей (Large Eddy Simulation), в том числе при распараллеливании вычислений. Разработаны новые модели турбулентности, применимые для потоков различного вида с учетом тепломассопереноса и химических превращений.
Поле скорости и завихренности в осесимметричной импактной струе. Фазовое осреднение.
- Гольдштик М.А., Штерн В.Н. Гидродинамическая устойчивость и турбулентность. Новосибирск, 1977.
- Гольдштик М.А., Штерн В.Н., Яворский Н.И. Вязкие течения с парадоксальными свойствами. Новосибирск: Наука, 1989.
- Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Турбулентный пограничный слой сжимаемого газа. Новосибирск, 1968.
-
Kutateladze S.S., Berdnikov V.S. Structure of thermogravitational convection in flat variously oriented layers of liquid and on a vertical wall // Int. J. Heat & Mass Transfer.
1984. V. 27, N. 9. - Kuz’min G.A. Small-scale intermittenсу and renormalization group // Advances in Turbulence, VI, 1996.
- Novopashin S., Muriel A. Is the critical Reynolds number universal? // ЖЭТФ. 2002. V. 122, N. 2.
- Heinz O.M., llyusliin B.B., Markovich D.M. Application of a PDF’s method for the statistical processing of experimental data // Int. J. Heat & Fluid Flow. 2004, V. 25.
- Алексеенко С.В., Бильский А.В., Маркович Д.М. Применение метода цифровой трассерной визуализации для анализа турбулентных потоков с периодической составляющей // Приборы и техника эксперимента. 2004. N. 5.
- Bandyopadhyay P.R., Henoch С., Hrubes J.D., Semenov B.N., Kulik V.M., AmirovA.L, MalyugaA.G., Choi K.-S., Escudier M.P. Experiments on the effect of ageing on compliant coating drag reduction // Physics of Fluids. 2005. V. 17.
1984. V. 27, N. 9.гидродинамический — это… Что такое гидродинамический?
- гидродинамический
- hydrodynamic
Русско-английский словарь математических терминов.
— Американское математическое общество.
Э.Д. Лоувотер.
1990.
- гидродинамика
- гидрология
Смотреть что такое «гидродинамический» в других словарях:
гидродинамический — гидродинамический … Орфографический словарь-справочник
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ — ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ, гидродинамическая, гидродинамическое (мех.). прил. к гидродинамика. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова
гидродинамический — прил., кол во синонимов: 2 • аэрогидродинамический (1) • гидравлический (6) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин … Словарь синонимов
гидродинамический — — [http://slovarionline.ru/anglo russkiy slovar neftegazovoy promyishlennosti/] Тематики нефтегазовая промышленность EN hydrodynamic … Справочник технического переводчика
гидродинамический — Относящийся к движению воды, а также давлению, вызываемому турбулентностью потока и его течению в каналах, трубах и речных руслах … Словарь по географии
гидродинамический — 87 гидродинамический [газодинамический] уплотнитель: Бесконтактный уплотнитель, в котором в качестве вязкой среды используется жидкая [газовая] скважинная среда Источник: ГОСТ 28996 91: Оборудование нефтепромысловое устьевое.
Термины и… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документациигидродинамический — прил. от сл. гидродинамика; г ое давление давление движущейся жидкости; г ое сопротивление сопротивление движению тела со стороны обтекающей его жидкости или сопротивление движению жидкости со стороны стенок трубы, канала и т. п. Новый словарь… … Словарь иностранных слов русского языка
Гидродинамический — прил. 1. соотн. с сущ. гидродинамика, связанный с ним 2. Свойственный гидродинамике, характерный для неё. Толковый словарь Ефремовой. Т. Ф. Ефремова. 2000 … Современный толковый словарь русского языка Ефремовой
гидродинамический — гидродинамический, гидродинамическая, гидродинамическое, гидродинамические, гидродинамического, гидродинамической, гидродинамического, гидродинамических, гидродинамическому, гидродинамической, гидродинамическому, гидродинамическим,… … Формы слов
гидродинамический — гидродинам ический … Русский орфографический словарь
гидродинамический — … Орфографический словарь русского языка
Термины и… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документацииКниги
- Геофизический и гидродинамический контроль разработки месторождений углеводородов, А. И. Ипатов, М. И. Кременецкий. В книге, которая, по замыслу авторов, должна была стать одновременно и учебником, и монографией, даны основы современного промыслового и геофизического комплексного контроля разработки… Подробнее Купить за 2659 руб
- Ветровое волнение как вероятностный гидродинамический процесс, Давидан И. Н., Лопатухин Л. И., Рожков В. А.. В книге обобщены результаты теоретических, экспериментальных и натурных исследований ветрового волнения как вероятностного гидродинамического процесса. Она охватывает обширный круг вопросов… Подробнее Купить за 450 руб
И. Ипатов, М. И. Кременецкий. В книге, которая, по замыслу авторов, должна была стать одновременно и учебником, и монографией, даны основы современного промыслового и геофизического комплексного контроля разработки… Подробнее Купить за 2659 рубГидродинамическая прочистная машина Rothenberger HD 13/100
Наша компания заботится о том, чтобы товар был доставлен адресату в целости и в строго установленные строки. Мы работаем с такими транспортными компаниями как: Деловые Линии, ЖелДорЭкспедиция, Автотрейдинг, СДЕК, ПЭК, Мас-Хэндлинг и другие. Доставка осуществляется в любые города и регионы РФ: Ростов-на-Дону, Омск, Ярославль, Тамбов, Самара, Астрахань, Нижний Новгород, Екатеринбург, Барнаул, Белгород, Пенза, Волгоград, Иркутск, Сочи, Казань, Новосибирск, Кемерово, Ставрополь, Киров, Краснодар, Красноярск, Чита, Курск, Москва, Мурманск, Набережные Челны, Новокузнецк, Норильск, Пенза, Рязань, Саранск, Таганрог, Тверь, Пермь, Томск, Ульяновск, Саратов, Уфа, Челябинск, Якутск, Псков.
Производитель: ROTHENBERGER (Германия)
Гидродинамическая прочистная машина Rothenberger HD 13/100, мощностью 2,3 кВт, применяется для прочистки различных типов трубопроводов диаметром до 150 мм. Максимальная рабочая длина этой компактной самовсасывающей машины составляет 30 м. Легко справляется с загрязнениями в стоках, сливах, соединительных трубопроводах и т.д. Машина исключает работу всухую, плавно регулирует давление.
- Технические характеристики
- Особенности
| Мощность, кВт | 2,3 |
| Давление, бар | 100 |
| Напряжение, В | 220 |
| Ø труб, мм | 150 |
| Производительность насоса, л/мин | 13 |
| Рабочая длина, м | 30 |
| Частота вращения, об/мин | 1400 |
| Вес, кг | 45 |
- Плавная регулировка давления
- Исключается работа всухую
- Керамический насос с 3 плунжерами
- Вентили из высококачественной стали
- Латунный корпус насоса, предохранительный клапан избыточного давления, манометр со шкалой бар/psi, самовсасывающий до 2 м
- Машина установлена вместе с кожухом на передвижной подставке, снабженной колесами с пневмошинами
Гидродинамическая прочистная машина Rothenberger HD 13/100
Гидродинамическая машина HD 13 / 100;
барабан для шланга со спец.
шлангом высокого давления 20 м со штуцерами и прочистной насадкой
| Артикул | Наименование | Вес, кг | Цена, руб | |
|---|---|---|---|---|
| 76020 | Гидродинамическая прочистная машина Rothenberger HD 13/100 | 45 | 213000.00 | |
Насадка без боя вперед
4 реактивных сопла, ∅ 25 мм, длина 22 мм
| Артикул | Наименование | Вес | Цена, руб | |
|---|---|---|---|---|
| 76055 | Насадка без боя вперед из нержавеющей стали, соединение R 1/4″ | 0,04 | 12444.31 | |
Насадка с боем вперед
4 реактивных сопла, 1 сопло вперед для воздействия на засор, ∅ 25 мм, длина 22 мм
| Артикул | Наименование | Цена, руб | |
|---|---|---|---|
| 76065 | Насадка c боем вперед из нержавеющей стали, соединение R 1/4″ | 12444. 31 | |
Роторная насадка
3 реактивных сопла, ∅ 16 мм., длина 30 мм
| Артикул | Наименование | Цена, руб | |
|---|---|---|---|
| 77506 | Роторная насадка из нержавеющей стали, соединение R 1/4″ | 29662.82 | |
Моющий пистолет
Пистолет с плоским распылителем для мойки поверхностей
| Артикул | Наименование | Цена, руб | |
|---|---|---|---|
| 76068 | Моющий пистолет | 18406.22 | |
Шланги высокого давления
| Артикул | Наименование | Длина, м | Вес, кг | Цена, руб | |
|---|---|---|---|---|---|
| 72810 | Шланг в/д 10, гибкий, со штуцерами R 1/4“, NW 6 | 10 | 2,5 | 15406. 65 | |
| 72812 | Шланг в/д 20, гибкий, со штуцерами R 1/4“, NW 6 | 20 | 4,50 | 24655.02 | |
| 72820 | Шланг в/д 40, гибкий, со штуцерами R 1/4“, NW 8 | 40 | 10,70 | 56497.62 | |
Всасывающие шланги
| Артикул | Наименование | Длина, м | Вес, кг | Цена, руб | |
|---|---|---|---|---|---|
| 76066 | Всасывающий шланг для воды | 3 | 0,2 | 9564.46 | |
| 76067 | Инжекторный всасывающий шланг для моющего средства, используется только с пистолетом | 1,2 | 0,05 | 1714.04 | |
|
По мере анализа сведений о тех конструкциях генераторов свободной энергии, которые не используют различные магнитные и электрические эффекты, то есть являются «механическими» в широком смысле этого слова, весьма определённо вырисовывается круг устройств, которые с наибольшей достоверностью показали свою работоспособность. В этом заключается их принципиальное отличие от весьма похожих жидкостных конструкций, рассмотренных в разделе механических устройств. Но эта схожесть обманчива — там работа основана лишь на перемещении масс и/или изменении давления на глубине, а скорость и условия перетекания жидкости принципиальной роли не играют. Поэтому их следует отнести к гидростатическим, и все они являются неработоспособными. В данном разделе, наоборот, рассматриваются конструкции, где определяющими являются условия движения жидкости. Особенности же перемещений масс грузов (порций жидкости и воздуха, деталей клапанов и т.д.) зачастую вообще не актуальны и не влияют на работу устройства. Гидродинамические явления Гидродинамические явления
Гидродинамика как наука весьма молода и теоретически разработана далеко не до конца, — об этом свидетельствует огромное количество эмпирических формул, описывающих те или иные процессы и действующих лишь при определённых сочетаниях условий (иногда весьма узких). Какие же явления характерны для гидродинамических процессов? Можно выделить четыре основных класса:
Кроме этих явлений, характерных практически для любого достаточно интенсивного течения жидкости, существуют и другие эффекты, проявляющиеся не всегда, а лишь при создании определённых условий, как, например, эффект Котоусова, для наблюдения которого необходимо организовать истечение жидкости под давлением в атмосферу через сопло определённого диаметра (не слишком малого и не слишком большого).
При сколько-нибудь существенной скорости движения жидкости гидравлическим трением нельзя пренебрегать, — оно способно поглотить и перевести в тепло немалое количество механической работы (достаточно вспомнить, как нагреваются при работе автомобильные коробки передач, особенно автоматические с гидротрансформаторами, — главным образом, благодаря гидравлическому трению масла). Вероятные источники работы
Иногда складывается впечатление, что многие вихревые конструкции, в том числе двигатель Клема, широко известные «спорные» теплогенераторы Потапова и ЮСМАР, а также некоторые другие устройства, на самом деле могут быть обязаны получением энергии не вихревому движению как таковому, а кавитационным процессам, неизбежно возникающим во время такого движения как минимум в зонах столкновения турбулентных вихрей друг с другом и со стенками, или энергия там производится благодаря непременным спутникам кавитации — микро-гидроударам. Особенно интересно их сравнение со сведениями о гидротаранном генераторе, в котором нет ни вращающихся деталей, ни каких-либо специально организуемых вихревых или хотя бы круговых движений (реактивная турбина не в счёт — по словам авторов, она лишь использует рабочий поток, а в варианте движителя вообще отсутствует), зато «симптомы» очень похожи на описанные для упомянутых вихревых конструкций — обеспечение самоподдерживающегося механического движения жидкости в сочетании с получением дополнительной тепловой энергии! Правда, опубликованные данные по гидротаранному генератору оказались некорректными, но это выяснилось лишь после подробного анализа этой конструкции. И гидроудар, и кавитация обладают большой разрушительной силой и, как правило, являются нежелательными явлениями, поэтому их стараются избежать. Исключение составляют лишь отдельные типы измельчителей и установок для очистки и отмывания изделий на промежуточных стадиях некоторых производств, где используется кавитация, а также оборудование для кратковременного создания высоких и сверхвысоких давлений, где используется гидроудар. Что же касается самопроизвольного вращения жидкости, то в гидродинамике оно обычно сразу ассоциируется с понятием «турбулентность», которую, в свою очередь, большинство представляет себе как хаотичные вихри, бесполезно пожирающие энергию. Поэтому единственная мысль, которая возникает в этом случае — как бы предотвратить любые завихрения потока. И мало кому приходило в голову рассмотреть эти явления как возможность если не получения, то хотя бы экономии работы и энергии… Гидроудар
Гидравлический удар — это резкое повышение давления при внезапном торможении потока жидкости. Подробное рассмотрение этого явления в силу огромного объёма информации изложено на отдельной странице. Здесь же я лишь ещё раз подчеркну, что гидроудар является неизменным спутником кавитации. Обратное — необязательно: при сильных гидроударах отрыв жидкости от заглушки с образованием пустой области (иногда весьма значительных размеров!) можно расценивать как «кавитацию в макромасштабах», а вот при слабом гидроударе образования пустого пространства не происходит. Но в некоторых случаях, прежде всего при множественных гидроударах, именно образование достаточного свободного пространства является принципиально важным моментом. Поэтому не так уж надуман вопрос о том, как именно лучше назвать гидроудар с отрывом, чтобы не путать его со слабым собратом — «сильным гидроударом» или «макрокавитацией»? Кавитация
Собственно эффект кавитации заключается в образовании в потоке пузырьков-полостей в зонах разрежения, возникающих во время быстрого движения жидкости по каналам переменного сечения и / или сложной формы. Именно с кавитацией очень часто связывается возможность получения «дополнительной энергии». Однако не всё так просто. Более подробно это явление рассмотрено на отдельной странице. Вращательное движение
Судя по всему, возникновение вращения является неотъемлемым свойством движения жидкостей и газов. Обычно это не принимают во внимание, считая подобное вращение вынужденным и обусловленным внешними факторами — завихрениями на препятствиях, торможением о стенки, силой Кориолиса и т.п. Однако я постепенно прихожу к выводу, что вращательное (турбулентное) движение как раз и есть естественное состояние движущейся жидкости или газа, а вот вынужденным является именно линейное (ламинарное) течение. Простейший пример: в узкой трубе при не слишком большой скорости жидкость течёт ламинарно. Однако рассмотрение вращательного движения — это большая тема, вынесенная в отдельный раздел сайта. Раздел гидродинамики предназначен для рассмотрения линейных гидродинамических эффектов, которые, в конце концов, почти всегда сводятся к трению и гидравлическому удару. ♦ |
И практически все эти устройства в той или иной форме используют движение жидкостей в ограниченном объёме. При этом для обеспечения их автономной работы движение жидкости должно быть достаточно быстрым — то есть налицо необходимость выполнения определённых гидродинамических условий.
Зачастую для одних и тех же условий предлагаются несколько эмпирических формул, дающих несовпадающие друг с другом результаты — чтобы убедиться в этом, достаточно посмотреть расчёт потерь на гидравлическое трение.
Однако само по себе это трение, как и любое другое, лишь препятствует механическому движению, и потому первоисточником работы являться не может. А вот остальные классы явлений могут представлять существенный интерес.
..
При снижении скорости потока и восстановлении давления такой пузырёк почти мгновенно «схлопывается», переходя вновь в жидкую фазу, при этом возникает микро-гидроудар.
Но увеличьте диаметр трубы в достаточной степени, уменьшив влияние ограничивающих и направляющих поток стенок, — и при той же скорости потока течение станет турбулентным, в нём появятся завихрения!Основы гидродинамики. Основные понятия и определения.
Основы гидродинамики
Гидродинамикой называют раздел гидравлики, в котором изучается движение жидкости, обусловленное действием приложенных к ней внешних сил.
Состояние реальной движущейся жидкости в каждой ее точке характеризуется не только плотностью и вязкостью, но и скоростью частиц жидкости, а также гидродинамическим давлением.
Под частицей в гидродинамике понимают условно выделенный объем жидкости, который настолько мал, что можно пренебречь изменением его формы при движении.
При изучении законов движения реальной жидкости необходимо учитывать ее вязкость, что усложняет решение задач гидродинамики, поэтому рассмотрим вначале уравнения движения идеальной жидкости, а затем внесем в них поправки, учитывающие свойства реальной жидкости.
Основным объектом изучения гидродинамики является поток жидкости, под которым понимают движение массы жидкости, ограниченной полностью или частично какой-либо поверхностью (поверхностями). Ограничивающая поверхность может быть твердой (стенки труб, берега и дно рек, каналов и т. д.), жидкой (граница двух жидкостей с разными физическими свойствами) и газообразной (например, граница между поверхностью жидкости и атмосферой и т. п.).
Движение жидкости может быть установившимся (стационарным) и неустановившимся (нестационарным). Установившимся называют движение, при котором давление и скорость жидкости в любой точке занятого ею пространства с течением времени не изменяются.
При неустановившемся движении в каждой точке пространства, занятом жидкостью, скорость и давление изменяются с течением времени.
Примером установившегося движения может послужить истечение жидкости из сосуда с поддерживаемым постоянно уровнем через коническую трубку (см. рис. 1). Скорость движения жидкости в разных сечениях трубки будет различаться, но в каждом из сечений эта скорость будет постоянной, не изменяющейся во времени.
Если же в подобном опыте уровень жидкости в сосуде не поддерживать постоянным, то движение жидкости по той же конической трубке будет иметь нестационарный (неустановившийся) характер, поскольку в сечениях трубки скорость не будет постоянной во времени (будет уменьшаться с понижением уровня жидкости в сосуде).
Движение жидкости может быть равномерным и неравномерным.
Равномерным называют движение, при котором скорости в сходственных точках двух смежных сечений потока жидкости равны между собой.
В противном случае движение неравномерное.
Если обратиться к предыдущему опыту с сосудом и конической трубкой, то можно заметить, что истечение жидкости через коническую трубку в обоих случаях (с постоянным и переменным уровнем в сосуде) равномерным не будет. Коническая трубка имеет непостоянное сечение, и скорость жидкости при движении по ней будет непрерывно изменяться.
Если заменить в этом опыте коническую трубку цилиндрической, то движение жидкости в ней будет равномерным.
Различают напорное и безнапорное движение жидкости. Если стенки полностью ограничивают поток жидкости, то движение жидкости называют напорным (например, перемещение жидкости по полностью заполненным трубам).
Если же ограничение потока стенками частичное (например, движение воды в реках, каналах), то такое движение называют безнапорным.
Напорные потоки иногда называют сплошь заполненными, а безнапорные – открытыми руслами.
Для того чтобы движение жидкости можно было считать полностью определенным, необходимо знать распределение величины и направления скорости частиц в потоке, а также зависимость этого распределения от времени.
Направление скоростей в потоке характеризуется линией тока.
Линия тока – воображаемая кривая, проведенная внутри потока жидкости таким образом, что скорости всех частиц, находящихся на ней в данный момент времени, касательны к этой кривой (см. рисунок).
Линия тока отличается от траектории тем, что последняя отражает путь какой-либо одной частицы за некоторый промежуток времени, тогда как линия тока характеризует направление движения совокупности частиц жидкости в данный момент времени.
При установившемся движении линии тока совпадает с траекториями движения частиц жидкости.
***
Если в поперечном сечении потока жидкости выделить элементарную площадку ΔS и провести через точки ее контура линии тока, то получится так называемая трубка тока (см. рисунок). Жидкость, находящаяся внутри трубки тока, образует элементарную струйку. Поток жидкости можно рассматривать как совокупность всех движущихся элементарных струек.
Живым сечением элементарной струйки называют поверхность, нормальную (перпендикулярную) к вектору скорости, т. е. к линии тока. Скорость движения частиц жидкости во всех точках каждого живого сечения элементарной струйки можно считать одинаковой ввиду незначительных размеров сечения, а сами сечения по той же причине можно считать плоскими.
Живое сечение потока определяют как сумму живых сечений элементарных струек, из которых он состоит. Следовательно, живое сечение потока представляет собой поверхность, во всех точках которой скорости частиц жидкости нормальны к элементам этой поверхности.
Следует отметить, что живое сечение может иметь форму плоской поверхности лишь для идеальной жидкости, в общем случае (для реальных жидкостей) оно имеет форму сложной криволинейной поверхности, т. е. скорости частиц потока жидкости распределены в любом его живом сечении неравномерно.
Линию соприкосновения жидкости с твердыми стенками, ограничивающими поток в данном живом сечении, называют смоченным периметром (см. рисунок). Отношение площади живого сечения потока S к длине смоченного периметра χ называют гидравлическим радиусом потока жидкости:
R = S/χ.
Для труб круглого сечения, заполненных жидкостью, гидравлический радиус определяют по формуле:
R = d/4.
Аналогично определяют гидравлический радиус в трубах других сечений:
для эллиптических труб с осями a и b:
R = ab/[2/3(a + b) — √ab];
для трубы в виде равностороннего треугольника со стороной a:
R = a/4√3;
для трубы в виде прямоугольника со сторонами a и b:
R = ab/2(a + b);
для квадратной трубы со стороной a:
R = a/4.
Объем или масса жидкости, протекающей через живое сечение потока в единицу времени, называют объемным (Q) или массовым (m) расходом жидкости.
Объемный расход жидкости Q измеряется в м3/с или л/с, массовый расход m – в кг/с. Объемный расход связан с массовым расходом зависимостью Q = m/ρ.
Плотность жидкости может быть различной в разных участках потока, и даже в разных точках живого сечения, например, из-за неравномерности распределения температуры. В общем случае непостоянной является и скорость в различных точках живого сечения потока: в центре потока она обычно больше, а у стенок, ограничивающих поток, — меньше (вплоть до полной остановки частиц).
В связи с этим вводят понятие средней скорости потока, которую определяют, как отношение расхода к площади живого сечения:
v = Q/S, откуда Q = vS.
***
Режимы движения жидкости и число Рейнольдса
Главная страница
Дистанционное образование
Специальности
Учебные дисциплины
Олимпиады и тесты
Гидродинамика — обзор | Темы ScienceDirect
5.1 Введение
В этой главе мы подходим к эволюции системы с течением времени. Термодинамика изучает статические системы в равновесии и сама по себе не может рассказать нам о том, как система изменяется в пространстве-времени. Применение гидродинамики требует системы, находящейся в локальном равновесии, то есть система должна быть описана как целостный объект, такой как жидкость или газ, а не как совокупность отдельных частиц. Эти частицы должны взаимодействовать друг с другом, чтобы достичь равновесия.Вопрос в том, достаточно ли часты их взаимодействия для установления равновесия.
Один из способов количественно определить частоту столкновений — сравнить длину свободного пробега λ, среднее расстояние, которое проходит частица между столкновениями, с размером среды L . Длина свободного пробега определяется как
(5.1) λ = 1ρσ
, где ρ — плотность среды, а σ — сечение взаимодействия. Есть несколько различных возможных режимов. Если λ> L, , то уравновешивание не может произойти, потому что частица покидает среду до того, как у нее появится шанс снова столкнуться.Если λ∼ L, , система, возможно, может быть описана множественными моделями столкновений, как некоторые из генераторов событий, используемых сегодня. Наконец, если λ << L, , то на самом деле невозможно говорить о последовательных одиночных столкновениях, а рассматривать систему как газ частиц. Именно в этом пределе система может прийти к локальному тепловому равновесию и гидродинамическое описание имеет практическое значение.
ПРИМЕР: Какова типичная длина свободного пробега относительно размера большого ядра?
Если взять центральную ядерную плотность, ρA ∼ 0.16 / фм 3 , и используем нуклон-нуклонное неупругое сечение при SNN = 200 ГэВ, σ inel = 40 mb = 4 фм 2 , тогда
(5.2) λ = 10⋅16 × 4∼ 1⋅6fm⋅
Если L ∼ 2 R A , где R A ∼ 6-7 фм, то протон может примерно 8 раз столкнуться на своем пути через ядро в его центре до . L > λ. Эксперименты могут проверить, насколько хорошо данные согласуются с гидродинамическим расширением по сравнению с моделями множественного рассеяния.
Уравнения гидродинамики являются результатом применения ограничений сохранения энергии и импульса к газу. Для описания самого газа нам потребуются термодинамические концепции, развитые в предыдущей главе. Начальные условия имеют решающее значение для итогового описания пространственно-временной эволюции системы. Эти начальные условия включают начальную температуру и начальное время, после которого систему можно обрабатывать гидродинамически. Обсудим некоторые оценки начальной плотности энергии системы, связанной с начальной температурой.Если считать, что плотность энергии равна энергии пучка на объем, то плотность энергии в сфере радиусом R равна [65]
(5,3) ɛ = E (4/3) πR3⋅
Продольный размер в Наивно можно подумать, что движущаяся система сокращается за счет усиления Лоренца, так что вместо этого объем равен (4/3) π R 3 / γ, где γ = Э / м. Тогда плотность энергии будет
(5.4) ɛ = E2 (4/3) πR3m⋅
Если мы определим условия в системе координат центра масс, поскольку значение ε в уравнении.(5.4) для одного партнера по столкновению, полная плотность энергии включает вклады от обоих сталкивающихся объектов, так что конечная плотность энергии равна
(5.5) ɛ = 2E2 (4/3) πR3m⋅
ПРИМЕР: Вычислить энергию плотность для столкновений pp и Pb + Pb при SNN = 20 и 200 ГэВ с использованием Eq. (5.5) .
Начиная с E — это энергия одного пучка в системе координат центра масс, E = S / 2, или 10 и 100 ГэВ / нуклон при более низких и более высоких энергиях.В случае протона R = r p ∼ 0.8 Фм, а для ядра R = R pb , = r 0 A 1/3 ∼ 6.6 фм. Тогда плотности энергии pp равны
(5.6) ɛpp = 2 × (S / 2) 2 (4/3) πrp3mp
, что дает 102 и 10170 ГэВ / фм 3 для √ S = 20 и 200 ГэВ соответственно. В случае коллизий AA , мы имеем
(5,7) ɛAA = 2 × (ASN N / 2) 2 (4/3) πRA3AmN⋅
Обратите внимание, что теперь мы должны включить все соответствующие факторы A , как для полной энергии в числителе, так и для радиуса и массы в знаменателе.Эти степени A компенсируют друг друга, оставляя нам
(5,8) AA = 2 × (SN N / 2) 2 (4/3) πr03mN⋅
Это последнее равенство очень похоже на равенство в уравнении. (5.6) за исключением того, что у нас есть r 0 в уравнении. (5.8) и r p в уравнении. (5.6). (Разница между m p и m N мала.) Поскольку r 0 > r p , плотность энергии в столкновении AA равна 29.4 и 2940 ГэВ / фм 3 для SNN = 20 и 200 ГэВ соответственно. Разница в плотностях энергии AA и pp обусловлена только относительными значениями r p и r 0 .
Плотности, полученные из уравнений. (5.6) — (5.8) огромны, намного превосходя любые разумные предположения об адронной материи. Если бы мы рассмотрели энергии, доступные для столкновений AA на LHC, SNN≥5,5 ТэВ, где лоренцево буст еще больше, плотности энергии были бы соответственно выше.Даже при энергиях CERN SPS и BNL RHIC, использованных выше, усиление вносит большой вклад. В качестве реальной проверки этой оценки плотности энергии мы можем вычислить результирующую пространственную протяженность лучей в системе координат центра масс из-за усиления. Для ядра свинца R Pb / γ ∼ 0,6 фм при SNN = 20 ГэВ и 0,06 фм при 200 ГэВ. Продольная протяженность протона уменьшится до r p / γ ∼ 0,08 фм и 0,008 фм соответственно. Такие числа с пространственными размерами намного меньше 1 фм нарушили бы принцип неопределенности, таким образом локализуя положение и импульс частицы одновременно.(Импульс локализован, поскольку частицы ускоряются с четко определенным импульсом.)
На самом деле, на самом деле невозможно упаковать все партоны с энергиями меньше энергии центра масс в протоне в такое маленькое расстояние. Основная масса партонов, глюонов, имеет лишь довольно низкий импульс, как мы видели в главе 2. Для партонов с низким импульсом буст не имеет значения, и эти составляющие адрона или ядра по существу находятся в состоянии покоя. Так называемый «импульс Ферми» Δ p ∼ 200 МэВ дает пространственную протяженность ∼ 1 фм по принципу неопределенности,
(5.9) Δ xΔ p∼ℏc⋅
Тогда без повышения плотности энергии pp были бы уменьшены до ∼ 10 ГэВ / фм 3 при S = 20 ГэВ и ∼ 101 ГэВ / фм 3 при 200 ГэВ .
Эти плотности все еще довольно высоки. Возможно, более реалистичный результат дает более эмпирический расчет плотности энергии. Энергия в срезе быстроты Δ y является произведением числа частиц и их средней энергии,
(5.10) E = 〈mT〉 dNdyΔ y
, где м T = ( p 2 T + m 2 ) 1/2 и dN / dy — конечная множественность частиц.Элемент пространственного объема, как мы обсудим более подробно позже в этой главе, равен
(5.11) dV = τdyd2x
, где τ — собственное время. Если dy = Δ y, интегрирование по d 2 x дает
(5,12) V = τΔyAeff
, где Aeff = πRA2, и мы полагаем τ = τ 0 ≈ 1 фм. Тогда плотность энергии в собственное время τ 0 , используя уравнения. (5.10) и (5.12) равно
(5.13) ɛ0 = EV = 〈mT〉 τ0AeffdNdy
, поскольку размер бина быстроты Δ y сокращается.Для легких адронов 〈 m T 〈∼ 0,5 ГэВ. Если dN / dy ∼ 4 для столкновения pp и A eff ∼ 2 фм 2 , ε 0 ∼ 1 ГэВ / фм 3 . В столкновении Pb + Pb при той же энергии dN AA / dy ∼ AdN / dy и Aeff∼πRA2∼160 фм2, ε 0 ∼ 2,6 ГэВ / фм 3 .
Хотя это значение плотности энергии все еще примерно в 10 раз больше плотности энергии внутри нуклона, это не так уж и неразумно.Время формирования ∼ 1 фм — это только предположение, но может быть оправдано принципом неопределенности, поскольку c Δ t ∼ Δ x с c = 1, и мы уже вычислили Δ x ∼ 1 фм . Мы сконцентрируемся на идеальной жидкости, которая имеет одинаковую постоянную температуру во всей системе. Таким образом, нет температурных градиентов.
Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.
Настройка вашего браузера для приема файлов cookie
Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:
- В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки вашего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
- Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
- Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
- Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
- Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.
Почему этому сайту требуются файлы cookie?
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.
Что сохраняется в файле cookie?
Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.
Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.
Визуализация потока Пуазейля гидродинамических электронов
Гуржи Р. Н. Минимальное сопротивление в беспримесных проводниках. Сов. Phys. ЖЭТФ 27 , 1019 (1968).
ADS Google ученый
де Йонг, М. Дж. М. и Моленкамп, Л. В. Гидродинамический поток электронов в высокоподвижных проволоках. Phys. Ред. B 51 , 13389–13402 (1995).
CAS Google ученый
Бандурин, Д.A. et al. Отрицательное местное сопротивление из-за вязкого обратного потока электронов в графене. Наука 351 , 1055–1058 (2016).
ADS CAS PubMed Google ученый
Crossno, J. et al. Наблюдение жидкости Дирака и нарушение закона Видемана-Франца в графене. Наука 351 , 1058–1061 (2016).
ADS CAS Google ученый
Молл, П. Дж. У., Кушваха, П., Нанди, Н., Шмидт, Б. и Маккензи, А. П. Доказательства гидродинамического потока электронов в PdCoO 2 . Наука 351 , 1061–1064 (2016).
ADS CAS PubMed PubMed Central Google ученый
Кришна Кумар, Р. и др. Супербаллистическое течение вязкой электронной жидкости через сужения графена. Nat. Phys. 13 , 1182–1185 (2017).
ADS PubMed PubMed Central Google ученый
Braem, B.A. et al. Сканирующая вентильная микроскопия в вязкой электронной жидкости. Phys. Ред. B 98 , 241304 (2018).
ADS CAS PubMed Google ученый
Gooth, J. et al. Тепловые и электрические характеристики гидродинамической электронной жидкости в дифосфиде вольфрама. Nat. Commun. 9 , 4093 (2018).
ADS CAS Google ученый
Гусев Г.М., Левин А.Д., Левинсон Е.В., Бакаров А.К. Вязкий перенос и холловская вязкость в двумерной электронной системе. Phys. Ред. B 98 , 161303 (2018).
ADS CAS PubMed Google ученый
Бандурин, Д.A. et al. Начало текучести в графене. Nat. Commun. 9 , 4533 (2018).
ADS CAS PubMed Google ученый
Бердюгин А.И. и др. Измерение холловской вязкости электронной жидкости графена. Наука 364 , 162–165 (2019).
ADS Google ученый
Ella, L. et al. Одновременное отображение напряжения и плотности тока текущих электронов в двух измерениях. Nat. Нанотехнологии . 14 , 480–487 (2019).
ADS CAS PubMed Google ученый
Лукас А. и Фонг К. Гидродинамика электронов в графене. J. Phys. Конденс. Дело 30 , 053001 (2018).
ADS PubMed Google ученый
Левитов Л., Фалькович Г. Электронная вязкость, токовые вихри и отрицательное нелокальное сопротивление в графене. Nat. Phys . 12 , 672–676 (2016).
CAS Google ученый
Мохсени К., Шакури А., Рам Р. Дж. И Абрахам М. С. Электронные вихри в полупроводниковых приборах. Phys. Жидкости 17 , 100602 (2005).
ADS МАТЕМАТИКА Google ученый
Андреев А.В., Кивельсон С.А., Спивак Б. Гидродинамическое описание переноса в сильно коррелированных электронных системах. Phys. Rev. Lett . 106 , 256804 (2011).
ADS CAS PubMed Google ученый
Алексеев П.С. Отрицательное магнитосопротивление в вязком потоке двумерных электронов. Phys. Rev. Lett . 117 , 166601 (2016).
ADS CAS PubMed Google ученый
Фалькович Г., Левитов Л.Связывание пространственных распределений потенциала и тока в вязкой электронике. Phys. Rev. Lett . 119 , 066601 (2017).
ADS PubMed Google ученый
Торре И., Томадин А., Гейм А. К. и Полини М. Нелокальный перенос и гидродинамическая сдвиговая вязкость в графене. Phys. Ред. B 92 , 165433 (2015).
ADS Google ученый
Пеллегрино, Ф. М. Д., Торре, И., Гейм, А. К. и Полини, М. Дилемма электронной гидродинамики: водовороты или отсутствие водоворотов. Phys. Ред. B 94 , 155414 (2016).
ADS Google ученый
Хо, Д. Ю. Х., Юдхистира, И., Чакраборти, Н. и Адам, С. Теоретическое определение гидродинамического окна в монослое и двухслойном графене по скоростям рассеяния. Phys. Ред. B 97 , 121404 (2018).
ADS CAS Google ученый
Левченко А., Се, Х.-Й. & Андреев, А.В. Вязкое магнитосопротивление коррелированных электронных жидкостей. Phys. Ред. B 95 , 121301 (2017).
ADS Google ученый
Лукас А. и Хартнолл С. А. Кинетическая теория переноса неоднородных электронных жидкостей. Phys. Ред. B 97 , 045105 (2018).
ADS CAS Google ученый
Скаффиди Т., Нанди Н., Шмидт Б., Маккензи А. П. и Мур Дж. Э. Гидродинамический поток электронов и холловская вязкость. Phys. Rev. Lett . 118 , 226601 (2017).
ADS PubMed Google ученый
Шитов А., Конг Дж. Ф., Фалькович Г., Левитов Л. Столкновения частиц и отрицательный нелокальный отклик баллистических электронов. Phys. Rev. Lett . 121 , 176805 (2018).
ADS CAS PubMed Google ученый
Алексеев П.С., Семина М.А. Баллистический поток двумерных взаимодействующих электронов. Phys. Ред. B 98 , 165412 (2018).
ADS CAS Google ученый
Свинцов Д. Гидродинамический переход в баллистический в материалах Дирака. Phys. Ред. B 97 , 121405 (2018).
ADS CAS Google ученый
Нарожный Б. Н., Горный И. В., Мирлин А. Д., Шмалян Дж. Гидродинамический подход к электронному транспорту в графене. Ann. Phys . 529 , 1700043 (2017).
MATH Google ученый
Masubuchi, S. et al. Граничное рассеяние в баллистическом графене. Phys. Rev. Lett . 109 , 036601 (2012).
ADS PubMed Google ученый
Wang, L. et al. Одномерный электрический контакт с двухмерным материалом. Наука 342 , 614–617 (2013).
ADS CAS PubMed PubMed Central Google ученый
Holder, T. et al. Баллистический и гидродинамический магнитотранспорт в узких каналах .Препринт на https://arxiv.org/abs/1901.08546 (2019).
Киселев Е. И., Шмалян Дж. Граничные условия вязкого электронного потока. Phys. Ред. B 99 , 035430 (2019).
ADS CAS Google ученый
Принципи А., Виньяль Г., Каррега М. и Полини М. Объемная и сдвиговая вязкости двумерной электронной жидкости в легированном листе графена. Phys.Ред. B 93 , 125410 (2016).
ADS Google ученый
Гуржи Р. Н., Калиненко А. Н., Копелиович А. И. Электрон-электронные столкновения и новый гидродинамический эффект в двумерном электронном газе. Phys. Rev. Lett . 74 , 3872–3875 (1995).
ADS CAS PubMed Google ученый
Ledwith, P., Го, Х. и Левитов, Л. Иерархия времен жизни возбуждения в двумерных ферми-газах. Ann. Phys . 411 , 167913 (2019).
MathSciNet CAS МАТЕМАТИКА Google ученый
Waissman, J. et al. Реализация первичных и локально настраиваемых одномерных электронных систем в углеродных нанотрубках. Nat. Нанотехнологии . 8 , 569–574 (2013).
ADS CAS PubMed Google ученый
Торнтон Т. Дж., Рукс М. Л., Шерер А. и Ван де Гааг Б. П. Граничное рассеяние в квантовых проволоках. Phys. Rev. Lett . 63 , 2128–2131 (1989).
ADS CAS PubMed Google ученый
Дитлефсен, Э. и Лоте, Дж. Теория размерных эффектов в электропроводности. Фил. Mag . 14 , 759–773 (1966).
ADS CAS Google ученый
Моленкамп, Л. В. и де Йонг, М. Дж. М. Размерные эффекты, вызванные электрон-электронным рассеянием в двумерной проволоке. Phys. Ред. B 49 , 5038 (1994).
ADS CAS Google ученый
Курант Р. и Гильберт Д. Методы математической физики II: уравнения в частных производных 62–131 (Wiley, 2008).
Кашуба О., Траузеттель Б. и Моленкамп Л.В. Релятивистский эффект Гуржи в каналах материалов Дирака. Phys. Ред. B 97 , 2015129 (2018).
ADS Google ученый
Гуржи Р. Н. Гидродинамические эффекты в твердых телах при низких температурах. Сов. Phys. Усп . 11 , 255–270 (1968).
ADS Google ученый
Алексеев П.С. и др. Немонотонное магнитосопротивление двумерной вязкой электронно-дырочной жидкости в ограниченной геометрии. Phys. Ред. B 97 , 085109 (2018).
ADS CAS Google ученый
Границы | Гидродинамическая кавитация: перспективная технология промышленного синтеза наноматериалов
Введение
Концепция нанонауки и нанотехнологии была впервые предложена Ричардом Фейнманом в 1959 году (Feynman, 1992). До 1974 года термин нанотехнология (Танигучи, 1974) был введен Нарио Танигучи во время научной конференции.С помощью сканирующего туннельного микроскопа, который был изобретен Гердом Биннигом и Генрихом Рорером в 1981 году (Binnig and Rohrer, 1987), с тех пор современная нанотехнология быстро развивалась. Последние достижения в области наноматериалов значительно повлияли на различные области, например, материаловедение, медицину, науку об окружающей среде, магнетизм, механику и оптику. Поскольку метод синтеза в значительной степени определяет физические свойства и применение наноматериалов, разработка новых методов для разработки подходящих синтетических маршрутов была горячей точкой исследования (Wang et al., 2019; Сюй и др., 2019). Среди разнообразных методов физического и химического синтеза метод сонохимии считается одним из самых мощных инструментов для синтеза наноматериалов (Bang and Suslick, 2010). Сонохимия может быть эффективно вызвана ультразвуком (например, акустическая кавитация, AC) или локальным падением давления (например, гидродинамическая кавитация, HC). AC был использован для получения широкого спектра необычных наноструктурированных материалов в лабораторных масштабах, например металлов, оксидов металлов, халькогенидов и карбидов металлов, углерода, белков и полимеров.Однако дальнейшее применение в промышленных масштабах может быть значительно затруднено из-за проблем масштабирования и энергоэффективности (Gagol et al., 2018). Недавно было обнаружено, что HC, который стал многообещающей технологией для различных промышленных приложений, является эффективным инструментом для синтеза наноматериалов с помощью механизмов, аналогичных AC. Настоящая статья направлена на обсуждение механизма сонохимии, последних достижений в развитии технологии УВ и перспективы ее применения для синтеза наноматериалов.
Сонохимия
В отличие от традиционных источников энергии, таких как тепло, свет или ионизирующее излучение, которые необходимы для протекания химических реакций, сонохимия представляет собой уникальное взаимодействие энергии и вещества, которое происходит без прямого взаимодействия с молекулярными частицами (Thompson and Doraiswamy, 1999). Сонохимия происходит главным образом от кавитации, которая представляет собой быстрое явление фазового изменения в жидкостях, состоящее из роста и схлопывания ядер кавитации в течение чрезвычайно короткого периода (Suslick, 1990).Когда пузырек схлопывается, огромное количество энергии, порядка 1–10 18 кВт / м 3 , может выделяться в окружающие жидкости (Gogate et al., 2006). Выделяемую энергию можно разделить на три формы (Sun et al., 2018b).
Механическое воздействие: Генерация ударных волн со средней скоростью распространения 2000 м / с (Holzfuss et al., 1998), микроструй с высоким давлением гидроудара (450 МПа; Vogel et al., 1989) и скоростью ( более 120 м / с; Бенджамин и Эллис, 1966; Лаутерборн и Болле, 1975; Шима и др., 1981), а также высокие касательные напряжения (до 3,5 кПа; Dijkink, Ohl, 2008).
Тепловой эффект: образование локальных горячих точек (2 000–6 000 K, в зависимости от расстояния; Hart et al., 1990; Flint and Suslick, 1991; Didenko et al., 1999) со скоростью нагрева / охлаждения> 10 10 К / с (Suslick et al., 1986).
Химический эффект: образование высокоактивных гидроксильных радикалов с окислительным потенциалом 2,8 В путем сонолиза молекул воды (Arrojo et al., 2007; Kuppa and Moholkar, 2010).
Комбинация трех вышеуказанных эффектов создает экстремальные условия для синтеза наноматериалов в условиях окружающей среды (например, при комнатной температуре и атмосферном давлении), а иногда даже без использования катализаторов. Взяв в качестве примера синтез наноструктурированных углеродных материалов, эффект сонохимии может не только усилить реакции, которые могут привести к экзотическим углеродным наноструктурам (Sun et al., 2002), но также вызвать резкие морфологические изменения в предварительно синтезированных углеродных материалах (Viculis et al., 2003). Однако из-за характеристик переменного тока плотность энергии быстро уменьшается с увеличением расстояния от ультразвукового рупора и исчезает на расстоянии всего 2–5 см (Gagol et al., 2019). Следовательно, чтобы достичь желаемой плотности энергии, несколько ультразвуковых рупоров должны быть близко расположены в реакторе переменного тока. Эта неотъемлемая особенность переменного тока приводит к быстрому росту цен на оборудование и эксплуатационных расходов с увеличением масштаба (Gagol et al., 2018), что указывает на то, что переменный ток не подходит для синтеза наноматериалов в промышленных масштабах.С другой стороны, HC, который может эффективно стимулировать сонохимию, используя механический подход, обладает способностью преодолевать дефект, присущий AC.
Гидродинамическая кавитация
В отличие от переменного тока, который генерируется применением ультразвуковых волн с циклической последовательностью фаз расширения (разрежения) и сжатия жидкости (Vajnhandl and Majcen Le Marechal, 2005), УВ вызывается падением статического давления текущей жидкости. Когда поток проходит через узкие части или неправильную геометрию, скорость потока увеличивается, а затем может быть вызвано уменьшение статического давления.Как только давление падает ниже местного давления насыщенного пара, зародыши кавитации, существующие в воде, начинают расти, потому что их внутреннее давление становится больше, чем поверхностное натяжение. Когда давление потока восстанавливается, растущие ядра становятся нестабильными и схлопываются (Yan and Thorpe, 1990). Принцип работы типичной системы УВ (Вентури) показан на рисунке 2А (Шарц и др., 2018). Жидкости из резервуара перекачиваются в секцию Вентури, явление кавитации возникает в диффузионной части Вентури, а затем жидкости отправляются обратно в резервуар.Вышеупомянутый процесс будет продолжаться в течение некоторого времени до получения удовлетворительного лечебного эффекта.
Исследование УВ началось в начале 20 века как отрицательное последствие эрозионного повреждения. В 1912 году Зильберрад сообщил, что кавитация была связана с серьезным разрушительным повреждением гребных винтов больших океанских лайнеров Lusitania и Mauretania (Silberrad, 1912). С тех пор исследователи сосредоточили внимание на отрицательном эффекте кавитации, например.g., потери производительности различных машин на текучей среде, шум и эрозионные повреждения (Rahmeyer, 1981; Sun et al., 2017b). С другой стороны, Save et al. (1994) представили первое тематическое исследование разрушения микробных клеток с использованием HC в 1994 году. После этого применение HC начало привлекать внимание в самых разных областях, особенно в последние несколько лет (рис. 1). В настоящее время исследователи обнаружили, что УВ может быть эффективным инструментом для ряда химических, биологических и других применений, например.ж., микробная инактивация [бактерии (Mane et al., 2020), водоросли (Waghmare et al., 2019), вирусы (Kosel et al., 2017)], удаление органических соединений (кислоты Choi et al., 2019 , антибиотики (Tao et al., 2018), пестициды (Panda and Manickam, 2019), красители Yi et al., 2018, фармацевтические препараты (Rajoriya et al., 2019), топливо (Torabi Angaji and Ghiaee, 2015), фенолы Chakinala et al., 2008 и др.), разложение активированного ила (WAS) (Nabi et al., 2019), деполимеризация (Prajapat and Gogate, 2019), денитрификация (Song et al., 2019), обессеривание (Gagol et al., 2019), фибрилляция (Kosel et al., 2019), интенсификация производства биогаза (Zielinski et al., 2019), синтез биотоплива (Chipurici et al., 2019), разрушение липосом. (Pandur et al., 2020), приготовление суспензии катализатора (Kuroki et al., 2019), флотация (Ross et al., 2019), пищевая промышленность (Terán Hilares et al., 2019), обработка поверхности (Nagalingam et al. , 2019), снижение вязкости (Gregersen et al., 2019), снятие остаточных напряжений, очистка и эмульгирование (Wu et al., 2019).
Рисунок 1 . Статьи о применении HC с 2000 по 2019 г. (по материалам Google Scholar, 25 февраля 2020 г.).
До прошлого года о первом исследовании получения наноматериалов с использованием углеводородов сообщали Albanese et al. (2019), которые использовали УВ для увеличения площади поверхности biochar на целых 120%, сохраняя или улучшая соответствующий химический состав. Увеличение функциональности и пористости biochar было связано с эффектом физического воздействия и окисления (гидроксильные радикалы) HC.Более того, экономическая эффективность оказалась по крайней мере на порядок выше, чем у традиционного метода, что демонстрирует, что углеводороды могут быть эффективным альтернативным подходом для синтеза наноматериалов. Явление HC вызвано гидродинамическим кавитационным реактором (HCR), то есть контейнером для реакции HC, поэтому эффективность образования HC HCR определяет эффект обработки, экономичность и применимость технологии HC. Для ускорения разработки синтетических стратегий на основе углеводородов для промышленного производства наноматериалов наиболее важным является разработка HCR нового семейства.Поэтому далее мы делаем простой обзор развития HCR, чтобы дать читателям более четкое представление об этой новой области.
Разработка HCR
HCR можно в целом разделить на два типа в зависимости от их рабочего механизма: невращающиеся и вращающиеся. В обычных традиционных HCR [CHCR, , например, ., Тип Вентури (Рисунок 2B; Jančula et al., 2014) и тип с отверстием], разделительная зона низкого давления может быть сформирована, когда жидкость проходит через сжимающуюся часть, где статическое давление преобразуется в кинетическую энергию (Merzkirch et al., 2015). Чтобы понять механизмы лечения HC, CHCR широко использовались в лабораторных масштабах в предыдущих исследованиях из-за преимуществ, которые они предлагают в простом дизайне, отсутствии движущихся частей и простоте изготовления и использования (Dular et al., 2016) . Более того, некоторые исследователи обнаружили, что CHCR могут применяться в реальных промышленных приложениях (Hirooka et al., 2009).
Недавно в литературе появилось несколько HCR роторно-статорного типа (R-S HCR). В HCR R-S используется круглый диск или цилиндр с многочисленными зазорами для создания кавитации (рис. 2C; Zupanc et al., 2014). Из-за вязкости жидкость приводится в движение ротором, и направление потока идентично направлению вращения. Поток пробивает задний край зазора и образует зону отрыва с низким давлением. Кавитационные пузыри могут возникать, когда скорость вращения достигает критического значения. Результаты соответствующего исследования показали эффективность лечения, экономическую эффективность, которая намного превосходит показатели традиционных устройств для удаления микроорганизмов (Milly et al., 2007, 2008; Шарц и др., 2018; Sun et al., 2018а, б; Maršálek et al., 2020), очистка WAS (Petkovšek et al., 2015; Kim et al., 2019, 2020; SeŽun et al., 2019), органическая очистка сточных вод (Badve et al., 2013; Zupanc et al. , 2014), синтез биотоплива (Mohod et al., 2017; Chipurici et al., 2019), фибрилляция (Kosel et al., 2019), интенсификация производства биогаза (Patil et al., 2016) и делигнификация (Badve et al. al., 2014) и т. д., даже без геометрической оптимизации или в масштабируемом приложении.Кроме того, из-за экстремальных условий и гидроксильных радикалов, продуцируемых HC, эффективные синергические эффекты между HC и нагреванием, AC (Sun et al., 2018a), различными окислителями (Saharan et al., 2011), фотокатализатором (Wang et al. ., 2011), фотолизом (Zupanc et al., 2014) и электрохимическим (Wang et al., 2010). Что еще более важно, стоит отметить, что HCR R-S демонстрируют многообещающую масштабируемость (Joshi and Gogate, 2019), а их производительность можно легко улучшить, увеличив размеры, что было подтверждено Sun et al.(2018a), которые обнаружили, что при увеличении размера ротора HCR вдвое (290–590 мм) тепловыделение и тепловой КПД увеличиваются с 48 до 200 МДж / ч и с 82 до 91% соответственно.
До сих пор технология УВ не получила широкого распространения в промышленных приложениях по всему миру, даже несмотря на то, что она исследовалась и разрабатывалась в течение почти 30 лет. Большая часть существующих исследований относится к приложениям, характеристики HCR редко фокусируются, что в значительной степени влияет на развитие и применение технологии HC.Несмотря на то, что несколько исследователей внесли важный вклад в теоретические (Sarvothaman et al., 2019), вычислительные (Badve et al., 2015) и экспериментальные (Zhang et al., 2018) аспекты HCR, их механизм генерации кавитации, внутренние поля потока, внешние характеристики и закон масштабирования недостаточно хорошо понятны при использовании экспериментальной визуализации потока, измерения скорости изображения частиц и вычислительных методов гидродинамики, особенно для RS HCR. Что еще более важно, универсальные методы исследования и проектирования (например,g., теоретические и численные методы проектирования ротора, статора и пути потока, закона масштабирования и метода оптимизации) для HCR пока не разработаны. В будущем потребуются исследования внутреннего поля жидкости, геометрическая оптимизация, методы численного моделирования, анализ размеров, законы подобия для внешних характеристик и т. Д.
Заключение и перспектива
Настоящая статья проиллюстрировала механизм сонохимии, достижения в области применения углеводородов и развитие гидродинамических кавитационных реакторов с целью внести свой вклад в фундаментальное понимание этой новой технологии.Благодаря механизму, аналогичному механизму переменного тока, технология HC, по-видимому, является эффективным средством сонохимии для синтеза наноматериалов в промышленных масштабах из-за ее хорошей масштабируемости. Разработка и применение метода синтеза углеводородов будет реальной проблемой из-за его высокой междисциплинарности (связанной с сонохимией, гидродинамикой, материаловедением и машиностроением). Однако значительный прогресс в этой технологии приведет к значительному стимулированию индустриализации наноматериалов.Ниже перечислены некоторые проблемы и направления исследований, которые можно рассмотреть:
• Чтобы понять механизм УВ, необходимо применять УВ для получения различных типов наноматериалов, включая металлы, сплавы, оксиды, сульфиды, карбиды, углерод, полимеры и биоматериалы.
• Изучение синергетических эффектов УВ и традиционных методов синтеза на структуру и характеристики наноматериалов.
• Разработка соответствующих методов CFD для выявления механизма генерации кавитации и разработки новых HCR.
• Оптимизация геометрической структуры HCR с помощью передовых алгоритмов (Sun et al., 2017a; Sun and Yoon, 2018).
• Создание универсальных методов исследования и проектирования для HCR.
Заявление о доступности данныхВсе наборы данных, созданные для этого исследования, включены в статью / дополнительный материал.
Авторские взносы
XS, JY и SC внесли свой вклад в концепцию исследования. XS подготовил и написал статью. JL и SZ редактировали статью.
Финансирование
Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (№ 515), Китайским фондом постдокторантуры (№ 2019M650162), Молодежными междисциплинарными научными и инновационными исследовательскими группами Шаньдунского университета (№ 2020QNQT014), Программой молодых ученых Шаньдуна. Университет, Фонды фундаментальных исследований Университета Шаньдун (№№ 2019HW027 и 2018GN033), Ключевая лаборатория высокоэффективного и чистого механического производства Университета Шаньдун, Министерство образования и ведущая группа специалистов по океану в рамках Плана двойной сотни Яньтая.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.
Список литературы
Альбанезе, Л., Баронти, С., Лигуори, Ф., Менегуццо, Ф., Барбаро, П., и Ваккари, Ф. П. (2019). Гидродинамическая кавитация как энергоэффективный процесс увеличения площади поверхности и пористости биоугля: тематическое исследование. J. Clean. Прод .210, 159–169. DOI: 10.1016 / j.jclepro.2018.10.341
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Аррохо, С., Нерин, К., Бенито, Ю. (2007). Применение дозиметрии салициловой кислоты для оценки гидродинамической кавитации как передового процесса окисления. Ультрасон. Sonochem. 14, 343–349. DOI: 10.1016 / j.ultsonch.2006.06.007
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Бадве М., Гогате П., Пандит А. и Чока Л. (2013). Гидродинамическая кавитация как новый подход к очистке сточных вод в деревообрабатывающей промышленности. Сентябрь Purif. Technol. 106, 15–21. DOI: 10.1016 / j.seppur.2012.12.029
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Бадве, М. П., Альпар, Т., Пандит, А. Б., Гогате, П. Р., и Чока, Л. (2015). Моделирование скорости сдвига и падения давления в гидродинамическом кавитационном реакторе с экспериментальной проверкой на основе исследований разложения KI. Ультрасон. Sonochem. 22, 272–277. DOI: 10.1016 / j.ultsonch.2014.05.017
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Бадве, м.П., Гогейт П. Р., Пандит А. Б. и Чока Л. (2014). Гидродинамическая кавитация как новый подход к делигнификации пшеничной соломы для производства бумаги. Ультрасон. Sonochem. 21, 162–168. DOI: 10.1016 / j.ultsonch.2013.07.006
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Бенджамин Т. Б. и Эллис А. Т. (1966). Коллапс кавитационных пузырьков и создаваемое при этом давление на твердых границах. Philos. Сделка. Royal Soc.Лондон. Серия A, математика. Phy. Sci . 260, 221–240. DOI: 10.1098 / rsta.1966.0046
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Бинниг Г. и Рорер Х. (1987). Сканирующая туннельная микроскопия — от рождения до подросткового возраста. Ред. Мод. Phys . 59: 615. DOI: 10.1103 / RevModPhys.59.615
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Чакинала А.Г., Бремнер Д.Х., Гогейт П.Р., Намкунг К.-К. и Берджесс А.Э. (2008). Многомерный анализ фенольной минерализации путем сочетания гидродинамической кавитации и гетерогенной усовершенствованной обработки Фентоном. Заявл. Катал. B: Окружающая среда . 78, 11–18. DOI: 10.1016 / j.apcatb.2007.08.012
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Чипуричи П., Влайку А., Калинеску И., Винатору М., Василеску М., Игнат Н. Д. и др. (2019). Ультразвуковой, гидродинамический и микроволновый синтез биодизельного топлива — сравнительное исследование для непрерывного процесса. Ультрасон. Sonochem. 57, 38–47. DOI: 10.1016 / j.ultsonch.2019.05.011
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Цой, Дж., Цуй, М., Ли, Ю., Ма, Дж., Ким, Дж., Сон, Ю., и др. (2019). Гибридный реактор на основе гидродинамической кавитации, озонирования и окисления персульфата для разложения щавелевой кислоты в процессах экстракции редкоземельных элементов. Ультрасон. Sonochem. 52, 326–335. DOI: 10.1016 / j.ultsonch.2018.12.004
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Диденко, Ю. Т., Макнамара, В. Б., и Суслик, К. С. (1999). Условия горячей точки при кавитации в воде. Дж.Являюсь. Chem. Soc. 121, 5817–5818. DOI: 10.1021 / ja9844635
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Dijkink, R., and Ohl, C.-D. (2008). Измерение напряжения сдвига стенки, вызванного кавитацией. Заявл. Phys. Lett. 93, 254107. DOI: 10.1063 / 1.3046735
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Dular, M., Griessler-Bulc, T., Gutierrez-Aguirre, I., Heath, E., Kosjek, T., Krivograd Klemenčič, A., et al. (2016). Использование гидродинамической кавитации при очистке (сточных) вод. Ультрасон. Sonochem. 29, 577–588. DOI: 10.1016 / j.ultsonch.2015.10.010
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Фейнман Р. П. (1992). Внизу много места. J. Microelectromech. Системы 1, 60–66. DOI: 10.1109 / 84.128057
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Гагол, М., Пржиязны, А., Бочкай, Г. (2018). Очистка сточных вод с помощью усовершенствованных процессов окисления на основе кавитации — обзор. Chem. Англ. J . 338, 599–627. DOI: 10.1016 / j.cej.2018.01.049
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Гагол, М. Р., Солтани, Д. К., Пшиязны, А., Бочкай, Г. (2019). Эффективное разложение сульфид-ионов и органических сульфидов в кавитационных процессах усовершенствованного окисления (AOP). Ультрасон. Sonochem. 58: 104610. DOI: 10.1016 / j.ultsonch.2019.05.027
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Грегерсен, С.Б., Викинг, Л., Бертельсен, К. Б., Тангсантаткун, Дж., Педерсен, Б., Поульсен, К. Р. и др. (2019). Снижение вязкости концентрированных белковых растворов за счет гидродинамической кавитации. Внутр. Молочный J. 97, 1–4. DOI: 10.1016 / j.idairyj.2019.04.015
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Hart, E.J., Fischer, C.-H., and Henglein, A. (1990). Сонолиз углеводородов в водном растворе. Внутр. J. Radiat. Прил. Instrum. Часть Radiat. Phy. С Chem . 36, 511–516.DOI: 10.1016 / 1359-0197 (90) -Q
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Хироока К., Асано Р., Ёкояма А., Окадзаки М., Сакамото А. и Накаи Ю. (2009). Снижение образования избыточного осадка на заводе по очистке сточных вод молочных предприятий за счет кавитационной обработки с использованием форсунок: тематическое исследование завода по очистке сточных вод на ферме. Биоресурсы. Technol. 100, 3161–3166. DOI: 10.1016 / j.biortech.2009.01.011
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Хольцфус, Дж., Рюггеберг, М., и Билло, А. (1998). Ударно-волновое излучение сонолюминесцентного пузыря. Phys. Rev. Lett. 81, 5434–5437. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.81.5434
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Янчула Д., Микула П., Маршалек Б., Рудольф П. и Почили Ф. (2014). Селективный метод удаления налетов цианобактерий: опыт гидроструйной кавитации. Aquacult. Int. 22, 509–521. DOI: 10.1007 / s10499-013-9660-7
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Джоши, С.М., Гогейт П. Р. (2019). Интенсификация очистки промышленных сточных вод с использованием гидродинамической кавитации в сочетании с глубоким окислением с производительностью 70 л. Ultrason. Sonochem . 52, 375–381. DOI: 10.1016 / j.ultsonch.2018.12.016
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ким, Х., Ку, Б., Сун, X., и Юн Юн, Дж. (2020). Исследование дезинтеграции шлама с помощью гидродинамического кавитационного реактора роторно-статорного типа. Сентябрь Purif. Технол .240: 116636. DOI: 10.1016 / j.seppur.2020.116636
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ким, Х., Сун, X., Ку, Б., и Юн, Дж. Й. (2019). Экспериментальное исследование обработки ила с использованием гидродинамического кавитационного реактора роторно-статорного типа и ультразвуковой ванны. Процессы 7: 790. DOI: 10.3390 / pr7110790
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Козель, Дж., Гутьеррес-Агирре, И., Рачки, Н., Дрео, Т., Равникар, М., и Дулар, М. (2017).Эффективная инактивация вируса MS-2 в воде гидродинамической кавитацией. Water Res. 124, 465–471. DOI: 10.1016 / j.watres.2017.07.077
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Козел, Дж., Шинковец, А., Дулар, М. (2019). Новый ротационный генератор гидродинамической кавитации для фибрилляции длинных волокон хвойных пород в производстве бумаги. Ультрасон. Sonochem. 59: 104721. DOI: 10.1016 / j.ultsonch.2019.104721
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Куппа, Р., и Мохолкар, В. С. (2010). Физические особенности гетерогенного перманганатного окисления, усиленного ультразвуком. Ультрасон. Sonochem. 17, 123–131. DOI: 10.1016 / j.ultsonch.2009.05.011
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Куроки, Х., Ониси, К., Асами, К., Ямагути, Т. (2019). Приготовление суспензии катализатора методом гидродинамического кавитационного диспергирования для топливных элементов с полимерным электролитом. Ind. Eng. Chem. Res. 58, 19545–19550.DOI: 10.1021 / acs.iecr.9b02111
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Лаутерборн В. и Болле Х. (1975). Экспериментальные исследования схлопывания кавитационных пузырьков в окрестности твердой границы. J. Fluid Mech. 72, 391–399. DOI: 10.1017 / S0022112075003448
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Мане, М. Б., Бхандари, В. М., Балапуре, К., и Ранаде, В. В. (2020). Новый процесс гибридной кавитации для улучшения и изменения скорости дезинфекции за счет использования натуральных масел, полученных из растений. Ультрасон. Sonochem. 61: 104820. DOI: 10.1016 / j.ultsonch.2019.104820
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Маршалек, Б., Зезулка, Ш., Маршалкова, Э., Почили, Ф., и Рудольф, П. (2020). Синергетический эффект следовых концентраций перекиси водорода, используемых в новом гидродинамическом кавитационном устройстве, позволяет избирательно удалять цианобактерии. Chem. Англ. J. 382: 122383. DOI: 10.1016 / j.cej.2019.122383
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Милли, П.Дж., Толедо, Р. Т., Харрисон, М. А., и Армстед, Д. (2007). Инактивация микроорганизмов, вызывающих порчу пищевых продуктов, путем гидродинамической кавитации для достижения пастеризации и стерилизации жидких пищевых продуктов. J. Food Sci. 72, M414 – M422. DOI: 10.1111 / j.1750-3841.2007.00543.x
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Милли П. Дж., Толедо Р. Т., Керр В. Л. и Армстед Д. (2008). Гидродинамическая кавитация: характеристика новой конструкции с энергетическими соображениями для инактивации saccharomyces cerevisiae в яблочном соке. J. Food Sci. 73, M298 – M303. DOI: 10.1111 / j.1750-3841.2008.00827.x
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Моход, А. В., Гогате, П. Р., Виль, Г., Фирмино, П., и Джудичи, Р. (2017). Интенсификация производства биодизеля за счет гидродинамической кавитации на базе высокоскоростного гомогенизатора. Chem. Англ. J. 316, 751–757. DOI: 10.1016 / j.cej.2017.02.011
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Наби, М., Чжан, Г., Zhang, P., Tao, X., Wang, S., Ye, J., et al. (2019). Вклад твердых и жидких фракций осадка сточных вод, предварительно обработанных гомогенизацией под высоким давлением, в производство биогаза. Биоресурсы. Technol. 286: 121378. DOI: 10.1016 / j.biortech.2019.121378
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Нагалингам А. П., Тиручелвам В. К. и Йео С. Х. (2019). Новый гидродинамический кавитационный абразивный метод для внутренней отделки поверхностей. Дж.Manuf. Процесс . 46, 44–58. DOI: 10.1016 / j.jmapro.2019.08.014
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Панда, Д., и Маникам, С. (2019). Гидродинамическая кавитация способствовала деградации стойкого хлорорганического пестицида дикофола, стойкого эндокринно-разрушающего действия: оптимизация рабочих параметров и исследования механизма интенсификации. Ультрасон. Sonochem. 51, 526–532. DOI: 10.1016 / j.ultsonch.2018.04.003
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Пандур, З., Догса И., Дулар М. и Стопар Д. (2020). Разрушение липосом гидродинамической кавитацией по сравнению с химической, физической и механической обработкой. Ультрасон. Sonochem. 61: 104826. DOI: 10.1016 / j.ultsonch.2019.104826
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Патил П. Н., Гогате П. Р., Чока Л., Дрегели-Кисс А. и Хорват М. (2016). Интенсификация производства биогаза за счет предварительной обработки на основе гидродинамической кавитации. Ультрасон.Sonochem. 30, 79–86. DOI: 10.1016 / j.ultsonch.2015.11.009
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Петковшек М., Млакар М., Левстек М. М., Стражар Широк Б. и Дулар М. (2015). Новый ротационный генератор гидродинамической кавитации для дезинтеграции активного ила. Ультрасон. Sonochem. 26, 408–414. DOI: 10.1016 / j.ultsonch.2015.01.006
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Праджапат, А.Л., Гогейт П. Р. (2019). Деполимеризация карбоксиметилцеллюлозы с использованием гидродинамической кавитации в сочетании с ультрафиолетовым облучением и персульфатом калия. Ультрасон. Sonochem. 51, 258–263. DOI: 10.1016 / j.ultsonch.2018.10.009
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Рахмейер, В. Дж. (1981). Кавитационные повреждения гидротехнических сооружений. J. Am. Ассоциация водных работ . 73, 270–274. DOI: 10.1002 / j.1551-8833.1981.tb04703.x
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Раджория, С., Барголе, С., Джордж, С., Сахаран, В. К., Гогейт, П. Р., и Пандит, А. Б. (2019). Синтез и характеристика фотокатализаторов TiO 2 , легированных самарием и азотом, для фотодеструкции 4-ацетамидофенола в сочетании с гидродинамической и акустической кавитацией. Сентябрь Purif. Technol. 209, 254–269. DOI: 10.1016 / j.seppur.2018.07.036
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Росс В., Сингх А. и Пиллэй К. (2019). Улучшенная флотация хвостов МПГ с помощью гидродинамической кавитационной установки с большим сдвигом. Шахтер. Англ. 137, 133–139. DOI: 10.1016 / j.mineng.2019.04.005
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Сахаран В. К., Бадве М. П. и Пандит А. Б. (2011). Деградация реактивного красителя красный 120 с использованием гидродинамической кавитации. Chem. Англ. J . 178, 100–107. DOI: 10.1016 / j.cej.2011.10.018
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Шарц А., Козел Дж., Стопар Д., Одер М. и Дулар М. (2018). Удаление бактерий Legionella pneumophila, Escherichia coli и Bacillus subtilis с помощью (супер) кавитации. Ультрасон. Sonochem . 42, 228–236. DOI: 10.1016 / j.ultsonch.2017.11.004
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Сарвотаман, В. П., Симпсон, А. Т., и Ранаде, В. В. (2019). Моделирование вихревых гидродинамических кавитационных реакторов. Chem. Англ. J . 377: 119639. DOI: 10.1016 / j.cej.2018.08.025
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Сейв, С. С., Пандит, А. Б., и Джоши, Дж. Б. (1994). Разрушение микробных клеток: роль кавитации. Chem. Англ. J. Biochem. Англ. J . 55, B67 – B72. DOI: 10.1016 / 0923-0467 (94) 06062-2
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Селюн, М., Козель, Й., Жупанц, М., Хочевар, М., Вртовшек, Й., Петковшек, М., и др. (2019). Кавитация как потенциальная технология для управления сточными водами — пример увеличения выделения питательных веществ из вторичного ила целлюлозно-бумажной промышленности. Строй. Вестн. J. Mech. Eng . 65: 9. DOI: 10.5545 / sv-jme.2019.6328
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Шима, А., Такаяма, К., Томита, Ю., и Миура, Н. (1981). Экспериментальное исследование влияния твердой стенки на движение пузырьков и ударных волн при схлопывании пузырьков. Acta Acust. United Ac . 48, 293–301.
Google Scholar
Зильберрад, Д. (1912). Эрозия винта. Инженерное дело 93, 33–35.
Song, L., Yang, J., Yu, S., Xu, M., Liang, Y., Pan, X., et al. (2019). Сверхвысокая эффективная гидродинамическая кавитация усиливает окисление оксида азота диоксидом хлора. Chem. Англ. J. 373, 767–779. DOI: 10.1016 / j.cej.2019.05.094
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Сунь, X., Кан, К. Х., Пак, Дж. Дж., Ким, Х. С., Ом, А. С., и Юн, Дж. Й. (2018a). Экспериментальное исследование тепловых характеристик нового гидродинамического кавитационного реактора. Exp. Therm Fluid Sci. 99, 200–210. DOI: 10.1016 / j.expthermflusci.2018.02.034
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Сунь, X., Ким, Х.С., Ян, С.Д., Ким, К. К., Юн, Дж. Ю. (2017b). Численное исследование влияния шероховатости поверхности на коэффициент расхода эксцентриковой дроссельной заслонки. J. Mech. Sci. Технол . 31, 2839–2848. DOI: 10.1007 / s12206-017-0527-0
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Сан, X., Ким, С., Ян, С. Д., Ким, Х. С., и Юн, Дж. Й. (2017a). Многоцелевая оптимизация циклонного сепаратора Stairmand с использованием методологии поверхности отклика и вычислительной гидродинамики. Порошок Технол. 320, 51–65. DOI: 10.1016 / j.powtec.2017.06.065
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Sun, X., Park, J. J., Kim, H. S., Lee, S. H., Seong, S.J., Om, A. S., et al. (2018b). Экспериментальное исследование термических и дезинфекционных характеристик нового гидродинамического кавитационного реактора. Ультрасон. Sonochem. 49, 13–23. DOI: 10.1016 / j.ultsonch.2018.02.039
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Вс, X., и Юн, Дж. Й. (2018). Многоцелевая оптимизация газового циклонного сепаратора с использованием генетического алгоритма и вычислительной гидродинамики. Порошок Технол. 325, 347–360. DOI: 10.1016 / j.powtec.2017.11.012
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Sun, X.-H., Li, C.-P., Wong, N.-B., Lee, C.-S., Lee, S.-T., and Teo, B.-K. (2002). Шаблонный эффект пассивированных водородом кремниевых нанопроволок в производстве углеводородных нанотрубок и наноонионов посредством сонохимических реакций с обычными органическими растворителями в условиях окружающей среды. J. Am. Chem. Soc. 124, 14856–14857. DOI: 10.1021 / ja0283706
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Suslick, K. S., Hammerton, D. A., and Cline, R. E. (1986). Сонохимическая горячая точка. J. Am. Chem. Soc. 108, 5641–5642. DOI: 10.1021 / ja00278a055
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Танигучи, Н. (1974). «Об основной концепции нанотехнологии», в Proceeding of the ICPE (Tokyo), 18–23.
Google Scholar
Тао, Ю., Цай, Дж., Хуай, X., и Лю, Б. (2018). Новый метод разложения сточных вод антибиотиками, сочетающий воздействие кавитационных струй с множеством синергетических методов. Ультрасон. Sonochem. 44, 36–44. DOI: 10.1016 / j.ultsonch.2018.02.008
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Теран Хиларес, Р., душ Сантуш, Дж. Г., Шигуэмацу, Н. Б., Ахмед, М. А., да Силва, С. С., и Сантос, Дж. К. (2019). Гомогенизация томатного сока под низким давлением с использованием технологии гидродинамической кавитации: влияние на физические свойства и стабильность биологически активных соединений. Ультрасон. Sonochem. 54, 192–197. DOI: 10.1016 / j.ultsonch.2019.01.039
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Томпсон, Л. Х., и Дорайсвами, Л. К. (1999). Сонохимия: наука и техника. Ind. Eng. Chem. Re с. 38, 1215–1249. DOI: 10.1021 / ie9804172
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Тораби Ангаджи, М., и Гиаи, Р. (2015). Обеззараживание сточных вод несимметричного диметилгидразина с помощью усовершенствованного процесса фентона, вызванного гидродинамической кавитацией. Ультрасон. Sonochem. 23, 257–265. DOI: 10.1016 / j.ultsonch.2014.09.007
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Vajnhandl, S., и Majcen Le Marechal, A. (2005). Ультразвук в крашении текстиля и обесцвечивании / минерализации текстильных красителей. Красители Пигменты 65, 89–101. DOI: 10.1016 / j.dyepig.2004.06.012
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Фогель А., Лаутерборн В. и Тимм Р. (1989). Оптические и акустические исследования динамики кавитационных пузырьков, создаваемых лазером, вблизи твердой границы. J. Fluid Mech. 206, 299–338. DOI: 10.1017 / S002211208
14CrossRef Полный текст | Google Scholar
Вагмаре, А., Нагула, К., Пандит, А., и Арья, С. (2019). Гидродинамическая кавитация для энергоэффективного и масштабируемого процесса разрушения клеток микроводорослей. Algal Res . 40: 101496. DOI: 10.1016 / j.algal.2019.101496
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ван, X., Цзя, Дж., И Ван, Ю. (2010). Электрохимическая деструкция реактивного красителя в присутствии кавитации водяной струи. Ультрасон. Sonochem. 17, 515–520. DOI: 10.1016 / j.ultsonch.2009.10.023
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ван, X., Цзя, Дж., И Ван, Ю. (2011). Деградация C.I. реактивный красный 2 посредством фотокатализа в сочетании с кавитацией водяной струи. J. Hazard. Mater . 185, 315–321. DOI: 10.1016 / j.jhazmat.2010.09.036
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Wang, Z., Xu, X., Kim, J., Malgras, V., Мо, Р., Ли, К. и др. (2019). Металлоорганический каркас / гибриды полипиррола с наноархитектурой для опреснения солоноватой воды с использованием емкостной деионизации. Mater. Горизонт . 6, 1433–1437. DOI: 10.1039 / C9MH00306A
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Wu, Z., Tagliapietra, S., Giraudo, A., Martina, K., and Cravotto, G. (2019). Использование кавитационных эффектов для интенсификации экологических процессов. Ультрасон. Sonochem. 52, 530–546. DOI: 10.1016 / j.ultsonch.2018.12.032
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Xu, X., Tan, H., Wang, Z., Wang, C., Pan, L., Kaneti, Y.V, et al. (2019). Исключительные характеристики емкостной деионизации высокоупорядоченных мезопористых углеродных нанополиэдров для опреснения солоноватой воды. Environ. Sci. Нано 6, 981–989. DOI: 10.1039 / C9EN00017H
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ян Ю. и Торп Р. Б. (1990). Переходы режимов потока из-за кавитации в потоке через отверстие. Внутр. J. Многофазный поток 16, 1023–1045. DOI: 10.1016 / 0301-9322 (90) -R
CrossRef Полный текст | Google Scholar
И, К., Лу, К., Ван, Ю., Ван, Ю., и Ян, Б. (2018). Разложение органических сточных вод гидродинамической кавитацией в сочетании с акустической кавитацией. Ультрасон. Sonochem. 43, 156–165. DOI: 10.1016 / j.ultsonch.2018.01.013
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Чжан Ю., Тянь Ю., Чжан З., и Лин, С. (2018). Экспериментально-численное исследование кавитирующего потока с отсосом в смесительном реакторе для очистки воды. Chem. Англ. J. 353, 796–804. DOI: 10.1016 / j.cej.2018.07.183
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Зелински М., Дебовски М., Киселевска М., Новицка А., Рокицка М. и Шварц К. (2019). Стратегии предварительной обработки на основе кавитации для увеличения производства биогаза на небольшой сельскохозяйственной биогазовой установке. Energy Sust. Dev .49, 21–26. DOI: 10.1016 / j.esd.2018.12.007
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Zupanc, M., Kosjek, T., Petkovšek, M., Dular, M., Kompare, B., Širok, B., et al. (2014). Гидродинамическая кавитация, вызванная сдвигом, как инструмент удаления фармацевтических микрозагрязнителей из городских сточных вод. Ультрасон. Sonochem. 21, 1213–1221. DOI: 10.1016 / j.ultsonch.2013.10.025
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Эффективная и действенная модель ближнепольного гидродинамического взаимодействия для активных суспензий бактерий
Значение
Активные суспензии микропловцов демонстрируют новые эмерджентные формы поведения (самоорганизация, активная турбулентность и т. Д.)) на макроскопических масштабах длины. Для таких систем, как минимум, с тысячами микропловцов, прямое численное моделирование гидродинамических взаимодействий невозможно с вычислительной точки зрения, и необходимы сокращенные модели. Мы продемонстрировали, что существующие модели не могут удовлетворительно описывать гидродинамические взаимодействия для микропловцов в непосредственной близости даже с качественно ошибочными прогнозами, что указывает на острую необходимость в адекватной модели. Мы предлагаем модель, которая является как физически эффективной, так и вычислительно эффективной для описания такой гидродинамики.Основное новшество нашей модели — это описание гидродинамических взаимодействий с помощью тензора сопротивления, в отличие от эффективного стерического взаимодействия в существующих моделях.
Abstract
Гидродинамические взаимодействия в ближней зоне в активных жидкостях необходимы для определения многих наблюдаемых важных эмерджентных поведений, но пока не были успешно смоделированы. В этой работе мы предлагаем эффективную модель, отражающую сущность ближнепольных гидродинамических взаимодействий через тензорный коэффициент сопротивления, подтвержденный численно с помощью педагогической модельной системы, состоящей из бактерии Escherichia coli и пассивной сферы.В критическом тестовом примере, который исследует угол рассеяния пары бактерия-сфера, мы доказываем, что гидродинамика ближнего поля может иметь качественное значение даже для этой простой системы двух тел: расчеты, основанные на предлагаемой модели, показывают область в пространство параметров, в котором бактерия захвачена пассивной сферой, явление, которое регулярно наблюдается в экспериментах, но не может быть объяснено ни одной существующей моделью. В конце концов, мы демонстрируем, что наша модель также приводит к эффективному моделированию активных жидкостей с десятками тысяч бактерий, достаточно крупными для исследования многих возникающих форм поведения.
Плотные взвеси микроорганизмов, плавающих в сложных средах, широко распространены в природе. Гидродинамические взаимодействия (HI) между многими тысячами микроорганизмов и окружающей их границей приводят к появлению новых форм поведения на макроскопических масштабах длины, например, самоорганизации (1⇓ – 3), активной турбулентности (4, 5) и бактериального “поведения”. сверхтекучая »(6, 7). Такое поведение не только важно для фундаментальных биопроцессов [например, перенос жидкости в бактериальных колониях (8)], но также имеет практическое значение [e.ж., дизайн микрофлюидных структур (9) и искусственных микропловцов (10, 11) для достижения желаемых транспортных свойств]. Чтобы понять это крупномасштабное поведение в активных суспензиях, важно иметь простую модель, которая способна описывать HI в ближней зоне как с физической эффективностью, так и с вычислительной эффективностью, поскольку пренебрежение HI в ближней зоне, как известно, приводит к ошибочным динамическое поведение и структуры системы (12, 13), а точное описание ближнего поля HI прямыми численными расчетами ограничено системами нескольких тел из-за вычислительной сложности (14, 15).Однако, несмотря на ее фундаментальную важность, создание такой модели ближнего поля HI является давней проблемой и является предметом настоящей работы.
Для системы, состоящей всего из нескольких микроорганизмов, HI может быть оценен численно с произвольной точностью методом грубой силы [например, методом Стокслеца (14) или методом граничных элементов (15)]. В этих исследованиях показано, что при обработке бактерии Escherichia coli как совокупности одной головки и спиральных жгутиков с нескользящей границей (рис.1 A ), HI в пределе ближнего поля важен для динамического поведения бактерий (16). Однако для больших суспензий с десятками тысяч микроорганизмов вычислительная сложность для точного описания HI для пловцов (размером в микрометры) в сценарии почти касания (расстояние до поверхности около 10 нм) делает такие методы грубой силы невозможными в обозримом будущем. Требуется простая модель HI, которая обеспечивает явную функциональную форму для любой данной конфигурации пловца.
Рис. 1.Исследуемая система. ( A ) Наша модель E. coli. ( B ) Распределение бактериального стресса описывается двумя точечными силами (Fh = Feff для головы и Ft = -Feff для хвостов), разделенных l. Движущая сила, возникающая при вращении хвостов, — это Факт. ( C ) Наша педагогическая система из одной бактерии (красный) и одной пассивной сферы (синий).
Здесь стоит отметить, что модель микроорганизмов (которая описывает внутренние поверхностные свойства микроорганизма, например.например, модель сквирмера жесткой сферической клетки с заданной поверхностной скоростью, которая имитирует сферические инфузории) не следует ошибочно принимать за то, что мы сфокусировали здесь на модели HI (которая обобщает поведение распределения напряжения на поверхности микроорганизма как функцию конфигурации). Хорошим примером последнего является дипольная модель, которая рассматривает распределение напряжения одной бактерии как силовой диполь (17, 18). Эта простая модель успешно предсказывает усиленную диффузию индикаторных частиц (19, 20), но точна только для дальнего поля и требует размера отсечки, чтобы избежать нефизической расходимости в месте расположения силового диполя.
Для бактерий E. coli более реалистичная модель рассматривает каждую бактерию как две гранулы, соединенные жестким стержнем, и моделирует распределение напряжений как две точечные силы, расположенные в центрах этих двух гранул, разделенных длиной l (рис.1 В ). В этой модели с двумя бусинами хвостовая бусина приводится в движение силой Fact, обеспечиваемой жгутиками, которые не рассматриваются явно. Затем, в соответствии с балансом сил на каждом валике, силы, действующие на жидкость, равны просто Feff и -Feff для головного и хвостового валиков соответственно.Модели этого типа применялись как для толкателей, так и для съемников (21) в различных исследованиях, в том числе о движении бактерий у плоской стенки (22), двух гидродинамически взаимодействующих бактериях (23, 24) и коллективных движениях в суспензии (25). . Однако в пределе ближнего поля распределение напряжений на бактериальных поверхностях изменяется настолько резко, что использование двух сил фиксированной точки становится чрезмерным упрощением, неспособным уловить суть HI. Настаивание на использовании такого упрощения приводит к серьезным нефизическим последствиям, например, инвариант Feff по отношению к неактивным бактериям и инвариант vbac (скорость самоплавания бактерий), не зависящий от окружающей среды (21, 25), что неизбежно приводит к искусственному перекрывается между бактериями.Чтобы решить проблему катастрофического перекрытия, характерную для этого типа модели, обычно используется один метод грубой силы, заключающийся в том, чтобы ввести отталкивающее стерическое взаимодействие. Но использование эффективного отталкивания вместо гидродинамики ближнего поля приводит к ошибочным прогнозам как в индивидуальном плавательном движении (например, неверная оценка Feff и нереалистично быстрое разделение для пар бактерий в непосредственной близости), так и в макроскопических структурах [таких как кластеризация ( 13)].
HI ближнего поля между двумя микроорганизмами также было смоделировано для эукариот, которые упрощены как сквирмеры (26).Тем не менее, исследование сильно ограничено из-за использования идеальных предположений о сферической форме и заданной скорости поверхности, которая не зависит от конфигурации (27). В то время как первое предположение делает сквирмер неспособным реагировать на локальную деформацию внешнего потока, последнее предположение качественно несовместимо с экспериментальными наблюдениями (28) и приводит к выходу нефизической работы, которая расходится при нулевом расстоянии от поверхности (26).
В этой работе мы исследуем ключевые компоненты существующей модели с двумя шариками, на основе которых мы можем построить нашу модель, а также недостатки существующей модели с двумя шариками, которые необходимо исправить.Поскольку характерный размер и скорость большинства бактерий в воде составляют около 1 мкм и 10 мкм / с соответственно, соответствующее число Рейнольдса очень низкое (от 10-5 до 10-2). Поэтому бактериальные потоки обычно изучаются приближенно с помощью линейного уравнения Стокса. Используя линейность основного уравнения Стокса, проблема HI для многих тел может быть сведена к педагогической задаче HI между одной пассивной сферой и одной бактерией (26, 29). В частности, педагогическая система, представленная в этом исследовании, состоит из одной свободной пассивной сферы с радиусом Rs и E.coli — образная бактерия с фиксированной скоростью вращения бактериального мотора ω0 (30), обе погружены в жидкость с вязкостью μ (рис. 1 C ). Бактерия моделируется как совокупность сферической головы диаметром σ, определяемого как единичная длина, и двух спиральных жгутиков с зазором δ между ними для обеспечения вычислительной стабильности. Затем HI количественно оцениваются путем решения линейного уравнения Стокса с граничными условиями прилипания на поверхностях пассивной сферы и бактерии в конфигурациях, определяемых расстоянием от поверхности d, углом входа θ (отрицательный θ соответствует «носу вниз. ”Ситуация с бактерией, движущейся к пассивной сфере) и Rs, как показано на рис.1 С . Уравнение Стокса с движущимися границами может быть решено обычным образом с использованием численного метода Стокслеца (14, 31), где граничные поверхности разделены на большое количество небольших областей, а напряжение, распределенное на каждой области, затем аппроксимируется точечной силой . Этот метод основан на том факте, что ползущий поток u в точке r ′ из-за каждой точечной силы f в точке r0 аналитически доступен как u (r ′) = G (r ′, r0) F (r0), [1] где G является фундаментальным решением линейного уравнения Стокса и называется стокслетом.Стокслет в трех измерениях проявляется в тензорной форме Gij (r ′, r0) = (1 / 8πμ) (δij / r + rirj / r3), где r≡ | r | ≡ | r′ − r0 |. Тогда решение всего поля потока является суммой всех потоков, каждый из которых создается одной из этих точечных сил.
Зависимость мгновенной скорости пассивной сферы | vs | от расстояния до поверхности d при нескольких типичных углах падения θ и радиусах сферы Rs показана на рис. 2 A . При больших d | vs | всегда убывает как d − 2, независимо от θ и Rs. Этот степенной спад согласуется с предыдущими экспериментальными наблюдениями (18), а также с предсказаниями дипольной модели (19).При промежуточном d | vs | ведет себя качественно иначе, чем предсказывает диполь; например, при Rs = 50 немонотонное поведение | vs | наблюдается.
Рис. 2.( A ) | vs | как функция от d для нескольких типичных θ и Rs, полученных с помощью метода Стокслеца (символы), дипольной модели (штрихпунктирные линии) и модели с двумя шариками (сплошные линии). ( B ) Местоположение точечной силы, моделирующей хвост, получено путем аппроксимации наших численных результатов. Две красные точки на вставке показывают расположение двух точечных сил.Различные символы и цвета в B представляют разные виды в SI Приложение , Таблица S1. Штрихпунктирной линией обозначено расположение геометрического центра хвостов.
Чтобы объяснить | vs | на промежуточном этапе d мы следуем существующей модели с двумя шариками, рассматривая бактерию как две точечные силы. Для этого мы складываем все точечные силы, действующие на голову (хвост) бактерии, как получено методом Стокслетса, и помещаем сумму Feff = ∑n = 1NheadFn (−Feff для хвоста, как диктуется условием отсутствия сил) в rh ( rt), геометрический центр головы (хвоста).Под действием этих двух точечных сил, разделенных l (рис. 1 B ), движение пассивной сферы подчиняется закону Факсена, vs = 1 + Rs26∇2u (r) | r = r0, [2] где r0 — расположение сферического центра, а u (r) — поток, создаваемый двумя точечными силами. Используя Feff и фиксированные положения точечных сил в качестве входных данных, предсказания vs, полученные из уравнения. 2 очень хорошо согласуются с нашими численными результатами по методу Стокслеца как при больших, так и при промежуточных d (рис.2 А ). Немонотонное поведение, наблюдаемое для больших пассивных сфер, связано с конкуренцией между Rs и характерной длиной градиента потока, определяемой l.
Вышеупомянутое количественное согласие относительно vs поддерживает ключевой компонент существующей модели с двумя шариками, которая рассматривает расположение двух точечных сил как внутренние свойства бактерий. Правильность этой обработки может быть дополнительно продемонстрирована с использованием бактерий с различными формами хвоста, характеризующимися следующими параметрами: длина спирали Ltail, радиус спирали Rtail и количество шагов спирали Np (конкретные варианты этих параметров доступны в Приложении SI , Таблица S1).Для каждой конкретной формы бактерии, используя метод Стокслета, мы снова вычисляем распределение напряжения fn на бактериальной поверхности и движение пассивной сферы vs во многих различных конфигурациях, определяемых d, θ и Rs. Для каждой конфигурации мы снова поместим Feff = ∑n = 1NheadFn в rh, геометрический центр головки, и поместим −Feff в положение на продольной оси, удаленное от rh на l (рис.2 B , Вставка ). Затем, согласно формуле. 2 , l можно рассматривать как свободный параметр и получать путем подгонки численно полученных значений vs для всех конфигураций.Результат подгонки для каждой конкретной формы бактерии проиллюстрирован на рис.2 B , где расположение -Feff для каждой формы бактерии очень близко к rt, геометрическому центру хвостов (штрихпунктирная линия на рис. B ), что подтверждает наш аргумент о том, что расположение двух точечных сил является внутренними свойствами бактерий.
Однако, в отличие от предсказаний существующей модели с двумя шариками (21, 25), что движение бактерий vbac и сила Feff являются инвариантными, когда бактерия плавает среди пассивных объектов, наши численные результаты показывают обратное.Это качественное различие лучше всего можно проиллюстрировать на рис. 3 A , где мы показываем | vbac | и | Feff | (Рис. 3 A , Вставка ) как функции от d при θ = −π / 2 (бактерия движется к центру пассивной сферы) для двух типичных радиусов сферы Rs = 1 и Rs = 100, соответственно . При d≫1 влиянием пассивной сферы на бактерию можно пренебречь, так что | vbac | и | Feff | сводятся к их соответствию для одиночной бактерии: vbac0 и Feff0 соответственно.При меньшем d мы видим значительное уменьшение скорости плавания бактерий с vbac0 до | vbac | (d = 0,1) ≈0,3vbac0 в системе с Rs = 100, предположительно из-за увеличения эффективного сопротивления, ощущаемого бактерией. В том же режиме малых d мы видим, что | Feff | заметно возрастает от Feff0.
Рис. 3. Зависящие от конфигурации vbac и Feff. ( A ) Прогнозы нашей модели, основанные на формуле. 3 (сплошные линии) и численные результаты метода Стокслета (символы) для | vbac | и | Feff | ( Вставка ), где Rs = 1 (черный) и Rs = 100 (красный).( B ) Все числовые данные, полученные с помощью метода Стокслета (символы), схлопываются на эталонную кривую, как предсказано уравнением. 4 (сплошная линия). Заштрихованная область представляет k (x − x0) Мы предполагаем, что ключом к наблюдаемой сильной зависимости vbac и Feff от расстояния до поверхности d является ближнее поле HI между бактерией и сферой, которое можно количественно смоделировать с помощью тензора сопротивления ξ, определяемого как inFhFsFtTh = ξ⋅ vhvsvt − v0Ωbac с ξ = ξhhξhsξht0ξshξssξst0ξthξtsξtt0ξhhTUξhsTU0ξhhTΩ, [3] где Fh = Feff, Ft = −Feff и Fs = 0 — силы, действующие со стороны головы, сферы и хвостов бактерии соответственно; Th≡Feff × rh − rt — крутящий момент, создаваемый головкой бактерии; vh, vt и vs — скорости головы, хвоста и пассивной сферы бактерии соответственно; Ωbac≡rh − rt × vh − vt / l2 — вращение бактерии вокруг своего центра масс; и v0≡ξtt − 1⋅Fact (подробности вывода см. в Приложении SI ).Последняя строка уравнения. 3 , ξhhTU⋅vh + ξhsTU⋅vs + ξhhTΩ⋅Ωbac = Feff × rh − rt, это просто условие баланса крутящего момента, ранее полученное (32), которое является тривиальным для одномерной задачи (например, бактерия движется в центр пассивной сферы), но становится нетривиальным при сильном вращательном движении. Так как жгутики хвоста очень тонкие (∼10 нм) по сравнению с головой (∼1 мкм), в простейшем рассмотрении мы можем предположить, что хвосты не так подвержены влиянию ближнего поля HI.То есть сила Fact, возникающая при вращении хвостов вокруг продольного направления, не зависит от конфигурации, и члены в ξ, включающие хвосты, сохраняют свои значения в дальней зоне. Тогда ближнее поле HI появляется только в тензорных элементах ξhh, ξhs, ξss, ξhhTU, ξhsTU и ξhhTΩ, и мы можем решить Feff и vbac как функции от Fact и ξ. В пределе d → 0 теория смазки показывает, что все эти релевантные тензорные элементы могут быть записаны как аналитические функции только одного параметра, безразмерного расстояния до поверхности 2d / (0.5 + рупий) (33). Для упрощения нашей модели при конечном d мы записываем эти тензорные элементы, экстраполируя аналитические формы смазки относительно одного параметра 2d / (0,5 + Rs). Таким образом, используя Fact, ξ и фиксированные положения двух точечных сил в качестве входных данных, мы можем решить уравнение. 3 для Feff и vbac. Как показано на рис. 3 A , наша модель улавливает HI в ближнем поле, воспроизводя замедление бактерии, когда она закрывается в пассивной сфере при θ = −π / 2, для двух типичных радиусов, Rs = 1 и Rs = 100.В частности, предсказания нашей модели для Feff и vbac показывают количественное согласие с численными результатами метода Стокслеца во всех диапазонах d. Что еще более важно, наша модель естественным образом исправила катастрофическую проблему перекрытия в существующей модели с двумя шариками: в пределе d → 0 члены тензора сопротивления, которые соответствуют относительному движению между головкой бактерии и пассивной сферой, расходятся, приводя к к бесконечно малому относительному движению (33). Ниже мы проверяем, может ли предложенная идея моделирования ближнего поля HI полностью с помощью тензора сопротивления быть применена к более общим системам, где аналитическая форма может быть недоступна.Используя, опять же, приближение, что жгутики хвоста являются тонкими (так что Fact является константой, а члены в ξtt являются константами и намного больше, чем члены в ξst), можно показать, что уравнение. 3 приводит к общей линейной связи между Feff и vbac независимо от формы бактериальной головы и пассивного объекта (см. SI Приложение для получения): | vbac | vbac0 = k × | Feff | Feff0 − x0, [ 4], где наклон k = (Feff0 / Feff0-Fact) и точка пересечения x0 = Fact / Feff0 являются внутренними свойствами бактерий.Как показано на рис. 3 B , эта типичная линейная зависимость строго поддерживается свертыванием всех данных, полученных с помощью метода Стокслетса, на прогнозируемую прямую линию по сравнению с прогнозируемым коллапсом на единственную точку | vbac | / vbac0 = | Feff | / Feff0 = 1 по существующей двухбусинной модели. Хотя наши расчеты показывают, что упрощенное рассмотрение факта как константы отвечает за отклонения между предсказанной прямой и нашими числовыми данными, эти отклонения малы, что подтверждает наш аргумент о том, что изменение факта не является существенным для нашей простой модели.Качественное соответствие между нашей предсказанной линейной зависимостью и численными данными показывает, что качественного описания тензора сопротивления может быть достаточно для улавливания сути ближнего поля HI, и поэтому оно применимо к более общим системам с бактериальной головкой произвольной формы. Далее мы покажем, что наша эффективная модель ближнего поля HI важна для получения правильного динамического поведения бактерий посредством исследования угла рассеяния в динамике пары бактерия-сфера.Рассматривая свободную пассивную сферу в начале координат и бактерию при x = −∞ и y = b, движущуюся в направлении + x, мы исследовали зависимость угла рассеяния ψ от прицельного параметра b / Rs и отношения размеров бактерии и сферы l / Rs (рис.4 A ). Наша модель предсказывает, что существует критический размер пассивной сферы при наличии ближнего поля HI. Для сфер, превышающих этот критический размер, бактерия может быть захвачена пассивной сферой с орбитальным движением (рис. 4 B ), которое может быть связано с устойчивой фиксированной точкой на двумерной фазовой плоскости, определяемой d и θ (рис.4 D ). Этот захват бактерий также получают численно с использованием метода Стокслеца ( SI Приложение , рис. S2) и регулярно наблюдают в экспериментах (32, 34). Напротив, такой захват не может быть воспроизведен существующими моделями, которые используют отталкивающее стерическое взаимодействие вместо нашего тензорного описания ближнего поля HI, независимо от конкретной формы, выбранной для стерического отталкивания (рис. 4 C и F. ). Приведенные выше численные результаты показывают, что тензор сопротивления отражает суть ближнего поля HI и не может быть заменен какими-либо эффективными стерическими взаимодействиями.Предыдущая модель также изучала захват численно (35), упрощая распределение бактериального стресса в виде силового диполя и оценивая его HI в ближнем поле с пассивной сферой с помощью метода изображений. Однако, поскольку поверхностное расстояние d становится очень малым во время захвата, дипольное приближение становится чрезмерным упрощением, недостаточным для описания распределения напряжений, поскольку члены более высокого порядка в мультипольном разложении также очень важны (36). Следовательно, в отличие от нашей модели, которая предсказывает устойчивую фиксированную точку, расчеты, основанные на предыдущей модели, показывают только одну седловую точку на фазовой плоскости (красный крест на рис.4 E ). И кажущаяся ловушка, наблюдаемая в этой предыдущей работе, является просто нефизическим следствием искусственно наложенного условия минимального расстояния до поверхности (черный кружок на рис. 4 E ). Захват бактерий. ( A ) Установка для задачи рассеяния, где ψ положительно для вращения против часовой стрелки. Контурная карта ψ предсказывается нашей моделью ( B ) и существующей моделью с двумя шариками ( C ). Траектория бактерии (красная линия) на фазовой плоскости, определяемой d и θ, как предсказано нашей моделью ( D ), ( E ) более ранним исследованием с использованием изображения силового диполя и ( F ) существующая двухбусная модель.Более пристальный взгляд на траекторию в D показывает устойчивую фиксированную точку (красный квадрат). В E существует только седловая точка (красный крест), и захват искусственно получен с помощью липкого стерического взаимодействия при d = 0 (черный кружок). Помимо того, что наша модель ближнего поля HI с помощью тензора сопротивления является физически эффективной, она также позволяет эффективно моделировать большие бактериальные суспензии. Чтобы построить такой тензор сопротивления, мы следуем классическому моделированию стоксовой динамики (29), которое сводит задачу HI для многих тел к задаче HI для двух тел в двухэтапной процедуре, используя линейность уравнения Стокса.В частности, на первом этапе мы моделируем HI в пределе дальнего поля с помощью тензора большой подвижности M0, который может быть аналитически сконструирован попарно, вызывая привыкание, просто предполагая точечную силу в центре каждого шарика. На втором этапе получается тензор сопротивления, поскольку аналитические условия смазки для пар, близких к соприкосновению, ξ2b, включаются попарно аддитивным образом: ξ = M0−1 + ξ2b. В нашем моделировании мы реализуем решение линейного уравнения ξ⋅v = F, сначала преобразуя его в эквивалентную форму (I + M0⋅ξ2b) ⋅v = M0⋅F, а затем решая его с помощью общего метода минимальных невязок (GMRES ).Как показано на рис. 5 A , наша модель позволяет эффективно моделировать активные подвесы с N пловцами, оценивая HI за 10–100 с, где N = 1000 для ноутбука (Intel i5, память 8 ГБ), N = 3000 для настольного компьютера (Intel i9-9820X, 64 ГБ памяти) и N = 10000 для одного вычислительного узла (два чипа Intel Xeon E5-2680 v3, 256 ГБ памяти). Эти числа достаточно велики, чтобы исследовать существенное влияние HI в ближней зоне на многие эмерджентные поведения, отображаемые в активных жидкостях, как показано в предыдущих исследованиях с моделями, которые не могут уловить HI в ближней зоне [e.g., N = 2,500 при изучении гидродинамической неустойчивости (5), N = 1000 при изучении эффекта удержания (25) и N = 200 при изучении возникновения организаций (1)]. Снимок поля потока из нашего моделирования с N = 1000 проиллюстрирован (рис. 5 B ), который воспроизводит вихревые структуры, которые наблюдались в более ранних работах по моделированию (25). Стоит отметить, что без простой модели точное описание ближнего поля HI даже для небольшой системы с N = 10 с помощью метода Стокслета требует нескольких дней вычислений.Прямое численное моделирование [например, динамика столкновений множества частиц (37, 38), метод решетчатого Больцмана (39) или метод гладкого профиля (40)] альтернативно оценивает HI путем явного расчета движения растворителя. Однако для разрешения HI ближнего поля требуются передовые методы, такие как уточнение сетки, что приводит к дорогостоящим вычислениям, поскольку временной шаг моделирования линейно масштабируется с наименьшим размером сетки. Даже при использовании стерического отталкивания, которое позволяет избежать надлежащей обработки HI в пределе ближнего поля, это прямое численное моделирование обычно используется для небольших систем с N≈100. Эффективное моделирование бактериальных суспензий. ( A ) Время моделирования на шаг в зависимости от количества бактерий. ( B ) Снимок поля скорости. В текущем исследовании мы сохранили нашу модель на минимальном уровне, чтобы подчеркнуть суть HI в пределе ближнего поля. В принципе, описание ближнего поля HI тензором сопротивления настолько типично, что мы ожидаем, что модель будет широко применима. С умеренными модификациями, сохраняя при этом свою простоту, нашу модель можно обобщить на бактерии с несферическими клеточными телами, другие виды микропловцов и с другими граничными условиями ( SI Приложение , рис.S3 – S5). Кроме того, результаты нашего моделирования бактериальных суспензий продемонстрировали, что наша модель важна для понимания неравновесной физики в активных жидкостях: в тех же условиях наша модель HI с использованием тензора сопротивления приводит к качественно другому поведению кластеризации по сравнению с моделью, полученной из существующая модель с двумя шариками плюс стерическое отталкивание ( SI Приложение , рис. S6). В заключение, мы предложили строгую модель ближнего поля HI, которая является как физически эффективной, так и вычислительно эффективной.По сравнению с методом Стокслетса, который считается золотым стандартом при решении потоков Стокса, наша модель показывает одинаковую точность как в ближнем, так и в дальнем поле, но значительно снижает вычислительную нагрузку, так что HI тысяч бактерий теперь может быть оценен с помощью ПК за секунды. В действительности другие типы взаимодействий (например, стерическое отталкивание и электростатическое взаимодействие) существуют в активных жидкостях и могут иметь важное значение. Наша текущая работа указывает на то, что HI можно полностью описать тензором сопротивления диссипативной природы, так что он принципиально отличается от взаимодействий консервативной природы: нельзя использовать взаимодействия консервативной природы вместо HI, и наоборот.Это фундаментальное различие оправдывает предыдущие исследования, в которых моделирование небольших неравновесных суспензий (N≈100) продемонстрировало, что использование стерического отталкивания вместо тензора сопротивления приводит к качественно ошибочным предсказаниям как в отношении динамического поведения системы, так и структуры (12, 13). Предыдущие моделирования бактериальных суспензий с аналогичной тактикой использования стерического отталкивания, чтобы избежать надлежащей обработки HI в пределе ближнего поля, все подвержены аналогичным вычислительным артефактам. Все данные исследования включены в статью и SI Приложение . Мы благодарим H. Chate, L. S. Luo и Z. G. Wang за полезные обсуждения. Эта работа поддержана грантами 11974038, 11672029, U1930402 и 110 Национального фонда естественных наук Китая. Мы также признательны за вычислительную поддержку Пекинскому исследовательскому центру вычислительной науки. Журнал гидродинамики посвящен публикации оригинальных теоретических, вычислительных и экспериментальных материалов по всем аспектам гидродинамики. Он охватывает достижения в области военно-морской архитектуры и океанической инженерии, морской и океанской инженерии, экологической инженерии, водного хозяйства и гидроэнергетики, исследования энергии, химической инженерии, биологической и биомедицинской инженерии и т. Д. . Примечание. Это третьих из четырех постов, посвященных анализу FY 2012 Stewardship and Management Plan , каждый из которых совместно подготовлен Федерацией американских ученых и Союзом обеспокоенных ученых. См. Предыдущие сообщения: 1, 2, 4. С 1950-х годов характеристики ядерных боеголовок США были успешно подтверждены с помощью широкого спектра имитационных экспериментов, таких как сжатие делящегося материала в гидродинамических испытаниях.И по мере того как запасы стареют, « и варианты модернизации становятся более сложными», — говорится в Плане управления запасами и управления запасами (SSMP), — «подкритические эксперименты, включающие специальный ядерный материал, станут более важными» (курсив добавлен). (Под специальным ядерным материалом понимается высокообогащенный уран и плутоний, которые являются ключевыми компонентами ядерного оружия.) SSMP и другие документы описывают интерес к типу гидродинамических испытаний, называемых «масштабными экспериментами», в которых используются более специальные ядерные материалы и которые больше напоминают настоящие конструкции боеголовок.Общественное оправдание состоит в том, чтобы «повысить уверенность в прогностических возможностях и помочь в проверке кодов моделирования», но отчасти причина также в том, что эти коды станут менее надежными, если NNSA изменит конструкцию боеголовок, добавив новые функции безопасности во время программ продления срока службы. . Гидродинамические эксперименты Каждый год в США проводятся «гидродинамические» эксперименты, имитирующие первые стадии ядерного взрыва. При испытаниях используются обычные взрывчатые вещества для изучения воздействия взрыва на конкретные материалы.Термин «гидродинамический» используется потому, что материал сжимается и нагревается с такой интенсивностью, что он начинает течь и перемешиваться, как жидкость, а «уравнения гидродинамики» используются для описания поведения жидкостей. В одном из типов гидродинамических испытаний исследователи создают полномасштабную первичную обмотку — первую ступень современного ядерного оружия, — но плутоний заменяют металлом, имеющим такую же плотность и вес, но не расщепляющимся. Затем устройство запускается, показывая информацию о поведении конструкции от фугасного взрыва до начала ядерной цепной реакции. . Комплексные эксперименты с оружием (IWE) используют грубое приближение к реальной конфигурации боеголовки военного резерва за вычетом специального ядерного материала. Они могут ответить на множество вопросов, связанных с производительностью, в одном тесте.IWE используются для проверки базовых моделей современного оружия (протестированных конструкций боеголовок) и являются наиболее полным инструментом для проверки компьютерных кодов, основанных на прошлых испытаниях ядерного оружия. Некоторые IWE включают «стержневые удары», в которых используется мощное оборудование для получения рентгеновских изображений, позволяющее сфотографировать внутреннюю часть ядерного оружия или его суррогатные компоненты. Другие представляют собой эксперименты с «штыревым выстрелом», в которых используются сотни оптоволоконных, электрических или других типов «штырей», исходящих из центра, для определения характеристик плутониевой ямы или суррогатной ямы при ее взрыве (см. Изображение).В 2007 году NNSA подсчитало, что для удовлетворения своих программных потребностей необходимо проводить около 10 IWE ежегодно. Однако в то время часть его программы включала разработку надежной заменяемой боеголовки, которую Конгресс отменил в 2008 году. Целенаправленные эксперименты (FE) — это меньшие по размеру и менее дорогостоящие эксперименты, чем IWE, и они используются для изучения и выявления проблем, связанных с конкретными компонентами или материалами, используемыми в ядерном оружии. КЭ можно использовать для проверки компьютерных кодов и помощи в разработке расширенной диагностики.В 2007 году NNSA подсчитало, что для удовлетворения своих программных потребностей ежегодно требуется около 50 целенаправленных экспериментов. Когда IWE, FE или маломасштабные эксперименты включают использование специального ядерного материала, обычно плутония, они называются «подкритическими» испытаниями. «Докритический» относится к тому факту, что количество используемого специального ядерного материала недостаточно для инициирования цепной реакции. Эти испытания проводятся на подземном объекте U1a в Неваде. По данным лабораторий ядерного оружия, гидродинамические испытания «предоставляют важные данные в разработках и модификациях единиц оружия; такие как программы продления жизни »(выделено автором). Масштабные эксперименты SSMP на 2012 финансовый год относится к так называемым «масштабным экспериментам» как части программы гидродинамических испытаний. В более старых документах NNSA описывает масштабные эксперименты как взрывы «первичной обмотки с использованием Pu-239, которая достаточно мала (масштабирована), так что она остается докритической, а рентгенографию пуансона активной зоны можно использовать для подтверждения моделирования формы его газовой полости». К сожалению, NNSA не описывает масштабные эксперименты в своих более поздних документах или почему они необходимы, кроме как отмечает, что они «могут улучшить предсказательную способность численных расчетов, предоставляя данные о поведении плутония при сжатии бризантными взрывчатыми веществами.»(SSMP на 2012 финансовый год, стр. 62) Насколько мы можем оценить, масштабные эксперименты представляют собой подкритические гидродинамические испытания с пробивным ядром, разработанные для проведения экспериментов в геометрии имплозии, которая по существу идентична реальной конструкции боеголовки, но уменьшена в размерах. Вместо полномасштабной боеголовки, в которой плутоний заменен другим материалом, создается модель в масштабе от одной трети до половины, в которой действительно используется плутоний. При половинном масштабе требуется только одна восьмая часть плутония в реальной боеголовке.Меньшее количество плутония удерживает взрыв от начала ядерной цепной реакции. В конце концов, NNSA хочет провести масштабные эксперименты почти до трех четвертей (0,7) размера полной первичной. Некоторые должностные лица NNSA утверждают, что в 2005 году провели масштабный эксперимент, и это утверждение оспаривается другими, в том числе администратором Томом Д’Агостино. В некоторых недавних гидродинамических экспериментах использовались масштабные технологии. Например, с 2008 года Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса провела несколько экспериментов по изучению размера, при котором обычные фугасные ускорители могут воспламенить основное обычное фугасное взрывчатое вещество, сжимающее плутоний.В экспериментах использовались полумасштабные первичные компоненты IWE, чтобы лучше понять, как работает повышение мощности боеголовки, когда газовая полость сжимается во время имплозии. Одно интересное замечание: толчок к масштабным экспериментам исходит от официальных лиц NNSA, а не от лабораторий ядерного оружия. Лаборатории сопротивлялись, потому что они перегружены все более амбициозными программами продления жизни. Представители NNSA заявляют, что масштабные эксперименты могут дать в десять раз больше точек данных и сэкономить деньги, потому что один крупномасштабный эксперимент может заменить двадцать меньших гидродинамических экспериментов, проводимых сегодня.Ученые лаборатории утверждают, что масштабные эксперименты потребуют крупных инвестиций в новое оборудование, которые в настоящее время не планируются. В настоящее время U1a в Неваде, по-видимому, не имеет диагностического оборудования, необходимого для сбора дополнительных данных, полученных в результате масштабных экспериментов. О масштабных экспериментах мало дополнительной информации, но может появиться больше, по крайней мере, в закрытых условиях. Конгресс попросил группу независимых технических экспертов JASON провести исследование для оценки преимуществ этих экспериментов.И NNSA также проводит обзор, чтобы лучше определить, чего оно хочет от этих (и других) тестов. Но буквально на прошлой неделе подкомитет Сената по ассигнованиям на энергию и воду запретил финансирование масштабных экспериментов, заявив, что они «могут не понадобиться для ежегодной оценки текущих запасов» и «могут помешать достижению целей и графика обзора ядерной политики». Присваиватели приказали NNSA дождаться результатов исследования JASON и, если агентство хочет двигаться вперед, «представить план, объясняющий научную ценность масштабных экспериментов для управления запасами и достижения целей Nuclear Posture Review. Доступность данных
Благодарности
Журнал гидродинамики | Дом
Информация журнала
Показатели журнала
Общества, партнеры и филиалы
Не в масштабе — Федерация американских ученых
Нажмите на изображение, чтобы загрузить документ.
Николас Рот, Ханс М. Кристенсен и Стивен Янг Гидродинамическое испытание конструкции боеголовки W76 проводится на установке Dual-Axis Radiographic Hydrodynamic Test (DARHT) в Национальной лаборатории Лос-Аламоса в 2005 году.
Гидродинамические испытания с использованием небольших количеств плутония проводятся под землей на объекте U1a на объекте национальной безопасности штата Невада (NNSS, бывший испытательный полигон в Неваде), в то время как другие с использованием суррогатных материалов проводятся на объекте Dual-Axis Radiographic Hydrodynamic Test (DARHT) по адресу: Лос-Аламосская национальная лаборатория в Нью-Мексико и огневой комплекс в Зоне 300 Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии.Тесты сильно различаются по масштабу и целям (и есть некоторое совпадение), но делятся на две общие категории: интегрированные эксперименты с оружием (IWE) и сфокусированные эксперименты (FE). Модель штифтового гидродинамического эксперимента.
