Аметистов Е.В., Дмитриев А.С.
Монодисперсные системы и технологии

Аметистов Е.В., Дмитриев А.С. Монодисперсные системы и технологии. - М.: Издательство МЭИ, 2002 - 392 с.: ил.

Монография посвящена обобщению основных результатов, полученных за последние годы в области исследования монодисперсных систем и технологий. Приведен обзор фундаментальных и прикладных работ в области генерации, распространения, взаимодействия с внешними полями и средами потоков монодисперсных микросфер, а также анализ новых технологий с применением монодисперсных систем. Помимо этого содержится описание оригинальных исследований в области монодисперсных систем и технологий, проведенных в последние годы в Центре высоких технологий Московского энергетического института. Для специалистов в области гидродинамики, теплофизики, физикохимии дисперсных систем и технологий, а также для аспирантов и студентов соответствующих специальностей.

Информация об авторах: Аметистов Е.В., д.т.н, профессор, член-корреспондент РАН;
Дмитриев А.С., д.т.н., профессор

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие
Введение
Часть 1. МОНОДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ
Глава 1. Физические основы монодиспергирования вещества
1.1. Получение вещества в монодисперсном состоянии
1.1.1. Различные методы получения монодисперсных микросфер
1.1.2. Вынужденный капиллярный распад струй и потоки монодисперсных микросфер
1.2. Состояние вопроса: капиллярная гидродинамика и особенности капиллярного распада жидких струй
1.2.1. Диспергирование жидкостей: различные механизмы распада ограниченных объемов жидкостей
1.2.2. Капиллярный распад и вынужденный капиллярный распад струй (исторические замечания)
1.3. Обзор основных исследований
1.3.1. Капиллярная неустойчивость струй
1.3.2. Формирование монодисперсных потоков капель
1.3.3. Капиллярная неустойчивость струй в электрическом и магнитном полях
1.3.4. Капиллярный распад жидкометаллических струй в окислительной атмосфере
Глава 2. Термогидродинамика генерации капель при вынужденном капиллярном распаде струй
2.1. Теория капиллярной неустойчивости струй в конвективном приближении (квазиодномерная модель капиллярного распада)
2.1.1. Основные уравнения
2.1.2. Основные уравнения с учетом случайного шума
2.1.3. Начальные условия при вынужденном капиллярном распаде
2.1.4. Конвективная капиллярная неустойчивость струи
2.2. Построение нелинейных решений уравнений квазиодномерного приближения для вынужденного капиллярного распада струй идеальной жидкости
2.2.1. Метод построения нелинейных решений уравнений квазиодномерного приближения
2.2.2. Результаты расчета нелинейной стадии капиллярного распада струи
2.2.3. Приближение малых начальных возмущений
2.3. Влияние внутреннего и внешнего шума на генерацию потоков капель при ВКРС
2.4. Вынужденный капиллярный распад струй вязкой жидкости
2.5. Нелинейная эволюция гармоник и динамика образования сателлитов при сложном возбуждении
2.6. Моделирование вынужденного капиллярного распада струй стохастическим начальным возбуждением
2.6.1. Модель стохастического капиллярного распада тонких струй
2.6.2. Результаты стохастической модели и сравнение с экспериментом
Глава 3. Особые случаи капиллярного распада струй жидкостей и генерации капель
3.1. Динамическое поверхностное натяжение и его влияние на эволюцию поверхностей струй при капиллярном распаде
3.2. Капиллярная неустойчивость струй жидкости в условиях теплообмена с окружающей средой
3.2.1. Влияние теплообмена на капиллярную неустойчивость
3.2.2. Приближение больших чисел Пекле (Ре >> 1)
3.2.3. Приближение малых чисел Пекле (Ре < 1)
3.2.4. Капиллярный распад тонких сильновязких струй в условиях теплообмена с окружающей средой
3.3. Вынужденный капиллярный распад жидкометаллических струй с окисляющейся поверхностью
3.3.1. Особенности капиллярного распада жидкометаллических струй
3.3.2. Постановка задачи о ВКРС с окисляющейся поверхностью
3.3.3. Вынужденный капиллярный распад жидкометаллических окисляющихся струй
3.4. Капиллярный распад струй жидкости в условиях испарения
3.4.1. Основные экспериментальные результаты
3.4.2. Математическая модель капиллярного распада испаряющихся струй
3.5. Капиллярный распад в электрическом поле
3.5.1. Обзор исследований по капиллярному распаду заряженных струй и струй во внешнем электрическом поле
3.5.2. Диэлектрические капиллярные струи, заряженные в поле коронного разряда
3.5.3. Капиллярная неустойчивость диэлектрических струй, заряженных в поле коронного разряда
3.5.4. Сравнение с экспериментальными данными
3.6. Параметрические неустойчивости и механизмы параметрической стабилизации капиллярных струй
3.6.1. Особенности параметрического воздействия на поверхности со свободной границей
3.6.2. Параметрическая термокапиллярная стабилизация распада струй: теоретическая модель
3.6.3. Параметрическая стабилизация капиллярного распада струй: сравнение с экспериментальными результатами
Глава 4. Когерентные капельные потоки и монодисперсные структуры
4.1. Когерентные капельные патоки как новый тип макроскопической среды основные определения
4.1.1. Основные параметры капельной когерентной среды
4.1.2. Формирование когерентных капельных потоков: виды возбуждения капиллярного распада
4.1.3. Спонтанный, переходный и вынужденный капиллярные распады жидких струй
4.1.4. Капиллярная струя как усилитель, генератор и преобразователь начальных возмущений
4.2. Геометрические структуры, генезис и морфология когерентных капельных потоков
4.2.1. Генезис когерентной пелены и геометрические структуры
4.2.2. Динамика управления когерентностью пелены (экспериментальные результаты и анализ)
4.3. Степень монодисперсности когерентной капельной пелены и характеристики разброса основных параметров
4.3.1. Степень однородности параметров монодисперсных структур
4.3.2. Определение степени монодисперсности
4.4. Устойчивость когерентных монодисперсных структур
4.4.1. «Вязкая» неустойчивость когерентной капельной пелены
4.4.2. Неустойчивость когерентных потоков микросфер в градиенте концентрации
Глава 5. Гидродинамика и тепломассообмен потоков монодисперсных микросфер
5.1. Монодисперсные потоки микросфер в разреженном газе и вакууме
5.1.1. Числа Кнудсена, характерные времена, масштабы и процессы
5.1.2. Силы сопротивления, действующие на микросферы в разреженном газе
5.2. Монодисперсные потоки микросфер в плотном газе
5.2.1. Коэффициенты сопротивления микросфер и их потоков
5.2.2. Конвективная диффузия микросфер и их потоков
5.2.3. Конвективный теплообмен микросфер
5.3. Процессы испарения одиночных микросфер и их потоков
5.3.1. Испарение микросферы в вакуум или разреженный газ
5.3.2. Испарение одиночной микросферы (диффузионный режим)
5.3.3. Тепломассообмен при испарении системы монодисперсных микросфер
5.3.4. Устойчивость регулярных потоков микросфер в собственном паре и внешнем газе
5.4. Другие факторы внешней среды, влияющие на микросферы
5.4.1. Термофорез микросфер
5.4.2. Микросферы в плазме
5.5. Радиационный теплообмен в регулярной структуре микросфер
5.5.1. Особенности радиационного теплообмена
5.5.2. Размерные и селективные эффекты в тепловом излучении
5.5.3. Радиационный теплообмен потоков микросфер в вакууме
5.6. Взаимодействие потоков микросфер с подложками: гидродинамические и теплофизические аспекты
5.6.1. Взаимодействие капель с твердыми подложками
5.6.2. Взаимодействие капель с жидкостью
5.7. Особенности поведения окисляющихся капель металла
5.7.1. Анализ процессов при движении капель в охлаждающем газе
5.7.2. Окисление поверхности металла
5.7.3. Колебания окисляющихся капель
Глава 6. Монодисперсные микросферы во внешнем электромагнитном поле
6.1. Микросферы в электростатическом поле
6.1.1. Заряженные микросферы и их устойчивость, критерий Рэлея
6.1.2. Потоки заряженных монодисперсных микросфер
6.2. Микросферы во внешнем электромагнитном поле
6.2.1. Пондеромоторное воздействие лазерного излучения на микросферы
6.2.2. Нагрев макросфер электромагнитным излучением
Глава 7. Полые микросферы (микрокапсулы)
7.1. Применение полых микросфер (микрокапсул)
7.2. Особенности получения полых микросфер
7.2.1. Методы получения полых микросфер
7.2.2. Метод генерации полых микросфер на основе капиллярного распада струй: теоретический анализ
7.2.3. Формирование полых микросфер: экспериментальные исследования
7.3. Термогидродинамика полых микросфер
7.4. Полые микросферы в электромагнитном поле
7.5. Акустические поля и поведение полых микросфер
Часть 2. МОНОДИСПЕРСНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Глава 8. Основы создания монодисперсных технологий
8.1. Критерии монодисперсных технологий
8.2. Классификация монодисперсных технологий
Глава 9. Научное приборостроение
9.1. Калибровочные светорассеивающие частицы
9.2. Калибровочные частицы для тестирования фильтров
9.3. Дозаторы редких веществ
9.4. Устройства для сортировки и сепарации клеток
9.5. Криогенные ускорительные микросферические мишени
9.5.1. Математическая модель взаимодействия водородной микромишени с пучком протонов
9.5.2. Математическое моделирование процессов, происходящих при создании водородных мишеней
9.6. Генераторы монодисперсных капель для изучения процессов горения
9.7. Генераторы монодисперсных капель для изучения тепломассообмена
9.8. Исследование процессов взаимодействия капель и гранул с интенсивными источниками энергии
9.9. Монодисперсные технологии для исследования колебаний капель, их столкновений и устойчивости монодисперсных потоков
Глава 10. Новые материалы
10.1. Моногранулы из металлов и сплавов
10.2. Композиты на основе монодисперсных гранул
10.3. Проводящие клеи и пасты
10.4. Полые моногранулы из различных материалов
10.5. Металлополимерные монодисперсные гранулы
10.6. Криомонодисперсная технология: металлические и керамические микросферы с уникальными свойствами
10.7. Химические технологии и катализаторы
Глава 11. Энергетика и электроника
11.1. Термоядерные мишени (микросферы тяжелого водорода)
11.2. Капельная жидкометаллическая пелена для защиты первой стенки термоядерных реакторов
11.3. Полые микросферы для хранения сжиженных газов под давлением
11.4. Монодисперсные форсунки
11.5. Гранулированное ядерное топливо
11.6. Компактные градирни энергоустановок
11.7. Монодисперсные водоугольные капли
11.8. Полые микросферы в системах высокоэффективной тепловой изоляции
Глава 12. Биология, медицина и биотехнология
12.1. Микрокапсулирование лекарственных и витаминных препаратов
12.2. Микрокапсулирование вирусов и бактерий
12.3. Криоконсервация биологических материалов
12.4. Микродозаторы медицинских и биологических препаратов
12.5. Производство сухих гранулированных продуктов
12.6. Системы замораживания крови в моногранулах
Глава 3. Специальное машиностроение
13.1. Электрокаплеструйные маркирующие устройства
13.2. Системы автоматизированной монодисперсной пайки
13.3. Моногранулы для регенеративных теплообменников
13.4. Микросферы в подшипниках
13.5. Системы прецизионной дозировки вредных компонент
13.6. Новые технологии создания конструкций
Глава 14. Космические технологии
14.1. Капельные радиационные космические теплообменники
14.1.1. Общая концепция
14.1.2. Анализ существующих конструкций и их эффективности
14.1.3. Современные проблемы теплоотвода от космических аппаратов
14.2. Радиационные капельные теплообменники (РКТ): методы расчета и оптимизации
14.2.1. Принципы работы и схемы РКТ
14.2.2. Постановки основных задач
14.2.3. Гидродинамика формирования капельной пелены
14.2.4. Характеристики капельной пелены для РКТ
14.3. Космический радиационный капельный теплообменник: эксперименты в космосе
14.4. Перспективные монодисперсные космические технологии
14.4.1. Системы бесконтактной дозаправки космических аппаратов
14.4.2. Транспортировка материалов и компонент с малых планет и астероидов
14.4.3. Системы удаления вредных и радиоактивных отходов с земной орбиты с использованием монодисперсных ускоренных капельных потоков непосредственно на Солнце
14.4.4. Создание капельного зеркала, отражающего солнечное излучение, для освещения поверхности Земли
Список литературы

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящая монография посвящена обобщению основных результатов, полученных за последние годы в области исследования монодисперсных систем и технологий. Основная цель данного исследования - обзор фундаментальных и прикладных результатов в области генерации, распространения, взаимодействия с внешними полями и средами потоков монодисперсных микрочастиц, а также анализ новых технологий с применением монодисперсных систем. Отметим, что многие аспекты рассматриваемой проблемы по ряду причин не отражены в настоящей книге, в частности, из-за ограниченности объема и в случае, если приложение метода еще недостаточно очевидно. Данная монография является в какой-то мере обобщением предыдущей работы [1] с участием авторов, а также содержит новые результаты, полученные за последние десять лет. Кроме того, следует отметить, что авторы не ставили цели привести все ссылки на работы по монодисперсным системам и технологиям, однако сделали попытку отразить вклад отдельных исследователей в конкретные разработки.

Авторы считают своим приятным долгом поблагодарить акад. РАН А.И. Леонтьева, который оказывал постоянную поддержку работам в этом направлении, чл.-корр. РАН А.В. Клименко, внесшего известный вклад в изучение монодисперсных систем и технологий, проф. О.А. Синкевича - одного из активных разработчиков монодисперсных систем на начальном этапе, доктора В.В. Шишова - одного из инициаторов исследований в данном направлении. Авторы выражают благодарность за предоставленные материалы и помощь своим коллегам В.Б. Анкудинову, А.В. Бухарову, особенно А.Ф. Гиневскому, а также всем сотрудникам Центра высоких технологий Московского энергетического института, с которыми на протяжении ряда лет проводят исследования в области монодисперсных систем и технологий. Они также признательны своим российским и зарубежным коллегам за предоставленную возможность использовать их результаты в настоящей монографии: доктору А. Ярину (Израиль), проф. М. Орм (США), доктору А. Суслову (США), проф. В.Н. Афанасьеву, проф. Г.В. Конюхову, проф. А.И. Григорьеву, доктору А.А. Коротееву и многим другим.
Авторы

Введение

Анализ современного развития цивилизации показывает, что ХХI в. останется практически на всем своем протяжении технологическим, поскольку человечество требует в значительной степени изменить подход к оценке и учету техногенных составляющих своей жизнедеятельности. Речь идет прежде всего о переходе от тезиса «результат любой ценой» к тезису «результат ценой, не противоречащей окружающему миру, и не конфликтующий с самим человеком». В связи с этим основными технологическими проблемами станут проблемы создания «тонких технологий». Эти технологии должны обеспечить практически полную переработку исходного продукта и полное использование конечного продукта, автоматизацию не только отдельных этапов технологий, но и комплексную роботизацию технологического процесса, включая процессы учета и контроля на всех его стадиях. Помимо этого важнейшими критерия-ми станут ресурсосбережение (включая энерго- и материалосбережение), экологическая безопасность, оптимизация составляющих человеческого труда, преемственность технологий, их быстрое совмещение с уже существующими или возможность замены ими уже освоенных.

Ясно, что указанные выше факторы повлекут за собой резкое обострение конкуренции на рынке технологий, потребуют разработки значительно более быстрых методов доведения технологий до практического освоения. Понятно также, что в целом технологии будут дорожать, поскольку вынуждены будут удовлетворять все более строгим критериям отбора по фактору использования (экологическая безопасность, малое энергопотребление, малая материалоемкость и др.).

Помимо перечисленных выше важнейшими критериями отбора перспективных технологий станут их универсальность, многовидовость, возможность достаточно быстрого освоения. Немаловажным фактором станет также возможность двойного применения технологий, поскольку это позволит значительно быстрее освоить технологию при оптимальном финансировании ее внедрения, проверить применимость к различным задачам. Кроме того, следует особо отметить важность таких факторов, как стоимость технологии, квалификация персонала при ее использовании и ряд других. Как отмечалось выше, на одно из первых мест при определении работоспособности технологии станет ее безопасность (понимаемая в различных аспектах). Одной из перспективных современных технологий, удовлетворяющей большинству перечисленных выше критериев, является так называемая монодисперсная технология (МДТ). Можно определить такую технологию как технологию получения и использования сферических частиц субмиллиметровых размеров, обладающих однородными по ряду параметров свойствами (например, размером, скоростью движения, электрическим зарядом и др.).

Интерес к использованию дисперсных систем в различных технологических процессах наблюдается в течение последних десятилетий. Хорошо известны направления использования порошков и гранул для машиностроения, химической промышленности, металлургии, медицинской, биотехнологической и других отраслей. Как правило, получающиеся различными способами порошки имеют значительный разброс параметров: размеров, сферичности, физико-химических свойств. Однако многие современные технологии требуют перехода к дисперсным системам идентичных макрочастиц. Идентичность параметров в ряде случаев может значительно улучшить технологии, а зачастую создать совершенно новый процесс или вещество. Поэтому интерес к созданию технологии, позволяющей производить и использовать идентичные субмиллиметровые макрочастицы в последние годы, необычайно возрос.

Монодисперсная технология активно начала развиваться несколько десятков лет назад в рамках фундаментальных исследований поведения дисперсных систем. Возможность получения капель и гранул из простых веществ привела к идее использовать уникальные свойства таких макрочастиц (как правило, область монодисперсной технологии - это субмиллиметровые частицы). Первоначально основные исследования велись с использованием воды и водных растворов, что позволило достаточно подробно изучить все особенности фундаментальных процессов, лежащих в основе монодисперсных технологий. Вместе с тем стало ясно, что наиболее интересные и неожиданные области применения монодисперсной технологии находятся там, где приходится иметь дело с веществами, обладающими необычными реологическими или иными физико-химическими свойствами. В настоящее время несмотря на свою относительную «молодость» монодисперсная технология привлекла внимание многих исследовательских центров и фирм как за рубежом, так и у нас в стране.

Хотя существуют различные методы и средства получения макрочастиц с идентичными параметрами (золь-гельный метод, метод конденсации капель и макрочастиц из газовой фазы, распыливание жидкостей с последующей сепарацией и т.п.), анализ показывает, что в настоящее время наиболее приемлемым как по простоте реализации в конкретных технологиях, так и по параметрам образующихся микросфер, управляемости и производительности, является метод вынужденного капиллярного распада струй различных жидкостей [1]. Поэтому основное внимание уделяем именно этому методу генерации монодисперсных систем.

→  Научные труды и монографии

Следующая страница: Дмитриев А.С. и другие. Генерация хаоса