Созылғыш-тұтқыр пластикалық сұйықтықтардың турбулентті ағындары

Сұлтан ТОПАЕВ, PhD, І. Жансүгіров атындағы Жетісу университетінің Биотехнология және экология ҒЗИ молекулалық генетика және геномика зертханасының аға ғылыми қызметкері

Заманауи Қазақстанда физика, химия және математика саласындағы іргелі ғылым зерттеу дәстүрлерін нығайту, ғылыми жобалардың сапасын арттыру және іргелі зерттеулер спектрін кеңейту қажеттілігіне тап болады. Перспективалық бағыттардың болуына қарамастан, көптеген зерттеулер әлі де беткі шешімдерге немесе жоғары мамандандырылған қолданбалы тапсырмаларға бағытталған, бұл ғылыми мектептердің дамуын шектейді және жас зерттеушілерді дайындауды қиындатады. Сондықтан терең теориялық пысықтауды, сенімді эксперименттік базаны және халықаралық ғылыми ынтымақтастықты біріктіретін жобалар ерекше мәнге ие болады. Осы талаптардың барлығын біз І. Жансүгіров атындағы Жетісу университетінің Биотехнология және экология ҒЗИ экология зертханасында өткізілетін созылғыш-тұтқыр пластикалық сұйықтықтардың турбулентті ағындарын зерттеу жобасында сақтадық. Алынған нәтижелер мұнай-газ секторы, химия өнеркәсібі, биомедициналық технологиялар және гидротранспорт жүйелері үшін қызығушылық тудырады.

2022-2024 жылдары мен Қазақстан Республикасы Ғылым және жоғары білім министрлігінің «Өтімділік шегі бар сұйықтықтардағы Тейлор-Куэтт ағыны» гранттық қаржыландыру жобасын іске асырдым. Бұл жобаның аясында күрделі сұйықтықтар ағынының ерекшеліктері зерттеліп, олардың ішкі қасиеттерінің ағынның тұрақтылығына және құйын құрылымдарының пайда болуына қалай әсер ететіні көрсетілді. Бұл нәтижелер одан әрі зерттеулер үшін ғылыми негіз болды және бізге «Цилиндрлік құбырдағы созылғыш-тұтқыр пластикалық сұйықтықтардың турбулентті ағындарын эксперименттік зерттеу» атты жаңа жобаға көшуге мүмкіндік берді.

Жоба күрделі сұйықтықтар деп аталатындарды – нақты жағдайда сұйықтық ретінде де, серпімді дене ретінде де әрекет ете алатын орталарды зерттеуге бағытталған. Мұндай орталарға бұрғылау ерітінділері, технологиялық пасталар мен суспензиялар, гель тәрізді материалдар және кейбір модельдік дене сұйықтықтары жатады.

Мұндай орталар өнеркәсіпте кеңінен қолданылады, бірақ олардың жоғары жылдамдықтағы және турбулентті режимдегі мінез-құлқы әлі күнге дейін жеткілікті зерттелмеген, ал бұл дәл инженерлік есептеулерді қиындатады.

Модельдік орта ретінде 0,1 және 0,15% концентрациясы бар карбопол ерітінділері қолданылады. Бұл сұйықтықтар ағынның шегі мен тұтқырлығы сияқты қасиеттердің ағынға қалай әсер ететінін көрнекі және қайталанатын түрде зерттеуге мүмкіндік береді. Нәтижелер ағынның қандай жағдайда тұрақсыз болатынын, сорғы үшін көбірек энергияны қажет ете бастайтынын немесе керісінше күткеннен ұзағырақ тұрақты болып қалатынын түсінуге көмектеседі. Бұл құбырларды, айдау жүйелерін және технологиялық қондырғыларды жобалау кезінде маңызды.

Жұмыс турбулентті ағынның құрылымын, сұйықтық ішіндегі энергия алмасуын және жылдамдықтың өзіне тән ауытқуларын талдауға бағытталған. Тәжірибелер мөлдір цилиндрлік түтікте жүзеге асырылады, бұл ағынның әрекетін тікелей бақылауға және оны математикалық есептеулер мен сандық модельдеу нәтижелерімен салыстыруға мүмкіндік береді. Бұл тәсіл тек курсты сипаттауға ғана емес, сонымен қатар байқалған әсерлердің себептерін түсіндіруге мүмкіндік береді.

Практикалық тұрғыдан алғанда, алынған нәтижелер күрделі сұйықтықтарды пайдаланатын жүйелердің жұмыс режимдерін дәлірек болжауға мүмкіндік береді. Бұл энергияның жоғалуын, тұрақсыз режимдердің пайда болу қаупін және ағынның қажетсіз ауытқуларын алдын ала бағалау мүмкіндігін білдіреді. Мұндай ақпарат әсіресе тұтқыр және гель тәрізді орталарды тасымалдау, араластыру және өңдеу тапсырмалары үшін өте маңызды. Мұнда есептеулердегі қателіктер энергияны шамадан тыс тұтынуға және жабдықтың тез тозуына әкеледі.

Менің ғылыми қызметім 2015 жылдан бері жұмыс істеп келе жатқан Лотарингия университетінің (Нанси қаласы, Франция) LEMTA Энергетика, теориялық және қолданбалы механика зертханасымен тығыз байланысты. Дәл осы зертханада менің докторлық диссертациям орындалды және алынған нәтижелер халықаралық конференцияларда бірнеше рет ұсынылды. Мен эксперименттік зерттеулерге үнемі қатысамын, заманауи өлшеу қондырғыларымен жұмыс істеймін және шетелдік әріптестермен үнемі ғылыми өзара әрекеттесуді қолдаймын, бұл маған алынған мәліметтердің сенімділігі мен салыстырмалылығының жоғары деңгейін сақтауға көмектеседі.

Зерттеу нәтижелері сұйықтық механикасы саласындағы ең беделді басылымдардың қатарына кіретін жетекші халықаралық «Physical Review E» және «Journal of Fluid Mechanics» журналдарында жарияланды.

Іргелі сипатына қарамастан, бұл зерттеулер күрделі сұйықтық ағындары саласында, соның ішінде шетелдегі ағындар саласында инженерлік модельдер мен қолданбалы зерттеулерді дамыту үшін ғылыми база ретінде пайдаланылады.

2026 жылы эксперименттік бағдарламаны кеңейту және профессор Шериф Нуардың жетекшілігімен LEMTA зертханасымен ынтымақтастықты жалғастыру жоспарлануда. Қазіргі заманғы оптикалық өлшеу әдістері мен реологиялық сынақтарды қолдана отырып, ұзақ мерзімді эксперименттік сериялар жоспарланып отыр. Бұл қолданыстағы модельдерді нақтылауға және тұрақты ағымнан турбулентті режимге көшудің едәуір сенімді критерийлерін алуға мүмкіндік береді. Халықаралық ғылыми журналда жарияланым дайындалады деп күтілуде.

Жалпы, жоба нәтижелерінің күрделі және ньютондық емес сұйықтықтарды пайдаланатын салалар үшін практикалық маңызы өте зор. Алынған білім технологиялық процестердің энергия тиімділігін арттыру, пайдалану тәуекелдерін азайту және жұмыс режимдерін неғұрлым негізделген таңдау үшін пайдаланылуы мүмкін. Жоба сонымен қатар Қазақстанның ғылыми әлеуетін дамытуға және халықаралық ғылыми ынтымақтастықты нығайтуға ықпал етеді.

Аннотация

Исследование турбулентных потоков созылғыш-тұтқырпластичных жидкостей, проводимое в Жетысуском университете имени И. Жансугурова, вносит значительный вклад в понимание поведения сложных сред, широко используемых в различных отраслях промышленности. Результаты проекта открывают перспективы для оптимизации технологических процессов, повышения их энергоэффективности и снижения эксплуатационных издержек.