Турбулентные потоки эластовязкопластичных жидкостей

В современном Казахстане фундаментальная наука в области физики, химии и математики сталкивается с необходимостью укрепления исследовательских традиций, повышения качества научных проектов и расширения спектра фундаментальных исследований. Несмотря на наличие перспективных направлений, многие исследования по-прежнему ориентированы либо на поверхностные решения, либо на узкоспециализированные прикладные задачи, что ограничивает развитие научных школ и усложняет подготовку молодых исследователей. Поэтому особую ценность приобретают проекты, сочетающие глубокую теоретическую проработку, надёжную экспериментальную базу и международное научное сотрудничество. Все эти условия соблюдены нами в проекте по исследованию турбулентных потоков эластовязкопластичных жидкостей, проводимом в лаборатории экологии НИИ биотехнологии и экологии Жетысуского университета имени И. Жансугурова. Полученные результаты представляют интерес для нефтегазового сектора, химической промышленности, биомедицинских технологий и систем гидротранспорта.

В 2022–2024 годах мной был реализован проект грантового финансирования Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан «Течение Тейлора – Куэтта в жидкостях с пределом текучести». В рамках данного проекта были изучены особенности течения сложных жидкостей и показано, как их внутренние свойства влияют на устойчивость потока и появление вихревых структур. Эти результаты стали научной основой для дальнейших исследований и позволили перейти к новой задаче – проекту «Экспериментальное исследование турбулентных потоков эластовязкопластичных жидкостей в цилиндрической трубе».

Проект направлен на изучение так называемых сложных жидкостей – сред, которые в реальных условиях могут вести себя и как жидкость, и как упругое тело. К таким средам относятся буровые растворы, технологические пасты и суспензии, гелеобразные материалы и некоторые модельные биологические жидкости.

Подобные среды широко используются в промышленности, однако их поведение при высоких скоростях течения и в турбулентном режиме до сих пор изучено недостаточно, что затрудняет точные инженерные расчёты.

В качестве модельной среды используются растворы карбопола с концентрациями 0,1 и 0,15 %. Эти жидкости позволяют наглядно и воспроизводимо исследовать, как такие свойства, как предел текучести и вязкость, влияют на течение. Полученные данные помогают понять, при каких условиях поток становится неустойчивым, начинает требовать больше энергии для прокачки или, наоборот, остаётся устойчивым дольше, чем ожидается. Это важно при проектировании трубопроводов, систем перекачки и технологических установок.

Работа сосредоточена на анализе структуры турбулентного потока, обмена энергией внутри жидкости и характерных колебаний скорости. Эксперименты проводятся в прозрачной цилиндрической трубе, что позволяет напрямую наблюдать поведение потока и сопоставлять его с результатами математических расчётов и численного моделирования. Такой подход даёт возможность не только описывать течение, но и объяснять причины наблюдаемых эффектов.

С практической точки зрения полученные результаты позволяют более точно прогнозировать рабочие режимы систем, в которых используются сложные жидкости. Это означает возможность заранее оценивать потери энергии, риск возникновения нестабильных режимов и нежелательных колебаний потока. Подобная информация особенно важна для задач транспортировки, перемешивания и переработки вязких и гелеобразных сред, где ошибки в расчётах приводят к перерасходу энергии и ускоренному износу оборудования.

Моя научная деятельность тесно связана с Лабораторией энергетики, теоретической и прикладной механики LEMTA Университета Лотарингии (г. Нанси, Франция), с которой я сотрудничаю с 2015 года. Именно в этой лаборатории была выполнена моя докторская диссертация, а полученные результаты неоднократно представлялись на международных конференциях. Я регулярно участвую в экспериментальных исследованиях, работаю с современными измерительными установками и поддерживаю постоянное научное взаимодействие с зарубежными коллегами, что помогает соблюдать высокий уровень достоверности и сопоставимости получаемых данных.

Результаты исследований отражены в публикациях в ведущих международных журналах «Physical Review E» и «Journal of Fluid Mechanics», которые относятся к числу наиболее авторитетных изданий в области механики жидкости.

Несмотря на фундаментальный характер, эти работы используются как научная база для развития инженерных моделей и прикладных исследований в области течений сложных жидкостей, в том числе за рубежом. В 2026 году планируется расширение экспериментальной программы и продолжение сотрудничества с лабораторией LEMTA под руководством профессора Шерифа Нуара.

Запланированы продолжительные экспериментальные серии с применением современных оптических методов измерений и реологических испытаний. Это позволит уточнить существующие модели и получить более надёжные критерии перехода от устойчивого течения к турбулентному режиму. Ожидается подготовка публикации в международном научном журнале.

В целом результаты проекта имеют практическую значимость для отраслей, использующих сложные и неньютоновские жидкости. Полученные знания могут быть использованы для повышения энергоэффективности технологических процессов, снижения эксплуатационных рисков и более обоснованного выбора рабочих режимов. Проект также способствует развитию научного потенциала Казахстана и укреплению международного научного сотрудничества.

Султан ТОПАЕВ,

PhD, старший научный сотрудник лаборатории

экологии НИИ биотехнологии и экологии

Жетысуского университета имени И. Жансугурова

---

АННОТАЦИЯ

І. Жансүгіров атындағы Жетісу университетінде жүргізілген созылғыш-тұтқыр созымды сұйықтықтардың турбулентті ағындарын зерттеу өнеркәсіптің әртүрлі салаларында кеңінен қолданылатын күрделі орталардың мінез-құлқын түсінуге елеулі үлес қосады. Жобаның нәтижелері технологиялық процестерді оңтайландыру, олардың энергия тиімділігін арттыру және пайдалану шығындарын азайту үшін перспективалар ашады.