Details

Category: Конкурсы Российского научного фонда (РНФ)

Published: 02 March 2021

Hits: 2704

Проект состоит в экспериментальном и теоретическом исследовании процесса возникновения вторичных движений жидкости (вихрей) в конвективных системах с границей раздела, содержащей адсорбированную плёнку поверхностно-активного вещества (ПАВ). Основной целью проекта является определение структуры устойчивого режима течения в задаче о всплывающем в растворе ПАВ пузырьке газа. Для достижения поставленной цели в работе также проводятся исследования развития неустойчивости аналогичной природы в системах с более простой геометрией (плоской поверхности). Эти задачи являются фундаментом многих технологических процессов, основанных на межфазном массообмене, что делает заявляемые исследования актуальными и востребованными на рынке.

Несмотря на интенсивные исследования в этой области за последние четверть века, задача до сих пор далека от завершения. Связано это, в первую очередь, с отсутствием хотя бы приближенного аналитического решения (ввиду сложности задачи), которое можно было бы исследовать на устойчивость. Все исследования ведутся методами численного эксперимента, который необходим для проверки сложной математической модели, содержащей большое число управляющих параметров. При этом в существующих на сегодняшний день моделях, авторы априори считают, что итоговый режим обтекания пузырька обладает осевой симметрией. Верификация такой сложной модели с натурным экспериментом производиться лишь по одному интегральному параметру - по скорости всплытия газовых включений, что, на наш взгляд, оставляет место для возможных ошибок.

Проведенные исследования устойчивости однородного течения от сосредоточенного источника в системе с границей раздела, содержащей молекулы ПАВ, показали, что на поверхности жидкости возникает неустойчивость в виде многовихревого течения, периодического в азимутальном направлении. Есть все основания предполагать, что подобная неустойчивость может развиваться и на сферической поверхности пузырька, обтекаемого однородным потоком раствора ПАВ. Исследование систем с менее сложной геометрией (случай плоской поверхности) с учетом обнаруженного эффекта позволит показать несостоятельность приближения об устойчивости однородного течения на поверхности, занятой ПАВ. С прикладной точки зрения эта работа должна направить поиски корректной модели в новое русло и, в перспективе, к повышению эффективности, упомянутых ранее, технологических процессов.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году

В рамках выполнения проекта построена математическая модель, позволяющая описать поведение пленки нерастворимого сурфактанта на поверхности жидкости в цилиндрической кювете при наличии неравномерного нагрева сверху. Решение поставленной краевой задачи осуществлялось путем прямого численного моделирования с использованием математического пакета Comsol Multiphysics.

Тестирование численной модели проводилось на задаче о термокапиллярной конвекции в ячейке Хеле-Шоу при наличии на свободной границе пленки нерастворимого ПАВ. Изучена динамика пленки нерастворимого сурфактанта после отключения нагрева. Результаты расчетов показали, что при смене граничного условия точка стагнации из положения, занимаемого в стационарном режиме, смещается обратно нелинейным образом, а именно при приближении к стенке полости она сначала начинает замедляться, а потом окно резко закрывается. При этом вблизи точки стагнации происходит небольшое накопление ПАВ. Данный эффект качественно согласуется с экспериментальными наблюдениями и связан с наличием течения, развитым в объеме полости, препятствующим продвижению пленки. После уменьшения интенсивности объемного течения пленка беспрепятственно закрывает всю свободную поверхность.

В соответствии с основной задачей проекта при помощи математического пакета Comsol Multiphysics также была протестирована трехмерная численная модель и получены предварительные результаты моделирования динамики изначально однородной пленки сурфактанта на поверхности цилиндрической кюветы в двух случаях: при точечном нагреве в центре и при радиальном линейном распределении теплового потока в зависимости от координаты. Было продемонстрировано смещение ПАВ в холодную область кюветы вследствие возникновения термокапиллярного течения.

В рамках выполнения проекта экспериментально исследованы структуры и устойчивость радиального осесимметричного течения, генерируемого локализованным источником на поверхности воды, покрытой пленкой ПАВ. Опыты проводились в заполненной чистой водой цилиндрической кювете, на оси симметрии которой располагался источник течения. Генерация движения жидкости осуществлялась с помощью нескольких типов локальных источников, которые можно классифицировать по природе движущей силы как поверхностные, объёмные и смешанные. Структура поверхностного и объемного течения визуализировалась путем добавления светорассеивающих частиц с применением метода лазерного ножа. Олеиновая и стеариновая кислоты, существенно отличающиеся поверхностными реологическими свойствами, использовались для создания адсорбированного слоя нерастовримого ПАВ.

Обнаружено, что не зависимо от типа источника на поверхности чистой воды формируется осесимметричное радиальное течение. При наличии адсорбированной пленки ПАВ структура течения определяется как свойствами и поверхностной концентрацией ПАВ, так и характеристиками источника конвективного течения. При относительно мощном источнике на поверхности формируется двухзонная структура течения: радиальное осесимметричное течение в центральной части и застойная зона с вихревым течением на периферии. При уменьшении мощности источника центральная зона коллапсирует, и на всей поверхности визуализируется многовихревое течение. В переделах застойной зоны, вне зависимости от наличия осесимметричной части в центре, может развиваться многовихревое течение, периодическое в азимутальном направлении, но только после формирования объемного течения под ней.

По результатам проделанной работы предложен физический механизм взаимодействия конвективного течения с адсорбированной пленкой и набор безразмерных параметров. Показано, что возникновение и размер центральной зоны определяется величиной параметра упругости E, равного отношению касательных напряжений, создаваемых на поверхности пленкой ПАВ и источником конвективного движения. При 0<eДля проведения работ, запланированных на второй год реализации проекта, осуществлена разработка и сборка экспериментальной установки по визуализации течения на поверхности пузырька газа, обтекаемого однородным потоком ПАВ. На примере задачи Стокса об обтекании твердой сферы выбран оптимальный метод визуализации, определен рабочий диапазон управляющих параметров эксперимента. Для работы с газовыми включениями осуществлен подбор веществ, сформирована база данных их физико-химических свойств.

Аннотация результатов, полученных в 2020/21 году

В рамках задачи о теоретическом исследовании возникновения азимутальных вихрей под пленкой нерастворимого сурфактанта численно решена трехмерная задача о натекании радиально-симметричного течения на твердую плёнку, имитирующую пленку неподвижного нерастворимого сурфактанта. Результаты моделирования показали, что после натекания жидкости на пластину возникает неустойчивость, приводящая к многовихревому течению с образованием азимутальных вихрей. В ходе численного моделирования был показан непрерывный переход от радиально-симметричных вихрей к течению с закруткой в преимущественно азимутальном направлении под пленкой при увеличении скорости натекания, которая регулировалась изменением интенсивности нагрева. Продемонстрировано, что при увеличении площади закрытия свободной поверхности пленкой течение в азимутальной плоскости формируется при более слабом нагреве.

В рамках реализации проекта проведено экспериментальное исследование, направленное на выявление и изучение условий, приводящих к развитию неустойчивости течения на поверхности сферического газового включения, омываемого осесиммметричным потоком жидкости. Эксперименты осуществлялись на неподвижном в лабораторной системе отсчёта пузырьке газа, подвешенного на оси потока. Показано, что вариация размера пузырька, скорости потока, степени загрязнения системы влияют на структуру поверхностного течения. Обнаружено, что на поверхности газового включения при некотором критическом значении управляющих параметров задачи происходит формирование двухвихревого течения (первая мода неустойчивости). Наблюдаемая неустойчивость согласуется с результатами экспериментов, полученных при работе на плоской поверхности. Проведенные исследования помогают сузить диапазон варьируемых параметров в численном эксперименте и внести ясность в природу явлений, протекающих на границе раздела двух фаз и вблизи нее. На наш взгляд в случае свободно всплывающего пузырька газа малого диаметра наблюдаемая неустойчивость ответственна за спиральную траекторию всплытия. Для пузырьков газа диаметром 1-2 мм такой характер движения до сих пор не имеет общепризнанного объяснения, в отличие от пузырьков большего размера, где отклонение от сферической формы оказывает существенное влияние на смену траектории. Эксперименты, проведенные с растворами DTAB, Triton X-100 и 1-Hexanol, показали, что эволюция развития поверхностного течения на поверхности пузырька аналогично той, что описана для случая остаточных примесей в системе с водой. Ожидаемый эффект ремобилизации поверхности в растворах 1-Hexanol, равно как и эффект стагнации поверхности при использовании в экспериментах раствора Triton X-100, не наблюдалось. Напротив, эксперименты, проведенные при скоростях потока порядка 100 мм/с для всех используемых в работе веществ, показали достаточную подвижность поверхности для формирования вихревого движения на поверхности пузырька.

Результаты исследований демонстрируют необходимость корректировки математической модели для одной из базовых задач межфазной гидродинамики о всплытии пузырька газа. Наличие вихревых структур на поверхности всплывающего пузырька также должно сказаться на нюансах взаимодействия нескольких пузырьков между собой и с мелкодисперсной твёрдой фракцией в потоке, что является основой таких технологий как флотация, экстракция и других, связанных с межфазным массобменом. В перспективе предлагаемые исследования должны позволить повысить эффективность таких технологий.

Видео материалы по результатам экспериментального исследования приведены на канале YouTube:

https://www.youtube.com/playlist?list=PLkz1oHAHbLXe6X7u9b0V7kFeg5KghFo5Q

Статьи, принятые в печать и находящиеся на стадии рецензирования доступны на портале arxiv.org:

- A. Shmyrova, A. Shmyrov Experimental study of the flow structure stability on the bubble surface // Journal of Physics Conference Series, IOP Publishing Ltd., принята в печать: https://arxiv.org/abs/2105.02620

- V.A. Demin, M.I. Petukhov, A.I. Shmyrova 3D instability of a toroidal flow in the liquid partially covered by a solid film // Journal of Physics Conference Series, IOP Publishing Ltd., принята в печать: https://arxiv.org/abs/2105.02624

- A. Mizev, A. Shmyrov, A. Shmyrova On the shear-driven surfactant layer instability // Journal of Fluid Mechanics, находится на стадии рецензирования: https://arxiv.org/abs/2101.02485

Публикации

1. Шмыров А.В., Шмырова А.И. (Shmyrov A.V., Shmyrova A.I.) Экспериментальное исследование азимутальной неустойчивости осесимметричного течения в присутствии пленки ПАВ Сборник материалов VI Всероссийской конференции Пермские гидродинамические научные чтения. Пермь. 28–29 ноябрь 2019 г. c. 200-202 (2019 г.)
2. А. И. Шмырова, А. В. Шмыров (A. I. Shmyrova, A. V. Shmyrov) О механизмах, приводящих к формированию вихревых структур на границе раздела жидкость-газ в присутствии адсорбционного слоя Вестник Пермского университета. Физика (2020 г.)
3. А. И. Шмырова, А. В. Шмыров (A. I. Shmyrova, A. V. Shmyrov) Механизмы формирования вихревых структур на границе раздела жидкость-газ в присутствии адсорбционного слоя Вестник Пермского университета. Физика Вып. 3, с. 31–38 https://doi.org/10.17072/1994-3598-2020-3-31-38 (2020 г.)
4. А.И. Шмырова, А.В. Шмыров, А.И. Мизёв (A.I. Shmyrova, A.V. Shmyrov, A.I. Mizev) Неустойчивость симметрии течения вблизи границы раздела, покрытой поверхностно-активным веществом Сборник материалов 11-ой международной конференции - школа молодых ученых "Волны и вихри в сложных средах", 01-03 декабря 2020, Москва: ООО «ИСПО-принт» с. 240-243 (2020 г.)
5. Демин В.А., Петухов М.И., Шмыров А.В., Шмырова А.И. (Demin V.A., Petukhov M.I., Shmyrov A.V., Shmyrova A.I.) Nonlinear dynamics of the film of an insoluble surfactant during the relaxation to equilibrium Interfacial Phenomena and Heat Transfer Том: 8, Выпуск: 3, Стр.: 261-271 https://doi.org/10.1615/InterfacPhenomHeatTransfer.2020035273 (2020 г.)
6. Демин В.А., Петухов М.И., Шмыров А.В., Шмырова А.И. (Demin V.A., Petukhov M.I., Shmyrov A.V., Shmyrova A.I.) Динамика закрытия окна в пленке нерастворимого сурфактанта на поверхности жидкости Материалы региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Вып. 13, с. 164-169 (2020 г.)
7. Демин В.А., Петухов М.И., Шмыров А.В., Шмырова А.И. (Demin V.A., Petukhov M.I., Shmyrov A.V., Shmyrova A.I.) К вопросу о динамике плёнки нерастворимого пав на поверхности жидкости Сборник тезисов докладов VII Всероссийской конференции с участием зарубежных учёных «Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения» с. 66-67 (2020 г.)
8. Демин В.А., Петухов М.И., Шмырова А.И., Шмыров А.В. (Demin V.A., Petukhov M.I., Shmyrov A.V., Shmyrova A.I.) О поведении пленки нерастворимого сурфактанта при переходе в равновесие Пермские гидродинамические научные чтения: материалы всероссийской конференции с международным участием, посвященной памяти профессоров Г. З. Гершуни, Е. М. Жуховицкого и Д. В. Любимова с. 155-161 (2020 г.)
9. Шмырова А.И., Шмыров А.В. (Shmyrova A.I., Shmyrov A.V.) Обобщение результатов экспериментального исследования устойчивости осесимметричного течения вблизи пленки ПАВ Сборник тезисов докладов VII Всероссийской конференции с участием зарубежных учёных «Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения» с. 228-229 (2020 г.)
10. А. Шмырова, А. Шмыров (Anastasia Shmyrova and Andrey Shmyrov) Experimental study of the flow structure stability on the bubble surface Journal of Physics Conference Series, IOP Publishing Ltd. (2021 г.)
    11. В.А. Демин, М.И. Петухов, А.И. Шмырова (V.A. Demin, M.I. Petukhov, A.I. Shmyrova)
11. 3D instability of a toroidal flow in the liquid partially covered by a solid film Journal of Physics Conference Series, IOP Publishing Ltd. (2021 г.)
12. Демин В.А., Петухов М.И., Шмыров А.В., Шмырова А.И. (V.A. Demin, M.I. Petukhov, A.V. Shmyrov, A.I. Shmyrova) Механизм образования азимутальных вихрей при натекании радиально-симметричного течения на пленку неподвижного сурфактанта XХII Зимняя школа по механике сплошных сред, Пермь, 22 – 26 марта 2021 г. Тезисы докладов с. 113 (2021 г.)
13. Шмырова А.И., Шмыров А.В. (Shmyrova A.I., Shmyrov A.V.) Экспериментальное исследование неустойчивости течения на поверхности пузырька газа XХII Зимняя школа по механике сплошных сред, Пермь, 22 – 26 марта 2021 г. Тезисы докладов с. 355 (2021 г.)

Информация о проекте на сайте РНФ: https://rscf.ru/contests/search-projects/19-71-00097

Details

Category: Conference

Published: 12 October 2020

Hits: 4154

The second School for Young Scientists «Monitoring of Natural and Technogenic Systems»

16-18 November 2020, Perm

First Announcement

The Perm Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences announces the holding of the School for Young Scientists “Monitoring of Natural and Technogenic Systems” from November 16 to 18, 2020, which is organized with financial support from the Russian Science Foundation as part of project No. 19-77-30008.

Online translations are accessible thow links:

• MNTS - Day 1
• MNTS - Day 2
• MNTS - Day 3

Read more: The second School for Young Scientists «Monitoring of Natural and Technogenic Systems»

Details

Category: Конкурсы Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ)

Published: 17 April 2020

Hits: 2854

Проект РФФИ 19-41 590004. Руководитель Васильев А. Ю.

На первом этапе экспериментально исследована структура и динамика крупномасштабной циркуляции в турбулентной конвекции Рэлея-Бенара для жидкостей с умеренными и высокими числами Прандтля.  Экспериментальная установка представляет собой кубическую полость со стороной L=250 мм (см. рис.1). В качестве рабочих жидкостей выступала дистиллированная вода, 25 % водный раствор пропиленгликоля и чистый пропиленгликоль. Эксперименты проводились при средних температурах жидкости 50 и 25 ^oС (для воды) и 20 ^oС (для 25 % водного раствора пропиленгликоля и чистого пропиленгликоля), что соответствует средним числам Прандтля Pr=3.5, Pr=6.1 и Pr=64. Разложение двумерных полей скорости на фурье-моды показало, что при изменении числа Прандтля от 3.5 до 24 в течении доминирует одна крупномасштабная мода (см. рис. 1). При дальнейшем росте числа Прандтля структура течения существенно меняется и энергия распределяется между несколькими основными фурье-модами. Происходит также существенное изменение временной динамики доминирующей моды.

Рис.1 Экспериментальная установка в разрезе: 1 – медный теплообменник, 2 – плексигласовые боковые стенки толщиной d=25 мм, 3 – теплоизолятор. Нормированная энергия фурье-мод: (а) – Pr=6.1, Ra=2.0·10⁹, (б) - Pr=24, Ra=1.3·10⁹, (в) - Pr=64, Ra=1.3·10⁹

Большое внимание было уделено численному моделированию конвективной турбулентности с неоднородным нагревом при умеренных и высоких числах Рэлея (10^7<ra<2x10^9). Неоднородный нагрев создавался только на нижней границе кубической полости при помощи смешанных граничных условий (см. рис.2). На границе были выделены «проводящие» области, которые поддерживались при постоянной температуре, а оставшаяся часть границы считалась теплоизолированной, т.е. тепловой проток равен нулю. В расчетах рассматривались три конфигурации распределения нагреваемых областей: (I) - локализованный нагрев; (II) - девять нагревателей одинакового размера, равноудаленные друг от друга; (III) – комбинация из нагреваемых областей трех размеров с неоднородным распределением по пространству.

Обнаружено, что при Ra=10^7 эффективность переноса тепла сильно зависит от распределения нагреваемых областей на нижней границе. Максимальные отличия в числе Нуссельта достигают 20%. В более развитом режиме (Ra=1.1x10^9) отличия не превышают 5%, поскольку турбулентность эффективнее перемешивает среду. При неоднородном нагреве показатель степени в зависимости числа Нуссельта от числа Рэлея может принимать два значения: beta~2/7 для конфигураций (I) и (II); beta~1/3 для конфигурации (III) (см. рис.3).

Рис.2 Схема вычислительной области. Варианты распределения нагреваемых областей. Черным цветом отмечены нагреваемые области.

Рис.3 Зависимость числа Нуссельта от числа Релея в двойных логарифмических координатах, где индексами обозначено: 1 – локализованный нагрев, 9 – девять нагревательных областей, F – комбинация из нагреваемых областей трех размеров. Штриховые линии показывают степенные законы Nu~Ra^β.

Кроме того, исследовано влияние многомасштабного рельефа поверхности теплообменника на процессы переноса тепла в замкнутой полости. Задача решалась в сопряженной постановке. Нижний теплообменник представлял собой медную плиту толщиной 10 мм, на поверхности которой имеются выступающие прямоугольные элементы. Комбинация из элементов трех разных размеров в поперечном сечении формирует фрактальную топологию поверхности теплообменника. На рис.4 показаны распределения температуры в медном массиве и зависимости числа Нуссельта от числа Релея для двух высот рельефа.

Рис.4 Левая панель – распределение температуры на поверхности теплообменника. Правая панель – зависимость числа Нуссельта от числа Релея в двойных логарифмических координатах: ● – h/L=0.1, ■ - h/L=0.05. Штриховые линии показывают степенные законы Nu~Ra^β.

II Этап (2020)

На втором этапе проекта было продолжено исследование влияния смешанных граничных условий на процессы теплообмена при помощи численного моделирования. Рассматривалась конфигурация, представляющая собой 225 нагреваемых областей одинакового размера, равноудаленных друг от друга. Результаты численного моделирования сравнивались с результатами следующих конфигураций нагрева: локализованный нагрев; девять нагревателей одинакового размера, равноудаленные друг от друга; комбинация из нагреваемых областей трех размеров с неоднородным распределением по пространству. Во всех конфигурациях площадь нагрева одинаковая и составляет 30% от площади верхней границы. Расчеты были выполнены для Pr=6.46 и Ra=10⁷. В случае с 225 нагревателями наблюдается наибольший конвективный тепловой поток – примерно 71% от случая с однородными граничными условиями. Тепловой поток со смешанными граничными условиями сильно неоднородный и определяется толщиной температурного пограничного слоя. Неоднородность температурного пограничного слоя (см. рис.1) является результатом нескольких факторов: структура крупномасштабной циркуляции и мелкомасштабные движения над нагреваемыми областями. Горизонтальный размер нагреваемых областей является ограничивающим фактором для толщины пограничного слоя, поэтому, чем меньше нагреваемая область, тем тоньше пограничный слой. Это означает, что тепловой поток увеличивается с уменьшением размеров нагреваемых областей. Толщина теплового пограничного слоя может быть меньше, чем для конвекции Рэлея – Бенара с однородными граничными условиями.

Рис.1. Осредненная по времени нормированная толщина температурного пограничного слоя δ^*= δ/δ₀, где δ₀ средняя толщина температурного пограничного слоя для конвекции Рэлея – Бенара с однородными граничными условиями.

Большое внимание было уделено экспериментальному исследованию влияния многомасштабного рельефа поверхности на процессы теплообмена в конвективной турбулентности. Эксперименты проводились в кубической полости с длиной ребра L=250 мм. В качестве рабочей жидкости выступала дистиллированная вода (Pr=6.12) и силиконовое масло ПМС-5 (Pr=62). Нижний теплообменник представлял собой медную плиту толщиной 10 мм, на поверхности которой имеются выступающие прямоугольные элементы. Комбинация из элементов трех разных размеров в поперечном сечении L/3, L/9, L/27, вытянутые на разную высоту h₁=10 мм, h₂=5 мм, h₃=2.5 мм, соответственно. В экспериментах относительное увеличение площади поверхности (отношение площади рельефной поверхности к площади верхней границы) составляет Cs=1.22. На рис.2 представлены зависимости числа Нуссельта от числа Рэлея. Эксперименты показали, что тепловой поток в случае рельефной поверхности всегда больше, чем для гладкой поверхности. Из рис. 2 (левая панель) видно, что число Нуссельта в случае Pr=62 приблизительно на 8% больше, чем для Pr=6.12 при одинаковых числах Рэлея. Однако с увеличением числа Рэлея эта разница уменьшается. Теория предсказывает степенной закон для зависимости числа Нуссельта от числа Рэлея Nu~Ra^β. Показатель степени β уменьшается с увеличением Pr: β=0.39 (Pr=6.12) и β ~1/3 (Pr=62). Обнаружено, что увеличение теплопереноса при Pr=6.12 меньше, по сравнению с относительным увеличением площади теплообмена из-за выступающих элементов (см. рис.2, правая панель). Ситуация существенно меняется при Pr=62. В этом случае наблюдается положительный эффект от использования многомасштабного рельефа поверхности, который заключается в усилении теплообмена по сравнению с относительным увеличением площади.

Рис.2 Зависимость числа Нуссельта от числа Рэлея в двойных логарифмических координатах. На правом графике пунктирные линии показывают увеличение теплового потока за счет дополнительной площади выступающих элементов: синяя линия – Pr=6.12, красная линия – Pr=62.

Кроме того, было выполнено численное моделирование конвективной турбулентности в случае с многомасштабным рельефом нижней границы. В расчетах рассматривались две конфигурации многомасштабного рельефа. Первая конфигурация (см. рис.3а) представляет собой комбинацию выступающих элементов прямоугольной формы с поперечными размерами L/3, L/9, L/27, вытянутые на разную высоту h₁/L=0.04, h₂/L=0.02, h₃/L=0.01, соответственно. Для данной конфигурации расчеты были выполнены для Pr=6.12, числа Рэлея варьировались от 10⁶ до 2×10⁹. Обнаружено два режима теплопередачи. Первый режим характеризуется β ~ 1/3 в интервале чисел Рэлея от 10⁶ до 2×10⁷. Второй режим наблюдается при больших числах Рэлея и характеризуется β ~ 0.40.
Вторая конфигурация рельефа представлена на рис.3б. Поперечный размер выступающих элементов одинаковый и равен L/27. Отношение высоты выступающих элементов к высоте кубической полости h/L варьируется от 0.04 до 0.01. Площадь рельефной поверхности в Cs=1.61 раз больше площади плоской верхней границы. В случае второй конфигурации расчеты были выполнены для Pr=6.12, и число Рэлея варьировалось от 10⁶ до 2×10⁷. В этом случае наблюдается только один режим, который характеризуется β~1/3. Числа Нуссельта имеют близкие значения для двух конфигураций рельефа. Наибольшее отличие в тепловых потоках составляет около 10% для Ra=1.13×10⁷.

Рис.3 (а, б) - конфигурации рельефа нижней границе. (с) - Зависимость числа Нуссельта от числа Релея в двойных логарифмических координатах: ● – первая конфигурация, ■ – вторая конфигурация. Штриховые линии показывают степенные законы Nu~Ra^β.

.

Details

Category: Федеральные целевые программы (ФЦП)

Published: 19 March 2020

Hits: 4133

Этап №1 Обновление научно-исследовательской инфраструктуры ЦКП

Соглашение от 01.11.2019 № 075-15-2019-1655 

Номер гос. регистрации АААА-А19-119121390036-8

Уникальный идентификатор проекта RFMEFI62119X0031

Приоритетное направление: Информационно-телекоммуникационные системы (ИТ)

Период выполнения: 01 ноября 2019 г. – 31 декабря 2019 г.

Получатель субсидии: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук (ПФИЦ УрО РАН)

1. Цель проекта

Реализация проекта направлена на развитие научно-исследовательской инфраструктуры центра коллективного пользования (ЦКП) «Исследования материалов и вещества»  ПФИЦ УрО РАН для обеспечения поддержки реализации приоритетов научно-технологического развития, в том числе в кооперации с ведущими мировыми научными центрами, расширение перечня и комплексности оказываемых услуг, а также круга пользователей для обеспечения максимальной загрузки оборудования ЦКП и обеспечения эффективного участия в реализации стратегии научно-технологического развития Российской Федерации.

2. Основные результаты проекта

В рамках первого этапа выполнения работы по гранту ФЦП была организована закупка дорогостоящего импортного оборудования, позволяющего существенно расширить функциональные возможности ЦКП «Исследования материалов и веществ» ПФИЦ УрО РАН. Средства субсидии в полном объеме были потрачены за закупку оборудования, что позволило приобрести уникальные приборы, аналогов которых нет не только в Пермском крае, но и в Уральском регионе. Приобретенное оборудование позволяет проводить комплексные исследования механических свойств природных и конструкционных структурно-неоднородных материалов, развивать научные основы применения современных оптико-волоконных технологий для мониторинга нагруженных элементов конструкций, проводить комплексные структурные, химические и физические исследования новых материалов, химических соединений и биологических структур.

В 2019 году было приобретено следующее оборудование:

1. Установка срезная ГТ 1.2.12 (Россия).
2. Установка объемного сжатия для испытания скальных грунтов АСИС (Россия).
3. Комплекс оборудования для физико-химического, термомеханического анализа полимерных композиционных материалов METTLER TOLEDO (Швейцация) в составе: дифференциального сканирующего калориметра DSC, прибора для термогравиметрического анализа и дифференциальной калориметрии TGA/DSC, прибора термомеханического и дифференциального термического анализа TMA/SDTA, прибора для динамического механического анализа DMA/SDTA.
4. Рентгеновский дифрактометр PANalytical Aeris Research (PANalytical, Великобритания).
5. Газовый хроматограф с масс-селективным детектором 7890В Agilent (США).
6. Оптический рефлектометр обратного рассеяния OBR4600 LUNA (США).
7. Инвертированный флуоресцентный лабораторный микроскоп Olympus CKX53 (Япония).

В интересах сторонних заказчиков были проведены научные исследования по комплексным темам «Исследование минералого-петрографического состава и физико- механических свойств пород и руд, вскрытых при разведке и отработке Верхнекамского и других месторождений солей для прогнозирования их свойств и обеспечения безопасности подземной разработки» и «Разработка методов испытаний линий волоконно-оптических датчиков с нанесенными решетками Брэгга в составе образцов из полимерных композиционных материалов», разработаны проекты методик испытаний линий волоконно-оптических датчиков с нанесёнными решётками Брэгга в составе образцов из полимерных композиционных материалов, разработан проект методики температурной компенсации при проведении испытаний волоконно-оптических линий с ВБР-датчиками в составе образцов из ПКМ, разработан проект методики верификации результатов испытаний волоконно-оптических линий с ВБР-датчиками в составе образцов из ПКМ.

За отчетный период ЦКП «Исследования материалов и вещества» ПФИЦ УрО РАН увеличена доля внешних заказов услуг и работ по сравнению с 2018 годом более чем на 20% (см. отчеты ЦКП «Исследования материалов и вещества» ПФИЦ УрО РАН за 2018 г. (№ 606812) и за 2019 г. (№ 692546)). В 2019 году количество внешних организаций-пользователей научным оборудованием составило 30 единиц против 16 в 2018 г. Загрузка оборудования ЦКП в 2019 г. в интересах третьих лиц составила 73.96%.

Details

Category: Conference

Published: 09 September 2019

Hits: 5386

The School for Young Scientists “Monitoring of Natural and Technogenic Systems”, November 25 to 27, 2019, Perm

NEW! The program of School is available (PDF).

Online translations are accessible thow links:

• MNTS - Day 1
• MNTS - Day 2
• MNTS - Day 3

Second Announcement

The Perm Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences announces the holding of the School for Young Scientists “Monitoring of Natural and Technogenic Systems” from November 25 to 27, 2019, which is organized with financial support from the Russian Science Foundation as part of project No. 19-77-30008.
The program of the School, including lectures by leading Russian and foreign scientists, is available on the website https://www.icmm.ru/nauka/konferentsii and in the Attachment to this announcement. The program is being currently brought up to a desired format by including additional papers.

The program of the School of Young Scientists is included in the plan of the Russian National Committee on Theoretical and Applied Mechanics, is approved by the Technical Committee 17 (Non-Destructive Assessment)of the European Society for Structural Integrity (ESIS), and the Russian Committee of ESIS and corresponds to the theme of the Perm scientific-educational center of world level «Rational subsoil use»

Application for participation

The on-line registration of all conference participants is mandatory at the school website before 10 November, 2019.

The School is planned to be non-contributory (free of the conference fee)

Location
The School will be held in Perm under the auspices of PFRC UB RAS at the address: Perm, Acad. Korolev Str. 3. The participants will be lodged at Perm hotels. More useful information about the rates and hotel descriptions can be found at http://hotel.perm.ru/. The on-line city map is available at the site: http://perm.2gis.ru/

Dates to remember
October 10, 2019 – the third announcement containing the Program of the School;
Before October 10, 2019 - registration of the School participants

Contact address:
PFRC UB RAS
Acad. Korolev St. 1
Executive Secretary
Yurlova Natalia
This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
Tel: +7 (342) 237 83 20

Read more: The School for Young Scientists - Second Announcement

Details

Category: Конкурсы Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ)

Published: 13 March 2019

Hits: 3678

Проект РФФИ № 18-31-00339 мол_а, рук. Мамыкин А.Д., исп. Лосев Г.Л.

На первом этапе проекта была проведена серия краткосрочных экспериментов длительностью от 1 до 10 часов. На втором этапе была проведена дополнительная модернизация установки, направленная на улучшение равномерности и стационарности граничных условий и проведена серия долговременных замеров длительностью от 1 до 7 дней. Число Релея варьировалось в диапазоне (5 – 25) * 10^6, а средняя температура в экспериментальной ячейке от 125 до 160 °С. Для восстановления картины течения применялись кросскорреляционный и спектральный виды анализа, а также вейвлет-преобразования. По полученным эволюциям температуры на установленных в конвективной ячейке 28 термопарах были обнаружены (впервые для жидких металлов) слошинг крупномасштабной циркуляции (КМЦ) – плоскопараллельное периодическое смещение плоскости КМЦ от оси цилиндра и торсионные колебания. Было показано, что период колебаний слошинга согласуется с периодом обращения КМЦ и зависит от числа Релея.

Долговременные замеры позволили обнаружить блуждание плоскости основной моды КМЦ с помощью разработанного алгоритма фильтрации экспериментальных данных. Процесс блуждания имеет непериодический характер и заключается в нерегулярных поворотах КМЦ как целого преимущественно на углы порядка 40 – 50° на временных масштабах от единиц до десятков минут, и, редко, на углы порядка 90° и даже на 180° на больших временных масштабах. Такие редкие события удалось зафиксировать на вейвлет-диаграммах в виде всплесков спектральной плотности энергии.
Результаты экспериментальных исследований были использованы для верификации численного счёта (LES-подход), а также прямого численного моделирования.

• A.D. Mamykin, I. V. Kolesnichenko, A. M. Pavlinov and R. I. Khalilov Large scale circulation in turbulent Rayleigh-Benard convection of liquid sodium in cylindrical cell // Journal of Physics: Conf. Series. 2018. Vol. 1128. Pp. 012019. doi :10.1088/1742-6596/1128/1/012019
• Мамыкин А. Д., Лосев Г. Л., Мандрыкин С. Д. Анализ мод крупномасштабной циркуляции жидкого натрия в эксперименте по турбулентной конвекции Релея-Бенара // Вестник Пермского университета. Физика. (статья принята в печать)

Экспериментальная установка: проведённая на втором этапе модификация

На втором этапе была произведена дополнительная модернизация экспериментальной установки, цель которой состояла в улучшении стационарности и равномерности граничных условий.

В первую очередь были установлены патронные нагреватели внутрь холодного теплообменника. В ходе длительных экспериментов были выявлены колебания средней температуры ХТО обусловленные разной уличной температурой в течение дня (охлаждение радиатора холодного теплообменника осуществляется продувом уличного воздуха). Установка дополнительных патронных нагревателей непосредственно внутрь объема с натрием и управление их нагревом устройством «Термодат 12к5» с ПИД регулированием позволили обеспечить стационарные граничные условия на границе конвективная ячейка – ХТО в течение долговременных замеров длительностью в несколько дней.

Далее было принято решение заменить медные перегородки толщиной 1 мм разделяющие объемы конвективной ячейки и теплообменников на перегородки из нержавеющей стали толщиной 0.5 мм. Несмотря на то что теплопроводность меди (401 Вт/м·К) во много раз больше теплопроводности стали (16 Вт/м·К), тепловой контакт меди и натрия в эксперименте оказывается хуже из-за образования оксидной пленки на поверхности меди, а так же плохой смачиваемости меди натрием. Как было показано в ходе дополнительных экспериментов, при должной обработке и очистке поверхности нержавеющей стали можно обеспечить хороший электрический, а, следовательно, и тепловой контакт с жидким натрием. Новые пластины были тщательно отшлифованы до состояния «зеркала» (финишная шлифовальная бумага P1500) и залужены оловом.

Эксперимент, визуализация слошинга

Пространственно временная карта температуры в трёх сечениях цилиндра.
Время осреднения – 1 секунда. Ra = 1.96·107
Позиции локальных максимумов и минимумов меняются периодически со временем с периодом около 0.1 Гц во всех сечениях согласованно. Это является доказательством наличия у КМЦ моды слошинга, когда её плоскость отклоняется периодически от центральной оси цилиндра.

• A.D. Mamykin, I. V. Kolesnichenko, A. M. Pavlinov and R. I. Khalilov Large scale circulation in turbulent Rayleigh-Benard convection of liquid sodium in cylindrical cell // Journal of Physics: Conf. Series. 2018. Vol. 1128. Pp. 012019. 2019

Эксперимент, скорость КМЦ

Термопары также использовались для измерения средней аксиальной компоненты скорости КМЦ в области между соседними термопарами. Эта скорость оценивается по положению максимума функции кросскорреляции, рассчитанной для каждой пары сигналов от соседних датчиков (маленькие графики на рис. слева). Дополнительные пики слева и справа от основного соответствуют колебаниям слошинга с периодом около 10 секунд. Чтобы охарактеризовать среднюю интенсивность КМЦ, вычислялась средняя скорость Ucc, усредненная по абсолютным значениям скоростей, измеренных в восьми тройках термопар A1-A3-A5, B1-B2-B3, C1-C2-C3, D1-D2-D3, E1-E3-E5, F1-F2-F3, G1-G2-G3 и H1-H2-H3. На основном графике слева показан профиль относительной температуры в среднем сечении цилиндра.

Другими источниками информации для определения характерного времени осцилляции основной моды КМЦ (или другой моды, например, слошинга) является спектры мощности пульсаций температуры. В спектрах температурных сигналов со всех термопар внутри цилиндра наблюдаются выраженные пики. На рис. слева показаны спектры температурных колебаний термопары А3 для различных чисел Релея. Основные пики соответствуют частоте колебаний fp КМЦ, fp = U / X (U – усредненная по времени скорость движения потока, X - характерный размер).

 Эксперимент, характеристики КМЦ

Частота ωp = 2πfp, нормированная на χ / D2, показана на рисунке сверху в зависимости от числа Рэлея. Линейная аппроксимация дает (ωp D2) / χ ~ Ra0.43 ± 0.01. Этот результат близок к зависимости (ωp D2) / χ = 0.47 Ra0.424, полученной Cioni et al. для ртути [*].	Число Рейнольдса может быть рассчитано двумя способами: через функции кросскорреляции Recc = Ucc D / ν и через спектры Ref = X D fp / ν. Полагая сначала X = 4D, получим Ref = 4 D2 fp / ν. На рисунке сверху показана зависимость Ref и Recc от числа Грассгофа Gr = Ra / Pr. Зависимости имеют близкий наклон, но сдвинуты относительно друг друга.	Полагая теперь Ref = Recc, получим значение X. На рисунке сверху показана зависимость величины X / π D от числа Грассгофа.

Положение плоскости крупномасштабной циркуляции

Вейвлет анализ мод крупномасштабной циркуляции

Характерные частоты 0.082 Гц и 0.19 Гц.

Блуждание крупномасштабной циркуляции

Эволюция КМЦ имеет сложную временную структуру: она как целое поворачивается вокруг главной оси цилиндра на различные углы. При этом данный процесс нельзя назвать прецессией из-за того, что, он носит непериодический характер. В зарубежной литературе такое поведение КМЦ называется «блужданием». Для изучения блуждания крупномасштабной циркуляции был разработан алгоритм обработки данных, позволяющий исключить из рассмотрения высокие моды и наблюдать только за основной.

Вейвлет анализ блуждания крупномасштабной циркуляции

Для частотного анализа долговременных блужданий основной моды КМЦ был применён вейвлет анализ. Как и прежде, в качестве анализирующего вейвлета был выбран вейвлет Морле. Во всех рассмотренных режимах выраженных долгоживущих частот не наблюдается, что ещё раз свидетельствует о непериодическом характере колебаний плоскости основной моды КМЦ. Пики на вейвлет диаграммах позволяют локализовать во времени повороты КМЦ на большие углы (≥ 80°). Помимо сильно выраженных пиков на вейвлет диаграммах также присутствуют области повышенной спектральной плотности энергии свидетельствующие о наличии короткоживущих квазипериодических процессов (с плавающей частотой). С осторожностью можно назвать такие процессы прецессией плоскости основной моды КМЦ. Можно также отметить, что с ростом числа Релея спектральная энергия падает.

Основные результаты

• Обнаружены (впервые для жидких металлов) слошинг крупномасштабной циркуляции (КМЦ) – плоскопараллельное периодическое смещение плоскости КМЦ от оси цилиндра и торсионные колебания. Было показано, что период колебаний слошинга согласуется с периодом обращения КМЦ и зависит от числа Релея.
• Долговременные замеры позволили обнаружить блуждание плоскости основной моды КМЦ с помощью разработанного алгоритма фильтрации экспериментальных данных. Процесс блуждания имеет непериодический характер и заключается в нерегулярных поворотах КМЦ как целого преимущественно на углы порядка 40 – 50° на временных масштабах от единиц до десятков минут, и, редко, на углы порядка 90° и даже на 180° на больших временных масштабах. Такие редкие события удалось зафиксировать на вейвлет-диаграммах в виде всплесков спектральной плотности энергии.
• Разработаны методы анализа поведения мод крупномасштабной циркуляции (КМЦ).
• Проведён сравнительный анализ эффективности различных методов определения плоскости КМЦ по параметрам точности и затрат машинного времени.
• Найдены характерные частоты торсионной и слошинговой мод колебаний КМЦ.
• Результаты экспериментальных исследований были использованы для верификации численного счёта (LES-подход), а также прямого численного моделирования.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 18-31-00339.
Ресурсозатратные расчеты выполнены на суперкомпьютере "Тритон" (ИМСС УрО РАН, г. Пермь).

Details

Category: Конкурсы Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ)

Published: 15 January 2019

Hits: 3712

Номер Проекта 17-41-590059-р_а
Название Проекта «Турбулентность и магнитные поля в замкнутом потоке жидкого натрия»
Руководитель: Фрик Петр Готлобович
Аннотация

Проект направлен на исследование процессов формирования турбулентного потока в криволинейном канале и процессов переноса магнитного поля в турбулентных потоках жидкого металла при больших числах Рейнольдса Re и умеренных магнитных числах Рейнольдса Rem. Основную часть проекта составляют экспериментальные исследования характеристик импульсных турбулентных потоков жидкого натрия - металла, обладающего высокой электропроводностью, малой плотностью, малой вязкостью и низкой температурой плавления. Проведены измерения характеристик поля скорости импульсного турбулентного течения натрия за решеткой, установленной в кольцевом канале (решетки обеспечивают инжекцию кинетической энергии непосредственно в малые масштабы). Показано, что динамика импульсного турбулентного потока существенно отличается от наблюдаемой в свободном канале, где турбулентность развивается на масштабах сечения канала, Рис.1.

Рис.1 Тороидальная полоидальная скорости в канале с решетками (верхняя панель) и в свободном канале (нижняя панель).

Измерения характеристик пульсаций скорости и магнитного поля показали, что индукционные эффекты в нестационарном импульсном потоке успевают проявиться в полной мере. Измерен эффективный коэффициент магнитной диффузии, который  за счет турбулентных пульсаций возрастает на 3%, Рис.2.

Рис.2 Измерение коэффициента магнитной диффузии (метод сдвига фаз). Сдвиг фаз в потоке решеточной турбулентности (верхняя панель) и калибровочный сдвиг фаз при отвердевании   жидкого натрия в канале (частоты наложенного магнитного поля 23, 53 и 97гц).

Выполнено численное моделирование процесса генерации мелкомасштабных пульсаций магнитного поля в нестационарном потоке. Расчеты выполнены с помощью каскадной модели турбулентности. Исследовано влияние характеристик возбуждаемого мелкомасштабного магнитного поля от параметров течения и магнитного числа Прандтля.

The project is aimed to study the characteristics of turbulent pulse flow in a curvilinear channel and the induction processes in turbulent nonstationary flows of a liquid metal under large Reynolds numbers and moderate magnetic Reynolds numbers. The main part of the project consists of experimental studies of the characteristics of turbulent spin-down flow of liquid sodium - a metal with high electrical conductivity, low density, low viscosity and low melting point. Measurements were made of the characteristics of the velocity field of a pulsed turbulent sodium flow behind grids installed in a toroidal channel. Grids provide injection of kinetic energy directly into small scales. It is shown that the dynamics of grid induced pulsed turbulent flow is significantly different from that observed in a free channel, where turbulence develops on the scale of the channel cross section. Measurements of the characteristics of the velocity and  magnetic field fluctuations showed that induction effects in this non-stationary pulsed flow have time to manifest themselves in full. The effective coefficient of magnetic diffusion is measured, which due to turbulent pulsations increased by 3%. Numerical modeling of the generation of small-scale magnetic field in the non-stationary flow has been performed. The calculations were performed using a shell model of turbulence. The influence of the characteristics of the excited small-scale magnetic field on the flow parameters and the magnetic Prandtl number is investigated.

Участие в научных мероприятиях по тематике Проекта за период, на который предоставлен грант (каждое мероприятие с новой строки, указать названия мероприятий и тип доклада)
ХX Зимняя Школа по механике сплошных сред, Пермь, 13-16 февраля 2017 г. - все участникиX Зимняя Школа по механике сплошных сред, Пермь, 13-16 февраля 2017 г. - все участники
проекта, устные доклады.
16th European Turbulence Conference (ETC16), 21-24 August 2017, Stockholm, Sweden. Фрик П.Г., устный доклад.
Всероссийская научная конференция "Теплофизика и физическая гидродинамика", Ялта, Республика Крым, 11-17 сентября 2017г., Фрик П.Г. Приглашенная лекция.

Адреса (полностью) ресурсов в Интернете, подготовленных авторами по данному проекту, например, http://www.somewhere.ru/mypub.html:
https://www.researchgate.net/project/Turbulence-and-magnetic-fields-in-closed-flow-of-liquidsodium?_esc=profileContributions
Библиографический список всех публикаций по Проекту, опубликованных за период, на который предоставлен грант, в порядке значимости: монографии, статьи в научных изданиях, тезисы докладов и материалы съездов, конференций и т.д.:
Stepanov R., Frick P., Noskov V., Pavlinov A., Denisov S. Magnetic field in decaying grid turbulence of liquid sodium // Magnetohydrodynamics. 2019. V.55. N.
Frick P., Mizeva I. MHD turbulence in spin-down flows of liquid metals // Magnetohydrodynamics. 2019. V.55. N.
Frick P., Mizeva I. MHD turbulence in spin-down flows of liquid metals // Russian Conference on Magnetohydrodynamics, June 18 – 21, 2018, Perm, Russia. Book of Abstracts. P.40.
Pavlinov A., Denisov S., Noskov V., Stepanov R., Frick P. Pulsed flows of liquid sodium in a toroidal channel: grid-induced turbulence // Russian Conference on Magnetohydrodynamics, June 18 – 21, 2018, Perm, Russia. Book of Abstracts. P.99.
Frick P., Mizeva I. MHD turbulence in spin-down flows of liquid metals // MHD Days and GdRI Dynamo Meeting, November 26 - 28, 2018, Dresden, Germany, Book of abstracts

Details

Category: Федеральные целевые программы (ФЦП)

Published: 09 January 2019

Hits: 4191

Этап №3 (заключительный) Разработка методик диагностики. Обобщение и оценка результатов выполнения проекта

Cоглашение № 075-15-2019-061 (внутренний номер соглашения 14.607.21.0202)

Номер гос. регистрации АААА-А18-118121090018-8

Уникальный идентификатор проекта RFMEFI60718X0202

Приоритетное направление: Науки о жизни

Критическая технология: Технологии снижения потерь от социально значимых заболеваний

Период выполнения: 31 мая 2018 г. – 31 декабря 2020 г.

Получатель субсидии: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук (ПФИЦ УрО РАН)

Индустриальный партнер: Акционерное общество «Производственное объединение «Уральский оптико-механический завод им. Э.С. Яламова» (АО «ПО «УОМЗ»)

Ключевые слова: РАННЯЯ ДИАГНОСТИКА, ПРОТИВООПУХОЛЕВЫЕ ПРЕПАРАТЫ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕПАРАТОВ,
КЛЕТОЧНЫЙ АНАЛИЗ, РАКОВЫЕ КЛЕТКИ, ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫЕ ОПУХОЛИ, КОМПЬЮТЕРНАЯ ОБРАБОТКА,
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ, ЛАЗЕРНАЯ МИКРОСКОПИЯ, ИНФРАКРАСНАЯ ТЕРМОГРАФИЯ,
ФЛЮОРЕСЦЕНТНАЯ МИКРОСКОПИЯ, НАНОПОРИСТЫЕ И МИКРОПОРИСТЫЕ НОСИТЕЛИ ПРОТИВООПУХОЛЕВЫХ
ПРЕПАРАТОВ, ПРОЛОНГИРОВАННОЕ ВЫСВОБОЖДЕНИЕ ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВ

1 Цель проекта

Реализация проекта направлена на решение социально-значимой проблемы создания отечественных программно-аппаратных средств и методик для высокоинформативной и достоверной ранней диагностики злокачественных новообразований, обеспечивающих импортонезависимость российского здравоохранения и имеющих экспортный потенциал.

Целью реализуемого проекта является создание обладающего экспортным потенциалом отечественного программно-аппаратного комплекса на базе лазерного модуляционного интерференционного микроскопа, оригинальных методик флюоресцентного и термографического анализа для ранней диагностики злокачественных опухолей, оценки эффективности противоопухолевых препаратов с целью обеспечения импортонезависимости.

2 Основные результаты проекта

Выполненный патентный и аналитический обзор более 100 научно-информационных литературных источника за 2013–2017 гг. в технической области методов диагностики злокачественных новообразований и оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов с использованием лазерной микроскопии, термографического анализа, флуоресцентного анализа позволил сформулировать направления исследований и возможные варианты технических решений. В результате исследований разработаны методы: термографической съемки молочной железы с использованием блока термографической диагностики (ТГД ПАК) и предварительной обработки тепловых изображений молочной железы. Предложен критерий классификации нормальной и раковой ткани молочной железы. Определен критерий дифференциации раковых и нормальных эпителиальных клеток, выделенных из одного источника (ткани, органа), базирующийся на оценке морфометрических параметров фазовых изображений клеток, полученных с помощью метода лазерной интерференционной микроскопии (ЛИМ ПАК). Создана методика анализа динамики изображений лазерной интерференционной микроскопии и дифференциации нормальных и опухолевых клеток. Предложен критерий дифференциации нормальных и опухолевых клеток, устанавливающий соответствие опухолевой эпителиальной клетки человека значениям показателя Хёрста, превышающим значение 0,45 при нулевой ширине мультифрактального спектра. В противном случае клетка считается нормальной. С использованием разработанных в проекте компьютерных моделей поровой структуры созданы методики получения носителей лекарственных препаратов на основе пористых кремния и кальций-фосфатного покрытия для экспресс-оценки эффективности противоопухолевых препаратов. Разработана эскизная документация и изготовлен лабораторный стенд для оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов методом ЛИМ ФПВК.941416.001. Разработаны макеты модуля флуоресцентного канала и револьверной головки блока ЛИМ ПАК, подготовлена эскизная конструкторская документация модулей, проведены их исследовательские испытания, подготовлены технические рекомендации для максимального интегрирования данных компонентов в систему ЛИМ ПАК.

Анализ измерений тестовых объектов показал, что, по сравнению со сканирующим интерференционным профилометром ZYGO NewView 5010, ЛИМ ПАК удовлетворяет требованиям техзадания по техническим характеристикам: обеспечивает лучшую разрешающую способность в плоскости (X, Y) и точность измерения высоты объектов с размером менее 1,5 мкм. Разработаны и испытаны программные модули обработки данных ПАК: инфракрасной термографии; флюоресцентного анализа клеток, динамики их изображений и морфометрии. Программные модули позволяют: загружать и сохранять оптическое изображение клетки; выделять, загружать и фильтровать флюоресцентный образ клеток; загружать, восстанавливать фазовые сдвиги, удалять наклон, выделять контур фазового изображения, анализировать морфометрические показатели и флуктуации оптической толщины клеток. Методом ЛИМ с использованием пористых носителей препаратов разработана лабораторная методика оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов, основанная на том, что эффективность действия препарата способствует повышению уровня апоптотических изменений в клетке и, как следствие, увеличению степени волнистости профиля ее фазовых изображений. Разработаны и изготовлены экспериментальные образцы, ЭКД модулей флюоресцентного анализа и револьверной головки блока ЛИМ ПАК, испытания которых подтвердили: стабильность работы системы переключения между увеличениями и разницу в положении фокусировки для различных объективов, а также наблюдаемость объекта калибровки - проточного цитометра диаметром 6 мкм. Схема осветителя образца с применением светодиода GNL-50113UBC и плосковыпуклой линзы с ФР 40 мм позволила повысить уровень засветки в 2 раза и снизить мощность питания. Методика транспортировки и хранения клеток образцов тканей человека для исследований методом ЛИМ обеспечивает поддержание 60-70%-ой жизнеспособности клеток. Методика пробоподготовки клеток включает обработку и получение из ткани методом биопсии суспензии жизнеспособных (не менее 60%) клеток. Дисперсия флуктуаций оптической толщины клеток (данные ЛИМ) позволяет выявить живые и мертвые клетки. Разработаны и протестированы компьютерные модели поровой структуры нано- и микропористых материалов носителей лекарственных препаратов и проведено компьютерное моделирование переноса противоопухолевых антибиотиков в поровом пространстве нано- и микропористых материалов.

Разработана и верифицирована методика ранней диагностики рака молочной железы с использованием ПАК. Разработаны рекомендации по применению методики ранней диагностики рака молочной железы с использованием ПАК в клинической практике. Разработан лабораторный технологический регламент изготовления носителей лекарственных препаратов для оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов методом лазерной интерференционной микроскопии. Изготовлены и проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов носителей лекарственных препаратов. Проведены экспериментальные исследования методики оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов методом лазерной интерференционной микроскопии. Изготовлен и проведены исследовательские испытания экспериментального образца ПАК. Разработаны рекомендации и предложения Индустриальному партнеру по использованию результатов выполнения проекта при организации производства продукции проекта. Разработан проект технического задания на проведение ОКР «Разработка флюоресцентного лазерного интерференционного микроскопа для программно-аппаратных комплексов ранней диагностики злокачественных опухолей и анализа эффективности действия противоопухолевых препаратов». Разработана методика оценки апоптоза опухолевых клеток под действием противоопухолевых препаратов. Разработана и проведены исследовательские испытания программного модуля хранения и протоколирования данных ПАК. Проведены исследовательские испытания программного обеспечения ПАК. Разработан и проведены отладка и тестирование программного модуля управления ПАК. Разработана эксплуатационная документация ПАК. Проведены мероприятия по популяризации и демонстрации результатов выполнения проекта. Выполнено материально-техническое обеспечение работ этапа. Разработана методика оценки функционального состояния опухолевых клеток образцов тканей человека методом лазерной интерференционной микроскопии.

Выполнены патентный и аналитический обзоры современной научно-технической, нормативной и методической литературы в технической области методов диагностики опухолевых новообразований и оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов с использованием лазерной микроскопии, термографического анализа, флуоресцентного анализа, включая более 100 научно-информационных источника за период 2013–2017. На основании аналитического обзора сделан выбор направлений исследований и возможных вариантов технических решений, которые включают: разработку аппаратуры и программного обеспечения для получения комплекса экспериментальных данных, необходимых для выявления закономерностей развития онкологических заболеваний с целью разработки методов ранней диагностики рака и последующего выбора стратегии лечения; выявление основных признаков патологических изменений морфометрических параметров клеток для ранней диагностики онкологических заболеваний с использованием методов лазерной интерференционной микроскопии (ЛИМ) и инфракрасной термографии; создание научно-методического подхода по оценке эффективности вновь разрабатываемых противоопухолевых препаратов с использованием нано- и микропористых носителей лекарственных средств методом лазерной интерференционной микроскопии. Выполненный анализ научной и патентной литературы по тематике проекта, а также результаты собственных исследований авторов проекта позволяют прогнозировать получение новых технических решений в результате разработки и исследовательских испытаний с использованием новых программных комплексов блока термографической диагностики программно-аппаратного комплекса для ранней диагностики злокачественных опухолей и анализа эффективности действия противоопухолевых препаратов методами лазерной интерференционной микроскопии и инфракрасной термографии (ПАК), а также модуля револьверной головки блока лазерной интерференционной микроскопии, совмещенного с модулем флуоресцентного анализа для исследования морфологии и динамики флуктуаций клеточных структур. В свою очередь, определение оптимальных параметров применительно к технологии изготовления платформ с пористым носителем, обеспечивающих формирование заданных характеристики пористой структуры, обеспечит получение носителей лекарственных средств для разработки лабораторной методики оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов методом ЛИМ.

В результате экспериментальных исследований разработаны и апробированы методы термографической съемки молочной железы с использованием блока ТГД ПАК, предварительной обработки тепловых изображений молочной железы, построения мультифрактального спектра и фазового портрета. Для получения критерия классификации нормальной и раковой ткани молочной железы применялся статистический анализ на основе двухвыборочного непараметрического критерия Уилкоксона-Манна-Уитни и проводился корреляционный анализ методом Спирмена. Разработан программный модуль (в виде отдельных компонентов (классов) на высокоуровневом языке программирования MATLAB), который позволяет загружать, фильтровать (по пространству и времени в определенном частотном диапазоне), анализировать флуктуации поверхностной температуры молочных желез человека. Сохранение всех результатов производится в формате xls (файл Excel). Разработанная методика диагностики рака молочной железы с использованием блока ТГД ПАК была апробирована и проведено сравнение с клинико-лабораторными исследованиями.

Созданы методики анализа динамики изображений ЛИМ и дифференциации нормальных и опухолевых клеток. Предложен критерий дифференциации нормальных и опухолевых клеток, устанавливающий, что эпителиальная клетка человека считается опухолевой, если значение показателя Хёрста превышает значение 0,45 и ширина мультифрактального спектра равна 0. В противном случае клетка считается нормальной.

Для дифференциации выделенных из одного источника (ткани, органа) раковых и нормальных эпителиальных клеток определен критерий, базирующийся на оценке морфометрических параметров фазовых изображений, полученных с помощью метода ЛИМ.

Разработанная методика получения носителей лекарственных препаратов на основе кальций-фосфатных соединений позволяет получать методом микродугового оксидирования кальций-фосфатные покрытия на подложках из титанового сплава ВТ1-0 с пористой структурой, состоящей из нижнего оксидного подслоя и основного пористого кальций-фосфатного слоя, содержащего на поверхности сфероидальные структурные элементы с открытыми проницаемыми порами. Общая пористость составляет 30–40 %, средний размер пор составляет 1–15 мкм.

Разработанная методика получения носителей лекарственных препаратов на основе кремния позволяет получать методами химического и электрохимического травления образцы с пористой структурой. Общая пористость составляет 50–80 %, поперечный диаметр пор находится в диапазоне 10–50 нм.

Разработана эскизная документация и изготовлен лабораторный стенд для оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов методом лазерной интерференционной микроскопии ФПВК.941416.001.

Разработаны макеты модуля флуоресцентного канала и револьверной головки блока ЛИМ ПАК, подготовлена эскизная конструкторская документация модулей и проведены исследовательские испытания модулей. На основе данных исследовательских испытаний разработанных макетов модулей блока ЛИМ ПАК, подготовлены технические рекомендации для максимального интегрирования данных компонентов в систему ЛИМ ПАК.

Разработаны компьютерные модели поровой структуры нано- и микропористых материалов носителей лекарственных препаратов. Данные модели могут быть использованы для получения параметров поровой структуры носителей лекарственных препаратов для корректного анализа эффективности их действия.

Сравнительный анализ результатов измерений тестовых объектов показал, что, по сравнению со сканирующим интерференционным профилометром ZYGO NewView 5010, блок ЛИМ ПАК удовлетворяет требованиям технического задания по техническим характеристикам:точность позиционирования в плоскости (X, Y) не хуже 300 нм; разрешающая способность в плоскости (X, Y) не хуже 100 нм; разрешающая способность в направлении Z не хуже 0,2 нм; частота кадров не менее 20 Гц; диапазон сканирования (по оси Z) не менее 10 мкм; размер кадра не менее 740х480 пикселей; потребляемая мощность не более 2 кВт, демонстрируя лучшую разрешающую способность в плоскости (X, Y) и позволяя точнее измерять высоту объектов с характерным размером 1,5 мкм и менее.

Разработаны и испытаны программные модули обработки данных флюоресцентного анализа клеток ПАК, а также анализа динамики их изображений и морфометрических данных для ранней диагностики злокачественных опухолей и анализа эффективности действия противоопухолевых препаратов методами ЛИМ и инфракрасной термографии. Описанные алгоритмы реализованы в программном модуле в виде отдельных компонентов (классов) на высокоуровневом языке программирования MATLAB. Программные модули позволяют загружать оптическое изображение клетки (*.bmp, *.jpg, *.tiff), выделять и загружать, фильтровать (по времени в определенном частотном диапазоне) флюоресцентный образ клеток молочных желез человека, а также загружать, восстанавливать фазовые сдвиги, удалять наклон, выделять контур фазового изображения и анализировать морфометрические показатели и флуктуации оптической толщины клеток. Сохранение всех результатов производится в формате xls (файл Excel).

Разработана лабораторная методика оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов с использованием метода ЛИМ и разработанных пористых носителей препаратов на основе кремния и кальций-фосфатных соединений. Методика базируется на анализе волнистости профиля фазовых изображений клеток с помощь программного обеспечения Gwyddion. Анализ данных позволяет связать величину волнистости профиля клетки с уровнем апоптических изменений исследуемых клеток, коррелирующих с эффективностью противоопухолевого препарата.

Разработаны и изготовлены экспериментальные образцы модуля флюоресцентного анализа и модуля револьверной головки блока ЛИМ ПАК, включая эскизную конструкторскую документацию. Исследовательские испытания функционирования экспериментального образца модуля револьверной головки блока ЛИМ ПАК подтвердили стабильность работы системы переключения между увеличениями, а также разницу в положении фокусировки для различных объективов. Исследовательские испытания экспериментального образца модуля флюоресцентного анализа блока ЛИМ ПАК подтвердили наблюдаемость объекта в условиях использования в качестве объекта калибровки проточного цитометра диаметром 6 мкм. При этом техническое решение реализации схемы осветителя экспериментального образца с применением светодиода GNL-50113UBC совместно с плосковыпуклой линзой с фокусным расстоянием 40 мм позволило повысить уровень засветки в два раза с одновременным уменьшением требуемой мощности питания.

Разработанная методика транспортировки и хранения клеток образцов тканей человека позволяет сохранить жизнеспособные клетки исследуемого биоматериала в процессе подготовки к транспортировке, собственно транспортировки с доставкой в научно-исследовательскую лабораторию и первичной обработки образцов. При соблюдении условий разработанной методики, включая среду для транспортировки и температурный режим, определен оптимальный временной интервал (не более 2 часов после операционного вмешательства), в течение которого образцы ткани молочной железы сохраняют жизнеспособность (не менее 60-70%) и могут быть использованы для подготовки клеточных препаратов для исследования методом ЛИМ. Кроме того, установлены условия хранения образцов в виде клеточных проб в условиях криоконсервации (−196°C, 8 часов), позволяющие сохранить жизнеспособность клеток на уровне 60%, что удовлетворяет требованиям для исследования методом ЛИМ.

Установлено, что метод механической дезагрегации образцов тканей молочной железы человека (биопсия) с получением единичных (обособленных) клеток с уровнем жизнеспособности более 60% из образцов тканей молочной железы человека, представленных как плотными, так и мягкими структурами, позволяет осуществить оптимальную пробоподготовку клеточных образцов для анализа с помощью ЛИМ ПАК.

В результате сравнительного анализа живых и мертвых клеток на основе данных ЛИМ ПАК выбран параметр оценки состояния клетки (значение дисперсии флуктуаций оптической толщины клеток) и определено его критическое значение (7 нм²), позволяющие идентифицировать живые / мертвые клетки без специальной фиксации и окраски клеточных образцов.

Разработаны компьютерные модели поровой структуры носителей лекарственных препаратов и на примере противоопухолевых антибиотиков доксорубицина и бензилпенициллина проведено компьютерное моделирование диффузии лекарственных препаратов из пор носителей на основе кремния и кальций-фосфатных соединений, получены оценочные значения коэффициента диффузии. Показано, что с увеличением размера поры величина коэффициента диффузии нелинейно возрастает и выходит на насыщение при размерах пор, превышающих 0,3–0,4 мкм.

Разработана методика ранней диагностики рака молочной железы человека с использованием ПАК, направленная на решение важной социально-медицинской проблемы, а именно проблемы раннего выявления злокачественных новообразований молочной железы. В качестве целевой группы для скрининга определены женщины в возрасте до 40 лет. Обязательные ежегодный скрининг РМЖ данной группы включают использование неинвазивного метода УЗИ, который не позволяет однозначно дифференцировать доброкачественные и злокачественные новообразования. Применение разработанной схемы скрининга также актуально для беременных женщин и женщин в период лактации (независимо от возрастной категории), поскольку предложенный алгоритм диагностики исключает применение инвазивных инструментальных методов исследования. Согласно разработанной методике, блок ТГД ПАК может быть использован в схеме ранней диагностики РМЖ для уточняющей неинвазивной функциональной дифференциации патологического процесса, а блок ЛИМ ПАК − для дифференциации патологически измененных клеток биоптата и объективной оценки результатов цитодиагностики.

Проведена верификация методики ранней диагностики рака молочной железы с использованием клинических данных маммографии. В ходе верификации проведено сравнение результатов, полученных при реализации методики ранней диагностики рака молочной железы с использованием метода ТГД, с данными маммографии пациентов, с диагностированным раком молочной железы.

Разработаны рекомендации по применению методики ранней диагностики рака молочной железы с использованием ПАК в клинической практике. Показано, что разработанная методика применима как для ранней диагностики рака молочной железы, так и для оценки эффективности терапевтического лечения.

Проведены экспериментальные исследования разработанной методики оценки эффективности действия противоопухолевых препаратов методом лазерной интерференционной микроскопии и сопоставление полученных результатов с оценкой эффективности действия противоопухолевого препарата стандартными методами (МТТ-тест, метод прямого подсчета клеток в оптическом микроскопе, метод измерения флуоресценции клеток, метод проточной цитометрии) на примере оценки определения жизнеспособности раковых клеткок линии аденокарциномы молочной железы человека MCF-7 под действием доксорубицина. Результаты исследований с использованием методики ЛИМ обеспечивают статистически сопоставимые результаты со стандартными методами оценки жизнеспособности нормальных и опухолевых клеток, предоставляя возможность количественного определения морфологических характеристик в прижизненном цикле клеток без воздействия (например, окрашивания при флуоресцентном анализе).

Разработаны образцы носителей противоопухолевых препаратов на основе кремния и кальций-фосфатных соединений с нанопористой структурой и методика оценки эффектив-ности противоопухолевых препаратов в прижизненном цикле нормальных и раковых клеток с использованием лазерной интерференционной микроскопии.

Показано, что результаты исследований с использованием разработанной методики ЛИМ обеспечивают сравнимые характеристики со стандартными методами, обеспечивая возможность определения морфологических характеристик в прижизненном цикле раковых клеток, без окрашивания и других воздействий, проводимых при пробоподготовке. Разработанная методика ЛИМ позволяет проводить визуальный скриннинг стадий клеточного апоптоза, что даёт дополнительную информацию о воздействии лекарственных препаратов на раковые клетки. Разработанная методика ЛИМ позволяет реализовать в экспериментах in vitro постепенное дозированное и пролонгированное взаимодействие исследуемого лекарственного препарата с раковыми клетками, что позволяет реализовать условия эксперимента наиболее приближенные к процессам, протекающим в живом организме. Разработанная методика с использованием лазерной интерференционной микроскопии может быть использована при разработке новых противоопухолевых препаратов для оценки их эффективности in vitro.

Изготовлен и проведены исследовательские испытания экспериментального образца ПАК. Экспериментальный образец ПАК представляет собой два независимых блока: лазерный интерференционный микроскоп, работающий в проходящем свете с инвертированной оптической схемой, оснащенный дополнительным каналом флуоресцентного анализа и блока ТГД. Блок ТГД предназначен для скрининговой неинвазивной ранней диагностики. Лазерный интерференционный микроскоп, работающий в проходящем свете с инвертированной оптической схемой, оснащенный дополнительным каналом флуоресцентного анализа предназначен для ранней диагностики злокачественных опухолей, оценки эффективности противоопухолевых препаратов. Блок ТГД состоит из следующих основных структурных блоков: тепловизора и специального бокса для проведения тепловизионной съёмки. Лазерный интерференционный микроскоп состоит из следующих основных структурных блоков: блок оптический предназначен для формирования изображения и представляет собой модификацию интерферометра Линника с объектным плечом; модуль флуоресцентного анализа предназначен для получения флуоресцентного изображения исследуемого микрообъекта, совмещенного с измерительным каналом; модуль регистрации служит для оцифровки полученных изображений и выполняется в виде камер, расположенных в плоскостях изображений измерительного и флуоресцентного каналов; блок оптико-механический, который обеспечивает перемещение оптических элементов для настройки и управления модулем ЛИМ ПАК. Сборка и настройка блока ЛИМ ПАК выполнены с учетом его функционального назначения и требований технического задания.

Разработаны рекомендации и предложения Индустриальному партнеру по использованию результатов выполнения проекта. Показано, что ПАК является перспективным для медико-биологических исследований. Также разработан проект технического задания на проведение ОКР «Разработка флюоресцентного лазерного интерференционного микроскопа для программно-аппаратных комплексов ранней диагностики злокачественных опухолей и анализа эффективности действия противоопухолевых препаратов»

Разработана методика оценки апоптоза опухолевых клеток под действием противоопухолевых препаратов с использованием лазерной интерференционной микроскопии. Проведенные исследования показали, что разработанная методика не противоречит общепринятым методам исследования процесса апоптоза и может быть использована как для оценки апоптоза, так и для поиска новых индукторов апоптоза.

Разработан программный модуль хранения и протоколирования данных программно-аппаратного комплекса для ранней диагностики злокачественных опухолей и анализа эффективности действия противоопухолевых препаратов методами лазерной интерференционной микроскопии и инфракрасной термографии. Описанные алгоритмы были реализованы в программном модуле в виде отдельных функций на высокоуровневом языке программирования MATLAB. Программный модуль позволяет загружать, редактировать и сохранять данные в формате XML (расширяемый язык разметки). Проведены исследовательские испытания программного модуля хранения и протоколирования данных с целью проверки соответствия загрузки входных данных, их обработки и выгрузки выходных данных.

Разработано программное обеспечение программно-аппаратного комплекса для ранней диагностики злокачественных опухолей и анализа эффективности действия противоопухолевых препаратов методами лазерной интерференционной микроскопии и инфракрасной термографии. Выполнены исследовательские испытания программного обеспечения ПАК с целью проверки соответствия загрузки входных данных, их обработки и выгрузки выходных данных.

Разработан программный модуль управления ПАК, проведены его отладка и тестирование. Программный модуль управления ПАК предназначен для управления оптической системой блока ЛИМ ПАК, позволяет использовать любые аппаратные и программные настройки узлов оптической системы блока ЛИМ ПАК для работы в различных режимах, а также получать и сохранять исследовательские данные и настройки всех узлов оптической системы блока ЛИМ ПАК. Протестированы режимы работы оптической системы блока ЛИМ ПАК.

Подготовлена эксплуатационная документация ПАК, состоящая из паспорта, руководства оператора и руководства программиста.

Разработана методика оценки функционального состояния опухолевых клеток образцов тканей человека методом лазерной интерференционной микроскопии. Разработанная методика включает оценку жизнеспособности клеток и последующую дифференциацию живых клеток на раковые и нераковые методом лазерной интерференционной микроскопии.

В связи с получением результатов интеллектуальной деятельности, способных к правовой охране, были выполнены дополнительные патентные исследования, которые показали, что известные источники информации не нарушают новизну и охраноспособность сведений о результатах интеллектуальной деятельности, полученных в рамках настоящего ПНИЭР.

Работы выполнены на высоком научно-техническом уровне, полученные результаты соответствуют техническому заданию и плану-графику исполнения обязательств.

3 Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках проекта

На отчетном этапе зарегистрированы охраноспособные РИД, включающие «Программу для оценки жизнеспособности клеток» (программа для ЭВМ; свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2020619888; заявка № 2020618535; дата поступления заявки 03 августа 2020г.; дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 25 августа 2020 г.) и «Программу для оценки фрактальной размерности контура фазовых изображений клеток» (программа для ЭВМ; свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2020664645; заявка № 2020619628; дата поступления заявки 27 августа 2020г.; дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 16 нобяря 2020 г.), а также подана заявка в Евразийское патентное ведомство «Способ определения жизнеспособности клеток эукариот методом лазерной интерференционной микроскопии» (изобретение; Евразийская заявка № 202000269; дата поступления заявки 02 сентября 2020г.).

4 Назначение и область применения результатов проекта

Результаты проекта по разработке отечественных инновационных программно-аппаратных средств для ранней диагностики онкологических заболеваний и оценки эффективности противоопухолевых средств вносят значимый вклад в реализацию приоритетов Стратегии научно-технологического развития России в части перехода к персонализированной медицине, высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьесбережения.

5 Эффекты от внедрения результатов проекта

Организация производства и выпуск программно-аппаратных комплексов на территории РФ позволит повысить эффективность неинвазивной диагностики и терапевтических методов лечения рака молочной железы, сократить сроки лечения и снизить затраты медицинских учреждений на закупку лекарственных препаратов импортного производства, обеспечит импортонезависимость отечественного здравоохранения от поставок дорогостоящего оборудования и препаратов, а также позволит увеличить объемы экспорта российской высокотехнологичной продукции.

6 Формы и объемы коммерциализации результатов проекта

Коммерциализация результатов проекта позволит создать высокотехнологичный наукоемкий продукт – программно-аппаратный комплекс (ПАК), востребованный в здравоохранении и в области биомедицинских исследований для ранней диагностики злокачественных опухолей и анализа действия противоопухолевых препаратов. Создание производства на базе Индустриального партнера позволит увеличить долю российской продукции на отечественном рынке в части оборудования лазерной интерференционной микроскопии и сопутствующего оборудования к 2024 г. до 2,5 % (в настоящий момент около 1 %). По данным агентства BCC Research, объем мирового рынка микроскопии и сопутствующего оборудования для биомедицинских приложений в 2018 году превысил $7,0 млрд, а в 2019 – $7,1 млрд (доля российского рынка менее 0,1%). Техническо-экономические характеристики планируемой к производству продукции проекта обеспечивают ее конкурентные преимущества перед импортными аналогами. Прогнозируемая стоимость ПАК на 30 % ниже импортных аналогов, что обеспечивает конкурентоспособность продукта на внутреннем и на внешних рынках. Вывод на рынок создаваемых на основе результатов проекта программно-аппаратных комплексов планируется осуществить в 2021 г.

7 Наличие соисполнителей

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, этап 3, январь-ноябрь 2020 г.

Details

Category: Федеральные целевые программы (ФЦП)

Published: 09 January 2019

Hits: 5656

Федеральные целевые программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы»

• соглашение от 26.11.2018 г. № 075-02-2018-147
  номер гос. регистрации АААА-А18-118121090018-8
  Уникальный идентификатор проекта RFMEFI60718X0202
  "Разработка программно-аппаратного комплекса для ранней диагностики злокачественных опухолей и анализа эффективности действия противоопухолевых препаратов методами лазерной интерференционной микроскопии и инфракрасной термографии"
  
  
• Соглашение от 01.11.2019 № 075-15-2019-1655
  Номер гос. регистрации АААА-А19-119121390036-8
  Уникальный идентификатор проекта RFMEFI62119X0031
  «Поддержка и развитие центра коллективного пользования научным оборудование "Исследования материалов и вещества" для обеспечения реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации»
  Этап 1 (2019 год)
  Этап 2 (2020 год)

• Соглашение от 13.05.2020 № 075-15-2020-539
  Номер гос. регистрации АААА-А20-120121090066-4
  Уникальный идентификатор проекта RFMEFI62120X0036
  Поддержка и развитие центра коллективного пользования научным оборудованием "Исследование материалов и вещества" для обеспечения реализации исследовательских программ и проектов по перспективным научным направлениям Пермского научно-исследовательского центра мирового уровня "Рациональное недропользование"

Details

Category: Конкурсы Российского научного фонда (РНФ)

Published: 19 December 2018

Hits: 3559

Аннотация проекта:

Возрастающее использование возобновляемых источников с сильно изменяющимся во времени выходом энергии требует соответствующего масштабного расширения хранилищ электроэнергии. Хотя углеводороды считаются единственным жизнеспособным способом долгосрочного хранения энергии (на масштабах тераватт-часов), электрохимические хранилища являются привлекательным кандидатом для краткосрочного и среднесрочного хранения. Жидкометаллические батареи (ЖМБ) активно изучались еще в 1960-х и вновь привлекли к себе внимание в последнее время. ЖМБ состоят из двух жидких металлических электродов, разделенных слоем жидкости с ионной проводимостью (расплавленной соли). Их основными преимуществами являются сверхбыстрая кинетика переноса заряда на границах жидкость-жидкость, обеспечивающая чрезвычайно высокую плотность тока заряда-разряда, их потенциально низкая стоимость, обусловленная обилием электродных материалов, таких как натрий и свинец, а также, отсутствие проблем старения, что обещает беспрецедентный срок службы. В настоящее время созданы образцы небольших лабораторных ЖМБ, однако выходу на промышленно интересные размеры мешает целый букет гидродинамических и магнитогидродинамических (МГД) неустойчивостей: конвективная, электровихревая, тейлеровская и пр.   Проект включает теоретическое и экспериментальное исследование гидродинамики ЖМБ, в частности МГД-эффектов, возникающих в многослойных жидкометаллических системах при протекании больших электрических токов и вызванном ими сильном локальном разогреве. Предстоит выяснить критерии, определяющие ограничения на максимальный размер ЖМБ и / или на минимальную толщину слоя электролита, а также, провести поиск путей преодоления этих ограничений.
       Удивительно, но одна из МГД неустойчивостей, связанных с ЖМБ, неустойчивость Тейлера, лежит и в основе модели Тейлер-Спройта для звездных динамо. Недавно было обнаружено, что в отличие от других моделей солнечного динамо, модель Тейлера-Спройта очень восприимчива к синхронизации слабыми приливно-отливными силами, вызываемыми движением планет. Это может послужить ключом к объяснению удивительной эмпирической синхронизации цикла Швабе с периодической со-ориентацией трех доминирующих планет (Венеры, Земли и Юпитера) с периодом11.07 лет. В рамках проекта планируется подтвердить и расширить эту модель синхронизации с целью объяснить и более длительные циклы солнечного динамо, которые, в свою очередь, должны быть поняты и количественно определены, чтобы получить более надежные климатические прогнозы и обеспечить выявление антропогенных компонентов. Будет  построена модель синхронизации динамо, которая позволит подтвердить (или опровергнуть) эту возможность. В том случае, если идея обнаружит жизнеспособность, мы предполагаем построить метод использования обнаруженного таким образом фактора, определяющего солнечную активность, для ее прогноза. Мы ожидаем, что эти методы, безотносительно от судьбы идеи синхронизации самой по себе, окажутся полезными для задачи предсказания солнечной активности. В ходе проекта будут развиты соответствующие методы анализа и прогноза.
       План работ включает четыре задачи:  первая и вторая посвящены ЖМБ, третья и четвертая - солнечному динамо. Обе темы проекта тесно связаны лежащими в их основе МГД неустойчивостями, что отражает и содержание задач плана. Учитывая имеющийся опыт участвующих институтов, работа будет проводиться в тесном сотрудничестве в расчете на синергетический эффект.
Задача 1 «Эксперименты по ЖМБ» направлена на изучение различных МГД неустойчивостей в ЖМБ в «холодном» трехслойном эксперименте, который позволит использовать весь арсенал методов измерений. Второй этап предполагает переход к «горячей» системе с Bi, солью Na и Na, для чего должны быть разработаны соответствующие индукционные методы идентификации границ раздела. С учетом опыта  экспериментов по конвекции натрии, эксперимент будет реализован в ИМСС, но при всесторонней поддержке ГЦДР как при планировании и подготовке эксперимента, так и в подготовке и проведении измерений.
Задача 2 «Численное моделирование и разработка методов измерений для ЖМБ» включает численные исследования ЖМБ. Основываясь на существующей библиотеке разработанных в ГЦДР кодов для одно- и двухфазных потоков, большая часть численных работ будет проводиться в ГЦДР, но при тесном сотрудничестве с группой в Перми. Работа по комбинированной индуктивной системе для одновременного определения скорости потока и положений интерфейса будет проводится совместно. Во всех экспериментах будут проанализированы возникающие режимы течения и структура поверхности для разных параметров процесса. Результаты численного моделирования будут сопоставлены с результатами эксперимента. Это позволит уточнить математическую модель и достичь хорошего согласия между результатами расчета и эксперимента.
Задача 3 «Эксперимент по инициированию колебаний спиральности в потоке Рэлея-Бенара» относится к модели планетарной синхронизации солнечного динамо, которая основана на изменениях спиральности, вызванных приливно возмущениями, без существенного изменения кинетической энергии. Идея состоит в том, чтобы исследовать запуск колебаний спиральности в конвективном эксперименте  с помощью соответствующего возмущения старшей моды. Эксперимент будет проводиться в ГЦДР, но с учетом опыта российской группы по конвективным экспериментам на жидком металле.
Задача 4 «Теория синхронизации солнечного динамо» направлена на развитие модель солнечного динамо с синхронизацией, и ее согласования с традиционными моделями солнечного динамо, а также данными солнечных наблюдений и связанных с климатом данных. Поскольку модель опирается на МГД явления, рассматриваемые и задачах ЖМБ, задача 4 тесно связана методологически с задачей 2. Существующий код будет адаптирован и использован для изучения колебаний спиральности при более высоких (магнитных) числах Прандтля. Численное моделирование будет также выполнено для более тонких цилиндрических оболочек (которые более похожи на тахолин, но численно более затратны) и с учетом вращения. Результаты моделирования будут сравниваться с данными наблюдения за солнечной активностью. Особое внимание будет уделено долговременных циклов и тому, как они могут возникать в модели синхронизации. Основные численные эксперименты будут выполняться в ГЦДР, при активной поддержке ИМСС и МГУ в части построения моделей 
и интерпретации наблюдательных данных.

Основные участники российского коллектива:

Институт механики сплошных сред УрО РАН

Фрик Петр Готлобович (рук.) 
Степанов Родион Александрович (осн. исп.)
Колесниченко Илья Владимирович (осн. исп.)
Халилов Руслан Ильдусович,
Павлинов Александр Михайлович,
Мамыкин Андрей Дмитриевич,
Титов Валерий Викторович, 
Лосев Геннадий Леонидович, 

Московский государственный университет

Соколов Дмитрий Дмитриевич (осн. исп.)
Калинин Антон Олегович, 

Основные участники зарубежного коллектива:

Геймгольц Центр Дрезден-Розендорф

Стефани Франк (рук.) , доктор наук, вед.науч.сотр. 
Вайер Том, доктор тех.наук, науч.сотр. 
Вебер Норберт, доктор тех.наук., пост.док. 
Гиизеке Андре, доктор наук, науч.сотр. 
Вондрак Томас, доктор тех.наук