Вестник Пермского университета. Физика

Моделирование транспорта конечного объёма примеси через вертикальную пористую колонну

Михаил Хабин — 2025-12-28

Задача о вертикальном просачивании (снизу-вверх) порции смеси через массив пористой среды под действием постоянного перепада давления. Транспорт примеси моделируется в рамках MIM (mobile/immobile media) подхода. Процессы сорбции описываются нелинейной MIM моделью, учитывающей предел осаждения примеси на стенках пор. Фильтрация моделируется в приближении Дарси–Буссинеска, что позволяет учитывать влияние силы тяжести и, как следствие, развитие концентрационной конвекции. Зависимость проницаемости от пористости даётся соотношением Козени–Кармана. Аналитически получено основное бесконвективное состояние. Задача о возникновении конвекции решалась численно, методом конечных разностей. Получены поля концентрации и возмущений функции тока, а также средний мгновенный профиль концентрации по направлению течения для разных моментов времени. Показано, как рост числа Рэлея–Дарси влияет на времена закачивания и выхода раствора из рабочей области, а также на кривую прорыва.

Дефектная структура и механизмы проводимости в наноструктурированных оксидных плёнках, полученных методом спрей-пиролиза

Тимур Зинченко — 2025-12-28

Исследована дефектная структура и механизмы электронной проводимости в наноструктурированных плёнках прозрачных проводящих оксидов ZnO и SnO₂, полученных методом ультразвукового спрей-пиролиза при температурах 450–550°C. Комплексными методами электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), фотолюминесцентной (ФЛ) спектроскопии, рентгеноструктурного анализа и температурных измерений электропроводности в диапазоне 77–400 К выполнена идентификация основных типов точечных дефектов и проведён детальный анализ их влияния на электронные транспортные свойства. Размер кристаллитов составил 15–35 нм для ZnO и 20–45 нм для SnO₂. Концентрация носителей заряда достигает (2–8)·10¹⁷ см⁻³ для ZnO и (5–15)·10¹⁷ см⁻³ для SnO₂, подвижность электронов при комнатной температуре составляет 15–25 см²/(В·с) и 8–18 см²/(В·с) соответственно. Установлено, что проводимость плёнок определяется совокупностью трех основных процессов: внутризёренным транспортом электронов по зоне проводимости, туннелированием через потенциальные барьеры высотой 80–120 мэВ на межзёренных границах и термически активированной прыжковой проводимостью по дефектным состояниям. Впервые предложена комплексная физическая модель проводимости, учитывающая морфологические особенности наноструктурированных плёнок, размерное распределение зёрен и энергетическое распределение дефектных состояний. Методами ЭПР- и ФЛ-спектроскопии показано, что кислородные вакансии V_O (g-фактор 1.959) и межузельные атомы цинка Zn_i (g-фактор 2.024) являются основными донорными центрами в ZnO, тогда как в SnO₂ доминируют кислородные вакансии (g-фактор 1.930) и дефектные комплексы. Квантово-химические расчеты в приближении DFT+U подтвердили энергии образования дефектов: 3.2 эВ для V_O и 2.8 эВ для Zn_i в ZnO. Разработанная модель успешно описывает экспериментальные температурные зависимости электропроводности и позволяет количественно предсказывать электрические свойства оксидных плёнок в зависимости от условий синтеза, что открывает возможности для целенаправленной оптимизации технологических параметров получения прозрачных проводящих покрытий с заданными функциональными характеристиками.

Апробация электромагнитной индукционной системы для измерения скорости движения жидкого металла

Андрей Мамыкин — 2025-12-28

Проведена апробация двух конфигураций накладной индукционной системы измерения скорости трансформаторного типа, одна из которых позволяет получать информацию о линейной компоненте скорости жидкого металла, а другая – об азимутальной. Система успешно испытана на различных рабочих средах с разной проводимостью – твёрдом дюралюминии, жидком галлиевом сплаве и жидком натрии. Изучены чувствительность и погрешность измерительной системы, а также влияние перепадов температуры окружающей среды и эффекта сноса магнитного поля на её передаточную функцию. Достигнутой чувствительности достаточно для регистрации сигнала большинством современных цифровых вольтметров. Калибровка накладной измерительной системы произведена на натриевом испытательном стенде НИЦ МСС в диапазоне 0–4.42 м/с (0–120 м³/ч). Снос магнитного поля не повлиял на линейность полученной калибровочной характеристики системы. Итоговая относительная погрешность составила 6.5 % во всём диапазоне измерений. Система в линейном исполнении представляет собой практически готовый расходомер для жидких металлов. Для применения её в промышленных условиях достаточно доукомплектования защитным термокожухом с принудительным охлаждением. Накладная индукционная система измерения скорости признана эффективной и в закруглённом исполнении уже активно применяется, например, в корреляционном расходомере «ПИР».

Эволюция размера гигроскопических частиц после парной коагуляции

Юлия Кузнецова — 2025-12-28

Исследование посвящено разработке и применению упрощённой одномерной модели для описания размера комплексных гигроскопических частиц, образующихся в результате парной коагуляции однокомпонентного аэрозоля. Такие частицы характерны для рудничной атмосферы калийно-магниевых месторождений. Поскольку точное моделирование формы и внутренней структуры образующихся несферических агломератов с несколькими кристаллическими ядрами чрезвычайно трудоёмко, в работе предложены три варианта их приближения, позволяющих использовать простую базовую модель, изначально созданную для одиночной сферической частицы.

Метод дифференциальной прогонки – наиболее точный метод измерения намагниченности

Александр Лебедев — 2025-12-28

Сравниваются результаты измерения кривых намагничивания образцов магнитной жидкости, выполненные тремя различными методами: баллистическим, дифференциальной прогонкой и вибрационным магнетометром. Оказалось, что метод вибрирующего образца дает сильно заниженные значения намагниченности по сравнению с двумя другими методами. Занижение результатов объясняется образованием под действием поля агрегатов из частиц, которые имеют меньшую амплитуду колебаний по сравнению с контейнером. Баллистический метод дает значения намагниченности, заниженные на несколько процентов по отношению к методу дифференциальной прогонки. Занижение результатов объясняется тем, что агрегаты не успевают сформироваться за ограниченное время измерений при включении поля. Дополнительно тремя методами измерены кривые намагничивания образца магнитной жидкости на основе отверждённой эпоксидной смолы. В этом случае расхождение между результатами существенно меньше. Однако полного совпадения не наблюдалось. Точному совпадению кривых намагничивания, полученных разными методами измерений, в случае твердого образца мешает наличие в образце крупнодисперсных частиц, время релаксации намагниченности которых превышает время измерений.

Численное моделирование формирования дорожки Кармана в неустойчиво стратифицированном потоке

Андрей Иванцов — 2025-12-28

Проведено численное моделирование формирования дорожки Кармана за круговым цилиндром в неустойчиво стратифицированной жидкости. Исследуется влияние термической стратификации на характеристики вихревого следа при различных числах Рейнольдса и Ричардсона. Рассматривается система уравнений Навье−Стокса в приближении Буссинеска, учитывающая эффекты плавучести в неустойчиво стратифицированной среде. Численное решение получено методом конечных разностей с использованием схемы расщепления по физическим процессам. Показано, что при наличии неустойчивой стратификации происходит интенсификация вихреобразования и изменение геометрических характеристик дорожки Кармана по сравнению с однородной жидкостью. Выявлено, что конвективная неустойчивость, обусловленная распределением плотности, приводит к возникновению вторичных структур в вихревом следе. Показано, что с увеличением числа Ричардсона происходит качественная перестройка течения от регулярной дорожки Кармана к сложному хаотическому режиму с многомасштабными вихревыми структурами.

О роли химических потенциалов в процессах массопереноса в системах жидкостей с межфазной границей: случай диффузии из капли

Мария Денисова — 2025-12-28

Экспериментально изучено влияние химических потенциалов на массообмен в жидких системах с межфазной границей. Исследование выполнено на примере массообмена ПАВ между каплей и окружающей средой в условиях максимального подавления свободно конвективного движения (в тонком горизонтальном слое). Система несмешивающихся жидкостей образована водой и смесью бензола с хлорбензолом. В качестве диффундирующего ПАВ использована уксусная кислота, обладающая существенно разной энергией сольватации в контактирующих жидкостях. Визуализация течений и полей концентраций ПАВ выполнена с помощью интерферометра Физо. Определены характерные времена экстракции ПАВ в зависимости от направления его диффузии, структура и скорость распространения поля концентрации от капли в зависимости от содержания ПАВ и соотношения химических потенциалов в капле и окружающей жидкости. Для рассмотренных случаев оценена роль гравитационных эффектов и возникающей конвекции Марангони.