Исследователи МФТИ совместно с коллегами из Египта разработали аналитическую теоретическую модель микрокавитации пузырьков в тройных гибридных наножидкостях у поверхности эластичного твердого тела. В качестве примера такой среды приводится человеческая кровь. Статья опубликована в журнале Results in Engineering.
Ещё в конце XX века учёные начали активно изучать кавитацию — явление образования и схлопывания пузырьков в жидкости с выделением энергии. Особое внимание привлекла микрокавитация на микроуровне, поскольку развитие нанотехнологий и появление наножидкостей расширили область её применения: от повышения эффективности теплообмена в промышленности до прицельной доставки лекарств в биомедицине.
Первые исследования касались однокомпонентных наножидкостей, содержащих частицы одного типа. В дальнейшем возникли гибридные наножидкости из двух нанофаз, а затем — тройные гибридные системы с тремя видами частиц размером до 100 нм, обладающие улучшенными термофизическими характеристиками.
В данной работе поставлена цель — создать математическую модель и выполнить аналитический анализ микрокавитации в тройных гибридных наножидкостях у упругой стенки, учитывая вязкость, плотность, теплоёмкость, теплопроводность и поверхностное натяжение. Эта модель описывает поведение крови с дисперсными наночастицами золота, серебра и углеродных нанотрубок.
В основе модели лежит модифицированное уравнение Келлера–Миксиса с учётом эффекта эластичной оболочки твёрдого тела. Решение выполнено адаптированным методом Плессе–Цвика с использованием инструментов символьной математики для анализа влияния концентрации, формы и взаимодействия наночастиц.
Показано, что при прочих равных условиях радиус кавитационных пузырьков в тройных гибридных наножидкостях существенно меньше, чем в гибридных, однокомпонентных системах и чистой плазме, а нарастание доли наночастиц ведёт к ослаблению кавитации.
Впервые получено аналитическое решение уравнений микрокавитации в трёхкомпонентной наножидкости у упругой поверхности с реальными термофизическими параметрами. Это позволяет предсказывать динамику пузырьков с точностью, ранее достижимой только численными методами. Установлено, что рост сдвигового модуля усиливает кавитацию, тогда как увеличение объёмного модуля её ограничивает. При повышении локального перегрева скорость расширения пузырьков возрастает.
«Наше исследование показывает, как фундаментальные физико-математические модели отвечают на прикладные задачи медицины, экологии и промышленности. В отличие от прежних работ, учитывающих лишь одну или две компоненты либо использующих численные приближения, мы впервые представили аналитическое решение для системы из трёх видов наночастиц вблизи упругой оболочки с влиянием поверхностного натяжения. В дальнейшем мы планируем исследовать эффект физических, химических и термических свойств на гидродинамику микропузырьков в неньютоновских и многокомпонентных турбулентных потоках», — отмечает Абу-Наб Ахмед Камал Ибрагим из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Разработанная аналитическая модель позволяет исследовать агрегацию наночастиц, влияние переменного давления и температуры, сочетание других комбинаций частиц, а также оптимизацию жидкостей для конкретных задач — от медицины до промышленного оборудования. В модель интегрированы параметры начального радиуса пузырька, расстояния до стенки и характеристики переноса, что обеспечивает точное прогнозирование реальных процессов.
Полученные результаты открывают перспективы создания наножидкостей с регулируемыми свойствами, биомедицинских систем доставки препаратов с высокой точностью, методов очистки и дегазации на основе микрокавитации, а также проектирования микромеханизмов и протезов.
Дальнейшие работы будут посвящены расширению модели на неньютоновские жидкости и многокомпонентные турбулентные потоки, учёту тепло-массообмена, фазовых переходов и агрегации наночастиц, а также экспериментальной валидации результатов.
Ссылка на статью: Ahmed K. Abu-Nab, Ali F. Abu-Bakr, Ehab S. Selima, Adel M. Morad. Microcavitation dynamics growth process in ternary-hybrid nanofluids near an elastic wall: An analytical investigation. Results in Engineering, Volume 25, March 2025. doi:10.1016/j.rineng.2025.1003998
