Другие реализуемые проекты

Разработка высокопроизводительного, параллельного численного 3D алгоритма математической модели динамики твердых частиц в крупномасштабном и мелкомасштабном турбулентном потоке при неизотермических условиях

ИРН AP09260528

Общая информация о проекте

Тема проекта:

Разработка высокопроизводительного, параллельного численного 3D алгоритма математической модели динамики твердых частиц в крупномасштабном и мелкомасштабном турбулентном потоке при неизотермических условиях.

Объект исследовантия, разработки или проектирования

Объектом исследованя является процесс динамики твердых частиц в крупномасштабном и мелкомасштабном турбулентном потоке при неизотермических условиях.

Основные конструктивные и технико-экономические показатели

Разработка и реализация математических моделей динамики твердых частиц в высокотемпературном и низкотемпературном турбулентном потоке в газовой среде при учете взаимодействия газ-твердые частицы позволяет создать предпосылки для использования результатов моделирования специалистами в области биомедицины, экологами и представителями производства, которые смогут применять результаты для прогноза и оценки явлений связанных с переносом мелких частиц, пыли, вирусов и прочего в закрытых и открытых пространствах. Математическое моделирование таких процессов также способствует глубокому понимаю некоторых процессов, связанных с производством лекарственных препаратов.

Эффективность

Разработка математических моделей и их реализация даст возможность составить рекомендации о возможном использовании результатов в отдельных случаях аварийных ситуаций, когда осуществляется перенос загрязняющих веществ, перенос частиц в закрытом помещении, при изучении распространения веществ в открытиях и закрытых пространствах, в фармацевтике, производственном секторе и т.п.

Область применения

Результаты исследований по проекту, могут существенно повлиять на разработку новых технологий, связанных с изучением процессов переноса примеси в атмосфере, производстве лекарственных препаратов, изучения процесса распространения вирусов в открытых и закрытых пространствах и т.д.

Актуальность исследования

Сегодня возникает острая необходимость в быстром реагировании на ситуации, связанные с ростом заболеваемости инфекционными болезнями, в управлении чрезвычайными ситуациями в режиме реального времени, требуется точное понимание таких явлений, как перенос загрязняющих веществ в атмосфере в случае определенных аварий, перенос частиц в закрытом помещении, распространение различных примесей при ЧС и прочее. С математической точки зрения эти задачи подобны. Для таких процессов могут быть составлены математические модели, реализация которых будет способствовать решению каждой из перечисленных выше проблем. 

Настоящее исследование посвящено разработке высокопроизводительного численного трехмерного алгоритма математической модели динамики твердых частиц в крупномасштабном и мелкомасштабном в высокотемпературном и низкотемпературном турбулентном потоке.

Динамика переноса частиц в потоках жидкости и газа имеет большое значение для понимания природных явлений и улучшения производственных процессов. Дыхательные пути легких человека, лекарственные препараты, приливные течения – это лишь несколько случаев, когда прогнозирование фазовой динамики твердых частиц жизненно важно для полного понимания процесса и роли переноса частиц в природе и промышленности. Настоящее исследование имеет особое значение для биомедицинских процессов, где существует необходимость моделирования потоков, содержащих частицы, таких как распространение вирусных инфекции в воздухе, что трудно исследовать экспериментально.

Настоящее исследование имеют выраженную практическую значимость, поскольку конечным продуктом будет программный комплекс, в основе которого будут математические компьютерные модели расчета турбулентных задач, нагруженных частицами. Пакеты прикладных программ будут разработаны на основе трехмерных моделей с использованием метода дискретно унифицированной газовой кинетической схемы (DUGKS- discrete unified gas kinetic scheme).

Исследование носит теоретический и прикладной характер, а также способствует получению:

  1. Нового знания об использовании современных высокопроизводительных систем для обработки больших данных, распределенных вычислениях, о новых физико-химических эффектах динамики газов, жидкостей и твердых частиц.
  2. Технологии определения термодинамических параметров среды для получения новых материалов.
  3. Прогнозного решения задач при ЧС, на основе разработанных программных комплексов и численных 3D алгоритмов.

Цель исследования

Разработка высокопроизводительного численного трехмерного алгоритма математической модели динамики твердых частиц в крупномасштабном и мелкомасштабном в высокотемпературном и низкотемпературном турбулентном потоке. Внедрение результатов проекта в отечественное производство с целью разработки уникального состава витаминно-минеральных комплексов, имеющих лекарственное действие и определения физико-химических свойств среды для получения новых материалов.

Ожидаемые результаты

В качестве основных методов исследования для реализации проекта используюся сделющие: математическое моделирование, анализ, сиснтез, описательный метод, индуктивные методы.

Достигнутые результаты

Полученные результаты в 2021 году:

  1. Разработана трехмерная математическая модель динамики твердых частиц в высокотемпературном и низкотемпературном турбулентном потоке в газовой среде при учете взаимодействия газ-твердые частицы.

1.2.    Разработана трехмерная математическая модель изменения термодинамических параметров частиц в высокотемпературном и низкотемпературном турбулентном потоке.

1.3.    Проведен обзор существующих моделей, физическая постановка задачи

  1. Разработан и реализован численный алгоритм математической модели изменения термодинамических параметров частиц в высокотемпературном и низкотемпературном турбулентном потоке. Физическая постановка задачи, определены закономерности изменения параметров двухфазной газовой среды (газ-твердая частица) в турбулентном потоке.

2.1.    Произведена проверка адекватности разработанной математической модели и численного алгоритма на основе решения тестовых задач.

2.2.    Проведен вычислительный эксперимент для установления влияния градиента температуры.

Будут получены следующие результаты (2022-2023 гг.):

  1. Будет разработана трехмерная математическая модель динамики твердых частиц в высокотемпературном и низкотемпературном турбулентном потоке в жидкой среде при учете взаимодействия жидкость — твердые частицы.
  2. Будет проведен обзор существующих моделей, физическая постановка задачи. Будет разработан и реализован численный алгоритм. Будет произведена проверка адекватности разработанной математической модели и численного алгоритма на основе решения тестовых задач.
  3. Будет разработан и реализован трехмерный параллельный численный алгоритм математической модели динамики и кинетики крупно- и мелкомасштабного турбулентного течения, нагруженного частицами в зависимости от градиента температуры. Будет произведена проверка адекватности разработанной математической модели и численного алгоритма на основе решения тестовых задач. Будет проведен вычислительный эксперимент влияния числа Рейнольдса и частоты столкновений частиц в зависимости от числа Стокса. Будет исследовано влияние градиента температуры, поля силы тяжести и межфазных сил взаимодействия на оседание частиц.
  4. Будет проведен вычислительный эксперимент влияния плотности частиц на крупную и мелкомасштабную турбулентную среду, нагруженную частицами при неизотермических условиях на основе уравнения Больцмана методом дискретно унифицированной газовой кинетики DUGKS.
  5. Будет осуществлена подача заявки для получения авторского свидетельства.

Будут подготовлены рекомендации к использованию результатов математического моделирования. Будет опубликовано 2 (две)  статьи в рецензируемых научных изданиях, индексируемых в Science Citation Index Expanded базы Web of Science или имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 50 (пятидесяти). Будет получен акт внедрения подготовленной в результате реализации проекта научно-технической продукции.

Исследовательская группа

Жакебаев Даурен Бакытбекулы (https://orcid.org/0000-0002-0642-327X)  – руководитель проекта, доктор Ph.D, доцент, декан механико-математического факультета КазНУ имен и аль-Фараби с 2017 года.  Общий стаж работы – 16 лет; научные исследования ведет в области математики, прикладной математики, математического и компьютерного моделирования. Имеет 3 монографии, автор более 106 научных работ, в журналах, рекомендуемых КОКСОН МОН РК – 42, статьи с ненулевым импакт-фактором: количество статей в изданиях, входящий в базы данных Web of Science – 16, из них в научных журналах, имеющих ненулевой импакт-фактор – 8; Scopus – 23; индекс Хирша – 4. Под его руководством защищено 2 докторских PhD диссертаций, около 30 магистерских диссертаций, В настоящее время является руководителем 2 научно-исследовательского проекта; отечественный руководитель 3 докторантов PhD. Имеет патент №2997, на полезную модель «Способ определения загрязнения атмосферного воздуха при аврийных ситуациях» и 5 авторских свидетельства о разработке программного обеспечения. Является членом научной редколлегии двух научных журналов. Является обладателем гранта «Лучший преподаватель ВУЗа за 2014 год».

Был руководителем следующих научно-исследовательских проектов:

  1. Исследование феноменологических проблем турбулентности на основе методов математического моделирования (№ госрегистрации 0112РК01468)
  2. 2018/ГФ4 «Математическое моделирование воздействия внешнего поля на кинетику углеводородной смеси» (№ госрегистрации 0112PK01484)
  3. Разработка динамической модели эволюции крупномасштабных термиков образующихся при чрезвычайных ситуациях природного и антропогенного происхождения». ИРН проекта: AP05132121
  4. «Разработка математической модели концентрационного разделения компонентов многокомпонентной двухфазной смеси при воздействии внешних сил». ИРН проекта: AP08053154

 

Жумагулов Бакытжан Турсынович (https://orcid.org/0000-0003-0384-9344) – Президент Национальной инженерной академии, академик, профессор, автор более 200 работ в области гидродинамики, экологии, информационных технологий и т.д. Один из основателей создания и внедрения новых информационных технологий в нефтегазодобывающую промышленность, автор фундаментальных работ в сфере вычислительной математики, математического моделирования технологических процессов нефтедобычи, создания компьютерной системы автоматизированного анализа разработки нефтяных месторождений. Под его руководством решаются многие задачи трубопроводного транспорта высоковязких нефтей, их реологических характеристик, режимов работы «горячего» магистрального нефтепровода. Им проводится большая работа по подготовке высококвалифицированных научных и инженерных кадров, по развитию и организации науки. Им основана казахстанская научная школа по методам математического моделирования сложных гидродинамических процессов и новым информационным технологиям. Под его руководством защищены 3 докторские и 12 кандидатских диссертаций. Автор более 500 научных работ и семи фундаментальных монографий, опубликованных в Казахстане, в странах ближнего и дальнего зарубежья.

Абдибеков Уалихан Сейдилдаевич (Идентификатор автора Scopus: 16445666700)   – доктор физико- математических наук, профессор. Область исследования- математическое моделирование, вычислительная гидродинамика, прикладная математика, комплексы программ. Автор более 100 научных работ, с 2003 года – руководитель более 15-ти научных проектов грантового, программно-целевого и хоз.договорного финансирования. Под его руководством защитились 5 кандидатов, 5 докторов PhD, выпустил 3 монографии, 1 учебник. Опубликовано 15 статей в базах SCOPUS и THOMSON REUTERS. «Лучший преподаватель высшего учебного заведения» (2007 и 2011 гг.); награжден нагрудным знаком за трудовой вклад в развитие науки Республики Казахстан (2009 г.); 3 раза награждался Благодарственным письмом Президента Республики Казахстан (2009, 2015, 2016 гг.); награжден медалью «За трудовые заслуги» (2011 г.); обладатель юбилейной медали «20 лет Вооруженным силам Казахстана» (2012 г.); обладатель диплома «Почетный инженер Казахстана» (2014 г.); награжден медалью «20 лет Ассамблее народов Казахстана» (2015 г.);  награжден памятной медалью «25 лет дипломатической службе Республики Казахстан» (2017 г.); присвоено звание «Почетный гражданин» города Туркестана (2017 г.). Руковдодитель проектов: проект Международного научно-технического центра К-424 «Числовое моделирование аэродинамических проблем Аральского региона», финансируемый Госдепартаментом США (2004-2007гг.); Проект «Запуск ракетной установки «Протон К» с космодрома Байконур и модель его влияния на окружающую среду», финансируемый РосАвиаКосмосом (Россия) (2005-2007гг.);     Руководитель 27 национальных научных проектов, финансируемых Министерством образования и науки (2002-2017гг.).

 

Каруна Оксана Леонидовна (https://orcid.org/0000-0002-1299-0166)  – PhD, специалист в области вычислительной гидродинамики, имеет более 30 статей, опубликованных по теме настоящего исследования, участник ряда проектов по математическому моделированию, гидродинамике и экологии. Являлась руководителем научно-исследовательских проектов, финансируемых МОН РК, координатор международного проекта Erasmus+ «598317-EPP-1-2018-1-BG-EPPKA2-CBHE-JP “SMARTCITY: Innovative Approach Towards a Master Program”. Стаж работы – 15 лет.

Жұмәлі Айнұр Серікбайқызы (https://orcid.org/0000-0003-3632-5483)  – доктор Ph.D, и.о. доцента кафедры математического и компьютерного моделирования механико-математического факультета КазНУ имени аль-Фараби.  Стаж работы — 8 лет и 7 месяцев, в области математического и компьютерного моделирования. Является автором более 20 научных работ, из них в журналах, рекомендуемых КОКСОН МОН РК – 6, статьи с ненулевым импакт-фактором: количество статей в изданиях, входящих в базу данных научных журналов Scopus – 2; индекс Хирша – 1. В настоящее время является исполнителем 2 научно-исследовательских проектов.

Абдибекова Айгерим Уалихановна (Идентификатор автора Scopus: 56239665700, https://orcid.org/0000-0002-1650-3927)  – доктор PhD, старший преподаватель кафедры математического и компьютерного моделирования Казахского национального университета имени аль-Фараби; специалист в области механики, вычислительной гидродинамики, магнитогидродинамики. Является автором более 25 научных работ, в журналах, рекомендуемых КОКСОН МОН РК – 10, статьи с ненулевым импакт-фактором: количество статей в изданиях, входящий в базы данных web of science  – 4, из них в научных журналах, имеющих ненулевой импакт-фактор – 2; Scopus – 4. Была ответственным исполнителем 3 научно-исследовательских проектов.

Сатенова Бекзат Ашимбековна (https://orcid.org/0000-0003-2130-4794)  – студентка 3 курса докторантуры КазНу им. аль-Фараби, преподаватель  кафедры математического и компьютерного моделирования Казахского национального университета имени аль-Фараби; специалист в области  вычислительной гидродинамики и в области  математического и компьютерного моделирования.

Асылбекұлы Айдар (https://orcid.org/0000-0003-1995-8967)  – докторант кафедры математического и компьютерного моделирования, имеет ряд публикаций по теме исследования.

 

Список публикаций