CC BY
1
Yanturin Daniil Nailovich, magister, operator, era [email protected], Russia, Anapa, FGAU«MIT «ERA»,
Dudenkov Egor Andreevich, magister, operator, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»,
Shakhbanov Kemran Mutafaevich, specialist, operator, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»
УДК 620.3
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-225-226
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ НАНОЖИДКОСТЕЙ
ДИОКСИДА ТИТАНА И ЭТИЛЕНГЛИКОЛЯ
А.О. Шаранов, Е.О. Кириченко, Д.А. Савостин
В данной статье анализируется результаты экспериментального исследования физических свойств, таких как поверхностное натяжение и плотность на основе этиленгликоля, содержащих наночастицы диоксида титана, отличающиеся с точки зрения фазы: фаза анатаза, фаза рутила и их смесей. Во время экспериментального исследования поверхностное натяжение и массовая плотность были измерены в диапазоне температур от 283.15 до 318.15 K. Результаты выставили эффект концентрации TiO2 наночастиц, а также фазы наночастиц на этих свойствах. Добавление наночастиц к этиленгликолям вызывает увеличение значения поверхностного натяжения и плотности.
Ключевые слова: наножидкости, поверхностное натяжение, диоксид титана, этиленгликоль.
Наножидкости, представляющие собой коллоидные суспензии наночастиц, известны уже почти 30 лет, так как о высокой теплопроводности таких материалов рассмотрены в работе [1]. Первые исследования сосредоточились на теплопроводности и вязкости этих материалов, и недавно можно было найти многочисленные обзоры, суммирующие современное состояние в этой области [2]. К сожалению, некоторые из других физических свойств не исследуются не так часто, и одним из них является поверхностное натяжение. Насколько известно, существует только одна обзорная статья [3], обобщающая данные о поверхностном натяжении наножидкостей. Отсутствие экспериментальных данных в этой области приводит к застою в теоретических работах. Непредсказуемое поведение наножидкостей, возникающее из-за отсутствия полного понимания механизмов изменения физических свойств этих материалов, делает их потенциальное применение весьма ограниченным. Многие авторы занимающийся исследованием физических свойств наножидкостей выделяют одну основную проблему «неопределенность в значении теплофизических свойств». Несмотря на это, ученые разрабатывают все больше и больше потенциальных приложений наножидкостей, как это было рассмотрено в нескольких статьях [4, 5].
Аналогичная тенденция может наблюдаться в частном случае наножидкостей на основе этиленгликоля (ЭГ), содержащих оксид титана (TiO2) наночастицы. Можно найти многочисленные статьи об основных физических свойствах этих материалов. Тем не менее, можно найти некоторые статьи по поверхностному натяжению наножидкостей на основе этиленгликоля. M. Wanic [6] представили результаты измерений поверхностного натяжения шести различных типов наножидкостей, выполненных с использованием двух различных методов измерения. Они показали, что поверхностное натяжение слегка увеличивается с увеличением доли частиц во всех случаях. J. Traciak описал поверхностное натяжение SiO 2- ЭГ [7], Z^-ЭГ [8]. J. Sobczak [9] показали, что площадь поверхности наночастиц влияет на величину поверхностного натяжения в наножидкостях. Во всех случаях наблюдалось увеличение величины поверхностного натяжения с увеличением доли частиц.
Цель этой статьи — представить, как фаза и концентрация наночастиц влияют на поверхностное натяжение TiO2. Наножидкости - в широком диапазоне температур ЭГ.
Анализ экспериментальных данных. В данной статьи исследованы экспериментальные данные трех типов TiO2 [10]. Наночастицы диоксида титана, находящийся в фазе анатаза (обозначается как TiO2A), рутиловая фаза (обозначена как TiO2M1) и смесь фаз анатаза и рутила (обозначается как TiO2M2).
Поверхностное натяжение. Взятые значения в работах [10] поверхностного натяжения для температурного диапазона от 283,15 К до 318,15 К наножидкостей TiO2A, TiO2M1, TiO2M1^^ TiO2M2-ЭГ проанализированы.
Добавление наночастиц оксида титана в базовую жидкость увеличивает ее значение поверхностного натяжения, как видно на рис. 1. На основании полученных результатов можно наблюдать незначительное увеличение значения поверхностного натяжения для наножидкостей, имеющих анатазную фазу наночастиц TiO Увеличение значения поверхностного натяжения базовой жидкости очевидно для всех концентраций наночастиц во всем температурном диапазоне. Для каждой измеренной температуры значение поверхностного натяжения увеличивается до определенного уровня, несмотря на увеличение массовой концентрации наночастиц, как видно на рис. 1 (а). При 298,15 К, несмотря на увеличение концентрации TiO2A наночастиц, для них поверхностное натяжение наножидкости поддерживается на уровне около 48,349 мН м-1. Наножидкости с использованием наночастиц TiO2M1 демонстрируют наибольшее увеличение значения поверхностного натяжения. Это увеличение очевидно для всех испытанных температур, но и эти наножидкости не показывают дополнительного увеличения значения поверхностного натяжения с увеличением массовой доли наночастиц. Результаты измерения значений поверхностного натяжения наножидкостей TiO2M1-ЭГ показаны на рис. 1 (б). Для наножидкостей, содержащих наночастицы TiO2M2^^ существенного увеличения величины поверхностного натяжения не отмечено, что заметно на рис. 1. (в). Также для этих наножидко-стей наблюдалось увеличение поверхностного натяжения по сравнению с базовой жидкостью, однако никакого увеличения поверхностного натяжения не ощущалось, несмотря на увеличение значения массовой концентрации нано-частиц.
Рис. 1. Зависимость значения поверхностного натяжения, на температуре, Т, и массовой части, частиц для наножидкостей ТЮА, ТЮМ1, ТЮМ1-ЭГ, ТЮ2М2-ЭГ
Можно заметить, что добавление в базовую жидкость наночастиц одной конкретной фазы вызывает большее увеличение величины поверхностного натяжения, чем смесь наночастиц анатаза и рутилового диоксида титана. Полученные данные выявили разницу в значениях поверхностного натяжения обоих типов наножидкостей -увеличение массовой доли наночастиц с меньшим средним размером, а также удельной поверхностью не способствует такому уменьшению значения поверхностного натяжения по сравнению со с «большими» наночастицами.
Другой набор экспериментальных результатов изображен на рис. 2 [10], где было представлено сравнение значений поверхностного натяжения исследованных наножидкостей для всех концентраций при 298,15 К. Учитывая эти результаты, можно ясно видеть, что полученные значения поверхностного натяжения в исследованном диапазоне концентраций колеблются вокруг определенного значения, которое зависит от образца наножидкости, а не от фракции частиц. Это явление вызвано насыщением поверхности базовой жидкости наночастицами, что приводит к остановке увеличения значения поверхностного натяжения, несмотря на более высокую концентрацию наночастиц. Описание физики и модель этого поведения были описаны работах J. Тгаиак и G. 2у1а [10], а представленные здесь результаты исследования подтверждают предложенное объяснение экспериментальными данными.
226
В данной работе обобщены результаты экспериментального исследования [10] плотности и поверхностного натяжения наножидкостей на основе диоксида титана-этиленгликоля. Как было показано, массовая плотность может быть смоделирована с помощью хорошо известных корреляций, описанных в работах [10] для наножидкостей ТОА, ТЮ2М1, ТЮ2М1-ЭГ, ТЮ2М2-ЭГ, хотя полученные значения для образцов с наночастицами ТЮ2А имеют расхождение. Исследования поверхностного натяжения показали, что наибольшее влияние на это свойство оказывает фракция наночастиц ТЮ2М1, в то время как частицы ТО2А немного повышают поверхностное натяжение эти-ленгликоля.
49.5
■13
Я
1 шъ
48
47.5
I
Т_\Л1
1Ш
JIX-
i
О 01 О 1)2 0.03 0 04 0.05
TiQjA TiUjMl
avg Ti02A avg TiO;Xl ivg. TiOjM2
Рис. 2. Сравнение поверхностного натяжения оценивает за проверенный (красный) ТЮ2А, (синий) ТЮ2М1 и ТЮ2М2 (зеленые) наножидкости как функция концентрации по массе наночастицы в 298.15 К
Подводя итог, можно сказать, что настоящая работа вносит вклад в изучение физических свойств ТЮ2-ЭГ, однако следует подчеркнуть, что в этой области все еще остаются некоторые пробелы, и необходимо знать больше экспериментальных данных.
Список литературы
1. Masuda H., Ebata A., Teramae K. Alteration of thermal conductivity and viscosity of liquid by dispersing ultra-fine particles. Dispersion of A12O3, SiO2 and TiO2 ultra-fine particles, 1993.
2. Qiu L., Zhu N., Feng Y., Michaelides E.E., Zyla G., Jing D., Zhang X., Norris P.M., Markides C.N., Mahian O. A review of recent advances in thermophysical properties at the nanoscale: From solid state to colloids, Phys. Rep. 843 (2020) 1-81.
3. Estelle P., Cabaleiro D., Zyla G., Lugo L., Murshed S.S. Current trends in surface tension and wetting behavior of nanofluids, Renew. Sustain. Energy Rev. 94, 2018. P. 931-944.
4. Sujith S.V., Kim H., Lee J. A review on thermophysical property assessment of metal oxide-based nanoflu-ids: industrial perspectives, Metals 12 (1). 2022.
5. Hamzat A.K., Omisanya M.I., Sahin A.Z., Oyetunji O.R., Olaitan N.A. Application of nanofluid in solar energy harvesting devices: A comprehensive review, Energy Convers. Manage. 266, 2022.
6. Wanic M., Cabaleiro D., Hamze S., Fal J., Estelle P., Zyla G. Surface tension of ethylene glycol-based nanofluids containing various types of nitrides, J. Therm. Calorim. 139 (2), 2020.
7. Traciak J., Sobczak J., Kuziola R., Wasag J., Zyla G. Surface and optical properties of ethylene glycol-based nanofluids containing silicon dioxide nanoparticles: an experimental study, J. Therm. Anal. Calorim. 147 (14), 2022.
8. Traciak J., Sobczak J., Vallejo J.P., Lugo L., Fal J., Zyla G. Experimental study on the density, surface tension and electrical properties of ZrO2-EG nanofluids, Physics and Chemistry of Liquids, 2022.
9. Sobczak J., Vallejo J.P., Traciak J., Hamze S., Fal J., Estelle P., Lugo L., Zyla G. Thermophysical profile of ethylene glycol based nanofluids containing two types of carbon black nanoparticles with different specific surface areas, J. Molecular Liquids 326, 2021.
10. Traciak J., Zyla G. Effect of nanoparticles saturation on the surface tension of nanofluids, J. Molecular Liquids 363, 2022.
Шаранов Александр Олегович, специалист, старший оператор, [email protected], Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ
«ЭРА»,
Кириченко Евгений Олегович, специалист, старший оператор, Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ «ЭРА»,
Савостин Дмитрий Александрович, специалист, старший оператор, Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ «ЭРА»
THE EXPERIMENTAL STUDY OF THE SURFACE TENSION OF TITANIUMDIOXIDE-ETHYLENE GLYCOL
NANOFLUIDS
А.О. Sharanov, Е.О. Kirichenko, D-А. Savostin 227
This article analyzes the results of an experimental study of physical properties, such as the surface tension and density of ethylene glycol-based nanofluids containing titanium dioxide nanoparticles, differing in terms of phase: anatase phase, rutile phase and their mixtures. During the experimental study, the surface tension and mass density were measured in the temperature range from 283.15 to 318.15 K. The results exposed the effect of the concentration of TiO2 nanoparticles, as well as the phases of nanoparticles on these properties. The addition of nanoparticles to ethylene glycol causes an increase in the value of surface tension and density.
Key words: nanofluids, surface tension, titanium dioxide, ethylene glycol.
Sharanov Alexander Olegovich, specialist, senior operator, era [email protected], Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»,
Kirichenko Evgeniy Olegovich, specialist, senior operator, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»,
Savostin Dmitriy Alexandrovich, specialist, senior operator, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»
УДК 004.94; 69
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-228-229
ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
А.С Коростин
Компьютерное моделирование является незаменимым инструментом во многих отраслях. Так современное строительство в большей степени полагается на новейшие технологии, такие как, компьютерное моделирование для создания безопасных, надежных и эффективных конструкций. Компьютерное моделирование имеет огромный потенциал в области строительства, оно позволяет создавать виртуальные модели, анализировать их поведение и оптимизировать проекты перед их реализацией. В данной работе ставится вопрос о важности и необходимости применения такого подхода как компьютерное моделирование для решения актуальных проблем в сфере строительства. Приводятся основные достоинства использования современных программных комплексов для моделирования. Также в данной работе описываются некоторые примеры программного обеспечения, используемого в настоящее время для проектирования и расчета зданий и сооружений. В данной работе делаются выводы о том, с какой целью проводятся компьютерные моделирования, об их перспективности и необходимости применения в контексте развития современного состояния отраслей.
Ключевые слова: компьютерное моделирование, программные комплексы, строительные материалы, трехмерная модель, математическое моделирование, проектирование.
Компьютерное моделирование является незаменимым инструментом во многих отраслях, включая строительство и производство строительных материалов [1-4]. Современные технологии позволяют создать точные и реалистические модели, которые помогают проектировать, анализировать и оптимизировать различные аспекты строительного процесса. Одной из возможностей компьютерного моделирования в строительстве является создание трехмерных моделей зданий и сооружений, что позволяет визуализировать проект и оценить его внешний вид еще до начала строительных работ. Такой подход позволяет предотвратить возможные ошибки и сделать важные изменения в проекте еще на стадии разработки.
Одной из главных перспектив компьютерного моделирования в строительстве является возможность минимизировать риски и предупредить возможные проблемы на ранних этапах проектирования. С помощью компьютерного моделирования можно проанализировать различные сценарии развития проекта, определить потенциальные проблемы и найти оптимальные решения. Это помогает снизить время и затраты на исправление ошибок во время строительства и повысить общую эффективность проекта.
Кроме того, компьютерное моделирование позволяет проводить различные анализы и расчеты, что существенно упрощает процесс проектирования. Например, с помощью компьютерных моделей можно произвести анализ нагрузок на конструкцию здания и определить ее прочность. Таким образом, можно предотвратить возможные повреждения и обеспечить безопасность конструкций.
Важным программным комплексом является «Revit». Он применяется для создания информационных моделей зданий (BIM) [5], которые объединяют в себе все необходимые данные для строительства объекта. С его помощью можно создавать детальные 3D-модели здания, добавлять информацию о материалах, размерах и сроках производства, а также проводить анализ конструкции и эффективности здания. Еще одним полезным программным комплексом для компьютерного моделирования в строительстве является «Robot Structural Analysis Professional» [6]. Он предоставляет возможность моделирования и анализа структурных элементов здания, проведения виртуальных испытаний и определения возможных недостатков или перенапряжений. Существуют также другие программные комплексы, например, «SAP2000» [7] находит свое применение в анализе и проектировании сооружений различного назначения (например, мостов, небоскребов или тоннелей). Он предоставляет возможность моделирования сложных конструкций, определения необозначенной геометрии и проведения различных нагрузочных испытаний.
Еще одним ярким примером компьютерного программного обеспечения для моделирования является ANSYS [8], которое обеспечивает возможность создавать сложные трехмерные модели с использованием различных материалов и элементов конструкции. Это позволяет учитывать реальные условия эксплуатации и внешние воздействия на конструкцию, такие как ветровые и сейсмические нагрузки, температурные изменения и другие факторы [910]. Благодаря этому, возможно точно прогнозировать поведение конструкции и принимать взвешенные решения при ее проектировании. На рисунке приведен пример расчета деформации моста под нагрузкой [11].
228
