91��ý

В Казахском национальном университете имени аль-Фараби в рамках цикла встреч с ведущими учеными, пос­вя­щенных Дню науки Казахстана, состоялась лекция видного ученого, доктора физико-математических наук, про­фессора, академика НАН РК Айдархана Жусупбековича Калтаева на тему «Моделирование реагирующих течений при низких, умеренных и высоких числах Рейнольдса и Маха».

Мероприятие собрало в научной библиотеке уни­вер­ситета молодых исследова­те­лей, магистрантов и док­­­­­­­­­­то­рантов механико-мате­ма­­тического факультета. Ай­­­дархан Жусупбекович под­­­­черкнул значимость прик­лад­ной науки, упомянув ин­­но­вационные разработки по­­следних лет. Все более ши­рокое применение технологии химического и биохимического вы­щелачивания металлов из руд на месте их залегания или из кучи становится явным трендом современного горного дела. Сегодня одним из ключевых методов в добыче полезных ископаемых считается моделирование процессов химического и биохимического выщелачивания минералов. В связи с этим лектор подробно рассказал о технологии подземного скважинного выщелачивания, в частности, он со­общил о создании физико-математической модели подземного биохимического выщелачивания пирита и диоксида урана. Группой ученых (М. Тунгатарова, М. Курмансеит, Н. Шаяхметов) была разработана и внедрена в производство цифровая модель извлечения урана методом скважинного выщелачивания. Как отметил академик, такие технологии позволяют в реальном времени контролировать процесс, эффективно управлять производством и обеспечивать полноту извлечения металла.

— Хочу рассказать вам о моделях, реагирующих течение при низких умеренных и высоких числах Рейнольдса и Маха. Первая задача — подземное скважинное выщелачивание руд, особенно урановых. Казахстан производит около 40 процентов мирового урана, используя этот метод. Суть технологии такова: если на глубине, например, 260 метров под землей находится месторождение урановой руды, его покрывают сетью скважин для закачки и откачки. Через закачивающие скважины в пласт с ураном подается растворитель — в Казахстане это серная кислота. Через откачивающие сква­жины растворенный уран поднимается на поверхность. Затем он проходит стадию сорбции, где отделяется оксид урана. Оксиды извлекаются с помощью ионообменных смол и направляются в десорбер, где получают желтый кек — про­мышленную форму оксидов урана.

Месторождение урана об­разуется в результате вулканической активности или иных геологических процессов, когда уран поднимается из подземных слоев на поверхность. Под воздействием осадков и гравитации уран раст­воряется и просачивается в почву, перемещаясь вниз по склонам гор. В Казахстане Каратау моложе, чем Тянь-Шаньский хребет. Исследования геологов показывают, что ураносодержащие породы, включая оксиды урана, возникли в северной части Каратау, в регионе Бетпак-Дала, а также на юге, в районах Жанакорган и Шиели. Уран был пе­ренесен туда подземными течениями, и большинство современных уранодобывающих месторождений расположено именно в этих местах. Весь этот процесс можно описать с помощью теории фильтрации, начиная с момента за­качки и заканчивая откачкой, а затем осаждением урана из жидкости через сорберы в ионообменные колонны.

Уран в казахстанских мес­то­рождениях представлен двумя формами: четырехвалентной и шестивалентной. Шестивалентный уран легко растворяется в серной кислоте, тогда как четырехвалентный растворяется гораздо медленнее. Однако его можно быстро растворить с помощью ионов железа (III). Существуют бактерии, такие как бацилотеррооксидант, которые преобразуют ионы железа (II) в ионы железа (III). Эти бактерии ис­пользуют один электрон в качестве источника энергии и затем применяют его для усвоения питательных веществ, что можно назвать «дыханием электроном». Благодаря бактериям, которые выступают в роли катализатора, четырехвалентный уран быстро растворяется, выделяя ионы железа (II).

Учеными внедрен метод био­химическое выщелачивание пирита FeS2. Железоокисляющие бактерий пред­став­ляют собой одноклеточный организм без ядер приблизительно цилиндрической формы длиной около1.5 микрона и диаметром в0.75-1 мкр. Бактерий могут находится как в планктонном (взвешенном) состоянии в жидкости, содержащей ионы железа (II) и питательные вещества, так и прикрепляться к поверхности пирита. Прикрепление к отрицательно заряженной поверхности пирита происходит электрохимическим путем за счет положительно заряженных ионов во внешней мембране бактерий. Эксперименты показывают, что скорость прикрепления к поверхности, также, как и отсоединения от нее, линейно зависят от концентраций бактерий на поверхности пирита.

Айдархан Жусупбекович Калтаев, руководитель НИЛ «Ин­женерная механика и моделирование» КазНИТУ им. К. Сатпаева. Научные достижения: опубликовано более 120 работ. Ведущий казахстанский ученый в области механики жидкости и газа. Стипендиат Министерства образования и научных исследований Германии (МОиНИ, 1995-2000) и ДААД (Германская служба академических обменов, 2004, 2008 г.), Японской ассоциацией культурных связей с зару­беж­ными странами (1997 г.). В 1980-2000 годы разработал матема­ти­чес­кую модель кольцевого вихря и исследовал его динамику; математическую и вычислительную модели горения углеродно-воздушной смеси в камерах горения при малых числах Маха и исследовал их свойства; фи­зи­ческую, математическую и вычислительную модели пере­хода обычного горения в детонацию в трубе и исследовал механизмы, приводящие к переходу (Япония, 1997 г.); ки­не­тику горения водорода в сверхзвуковом воздушном потоке (гранты МНТЦ, 1998-2005 гг.).
За последние 20 лет с учениками и сотрудниками раз­ра­ботал и создал 3D имитационную модель процесса из­вле­­чения урана методом подземного скважинного выще­ла­чивания и цифровую систему управления, позво­ляю­щую прогнозировать, планировать, мониторить и эффективно управлять процессом добычи. 2) Разработал и создал 3D имитационную модель процесса сорбции оксида урана из раствора и проводил исследования эффективности работы сорбера; 3) Исследовал способы использования и хранения солнечной тепловой энергии для отопления, горячего водоснабжения помещений и создал прототипы соответствующих изделий. Им реа­ли­зован и коммерциа­ли­зирован проект полного научного цикла «Программный комплекс для изучения добычи урана методом ПСВ с получением Симулятора версии 3.0», которая используется в предприятиях Казахстана. 
Академик Айдархан Калтаев в настоящее время проводит исследования по бактериальному выщела­чива­нию метал­лов методом ПСВ, по проектированию цен­тро­беж­ных на­со­сов и применению ИИ к инженерным за­дачам.

В ходе лекции лектор пред­­ставил практические ре­­зуль­таты работы своей научной группы. Он рассказал о про­ве­­ден­­ных совместно с докторантом Ж.Уалиевым ис­­­­с­ле­до­ваниях распространения пламени в замкнутых областях со сложной геометрией. Особое внимание было уделено разработке вычислительной модели перехода обычного горения в детонацию, что позволяет детально изучать опасные газодинамические процессы.

Академик Калтаев под­роб­но остановился на проблемах газовой динамики, от­­ме­тив, что при малых числах Маха стандартные системы уравнений становятся трудноприменимыми и ведут к большим погрешностям в расчетах. По словам профессора, избежать этих сложностей при моделировании дефлаграционного горения помогает переход к промежуточной модели динамического несжимаемого газа.

— С теоретической точки зрения, никаких сложностей не возникает. Однако при переходе к численному решению задач, особенно учитывая, что все уравнения нелинейные, и нет иных методов, кроме численных, даже небольшие изменения входных данных при­водят к значительным отклонениям в результатах и, следовательно, к ошибкам. Это становится серьёзной проблемой, если вы планируете использовать моделирование. Применяется математическая модель для вы­числения при малых числах Маха. 

Распространение пламени по метано-воздушной смеси (МВС) в трубе с преградами (шероховатостями, диафрагмами) ускоряется в сотни раз по сравнению со свободным горением. Препятствия создают турбулентные завихрения, увеличивая площадь фронта пламени и скорость теплообмена. Это вызывает резкий скачок давления и ускорение от ламинарного горения к детонации. Распространение пламени по предварительно перемешанной метановоздушной смеси в трубе с преградами и малым числом Маха описывается механизмами турбулентного горения и волновой газодинамики. Препятствия кардинально меняют гидродинамику процесса, ускоряя пламя в сотни раз. Распространение пламени по метановоздушной смеси в трубе с преградами (турбулизаторами, диафрагмами) при малых числах Маха — это процесс ускоренного дозвукового (дефлаграционного) горения, при котором препятствия интенсивно генерируют турбулентность. Скорость распространения пла­мени – расстояние, пройденное пламенем за единицу времени.

Какова значимость цифровой математики в этом воп­росе? Интегрируемая область здесь весьма сложна. Обычно при интегрировании мы имеем дело с прямоугольными областями, но здесь встречаются также нерегулярные области и входная труба, что требует моделирования. Для решения этой задачи применяется метод фиктивных областей. Если область «Омега» включает в себя область «Омега-Ғ» с нерегулярной формой, то за­дача решается в регулярной области с использованием различных сеток и дру­­гих подходов. Однако су­ществуют особенности, связанные с границами физической области. Исходные граничные условия должны быть учтены при новой постановке задачи. Эта математическая модель была разра­ботана Жомартом Уалиевым.

Завершая выступление, лектор ответил на вопросы молодых ученых о применении 3D-моделей турбулентных течений и использовании высокопроизводительных вычислений на процессорах GPU. 

Каиржан ТУРЕЖАНОВ