doi: 10.17586/2226-1494-2022-22-6-1197-1204


УДК 535.3, 519.85

Моделирование процессов переноса излучения в газожидкостных пенах

Исаева А.А., Исаева Е.А., Пантюков А.В.


Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:
Исаева А.А., Исаева Е.А., Пантюков А.В. Моделирование процессов переноса излучения в газожидкостных пенах // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2022. Т. 22, № 6. С. 1197–1204. doi: 10.17586/2226-1494-2022-22-6-1197-1204


Аннотация
Предмет исследования. Представлены результаты численного моделирования процесса переноса излучения в газожидкостных пенах. Для исследования переноса зондирующего излучения в газожидкостных пеноподобных средах на различных этапах старения предложен метод численного моделирования Монте-Карло. Для учета переотражения на границах раздела двух фаз применена методика на основе формул Френеля. Метод. В качестве модельной среды рассмотрены ячеистые структуры Кельвина, имитирующие газовые пузырьки в жидкой матрице в процессе старения (coarsening), представляющем переход пеноподобной среды от «влажной» к «сухой». Подобный переход для изолированной системы обусловлен медленным стеканием жидкости по стенкам газовых ячеек и каналам Плато–Гиббса вследствие влияния гравитационной силы. В процессе эволюции происходит уменьшение объемной доли жидкой фазы и увеличение среднего размера газовых ячеек пеноподобной среды. Трехмерная ячеистая структура на разных этапах эволюции представлена как система плотноупакованных упорядоченных сфер или тетрадекаэдров различных геометрических размеров в зависимости от длительности процесса старения. Основные результаты. На основе численного моделирования методом Монте-Карло и формул Френеля получены значения коэффициентов пропускания и обратного рассеяния зондирующего излучения для газожидкостной пены. Полученные результаты хорошо коррелируют со спектрометрическими измерениями вспененной жидкости производства Gillete (Gillete shaving cream). Приведен анализ влияния фактора анизотропии среды на среднюю оптическую длину зондирующего излучения. Практическая значимость. Разработка теоретических подходов к диагностике двухфазных пеноподобных материалов позволит оптимизировать синтез вспененных материалов с заданными реологическими и структурными свойствами и повысить эффективность оценки функциональных параметров подобных материалов.

Ключевые слова: газожидкостные пены, ячейка Кельвина, коэффициент пропускания, метод Монте-Карло, формулы Френеля

Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 21-79-00051).

Список литературы
  1. Li N., Fu Y., Lu Q., Xiao C. Microstructure and performance of a porous polymer membrane with a copper nano-layer using vapor-induced phase separation combined with magnetron sputtering // Polymers. 2017. V. 9. N 10. P. 524–527. https://doi.org/10.3390/polym9100524
  2. Poh P.S.P., Chhaya M.P., Wunner F.M., De-Juan-Pardo E.M., Schilling A.F., Schantz J.-T., van Griensven M., Hutmacher D.W. Polylactides in additive biomanufacturing // Advanced Drug Delivery Reviews. 2016. V. 107. P. 228–246. https://doi.org/10.1016/j.addr.2016.07.006
  3. ZimnyakovD.A., YuvchenkoS.A., Isaeva A.A., Isaeva E.A., Tsypin D.V. Growth/collapse kinetics of the surface bubbles in fresh constrained foams: transition to self-similar evolution // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2019. V. 579. P. 123693. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2019.123693
  4. HollisterS.J.Porous scaffold design for tissue engineering // Nature Materials. 2005. V. 4. N 7. P. 518–524. https://doi.org/10.1038/nmat1421
  5. Садовой М.А., Ларионов П.М., Самохин А.Г., Рожнова О.М. Клеточные матрицы (скаффолды) для целей регенерации кости: современное состояние проблемы // Хирургия позвоночника. 2014. № 2. С. 79–86. https://doi.org/10.14531/ss2014.2.79-86
  6. Ngadiman N.H.A., Yusof N.M., Idris A., Fallahiarezoudar E., Kurniawan D. Novel processing technique to produce three dimensional polyvinyl alcohol/maghemite nanofiber scaffold suitable for hard tissues // Polymers. 2018. V. 10. N 4. P. 353. https://doi.org/10.3390/polym10040353
  7. SeoS.J.,MahapatraC., Singh R.K., KnowlesJ.C., KimH.-W. Strategies for osteochondral repair: Focus on scaffolds // Journal of Tissue Engineering. 2014. V. 5. P. 1–5. https://doi.org/10.1177/2041731414541850
  8. Hokmabad V.R., Davaran S., Ramazani A., Salehi R. Design and fabrication of porous biodegradable scaffolds: a strategy for tissue engineering // Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition. 2017. V. 28. N 16. P. 1797–1825. https://doi.org/10.1080/09205063.2017.1354674
  9. Langer R., Vacanti J.P. Tissue engineering // Science. 1993. V. 260. N 5110. P. 920–926. https://doi.org/10.1126/science.8493529
  10. Celikkin N., Rinoldi C., Costantini M., Trombetta M., Rainer A., Święszkowski W. Naturally derived proteins and glycosaminoglycan scaffolds for tissue engineering applications // Materials Science and Engineering: C. 2017. V. 78. P. 1277–1299. https://doi.org/10.1016/j.msec.2017.04.016
  11. Laube T., Weisser J., Berger S., Börner S., Bischoff S., Schubert H., Gajda M., Bräuer R., Schnabelrauch M. In situ foamable, degradable polyurethane as biomaterial for soft tissue repair // Materials Science and Engineering: C. 2017. V. 78. P. 163–174. https://doi.org/10.1016/j.msec.2017.04.061
  12. O’Brien F.J. Biomaterials & scaffolds for tissue engineering // Materials Today. 2011. V. 14. N 3. P. 88–95. https://doi.org/10.1016/S1369-7021(11)70058-X
  13. Maitz M. Applications of synthetic polymers in clinical medicine // Biosurface and Biotribology. 2015. V. 1. N 3. P. 161–176. https://doi.org/10.1016/j.bsbt.2015.08.002
  14. DehghaniF., AnnabiN. Engineering porous scaffolds using gas-based techniques // Current Opinion in Biotechnology. 2011. V. 22. N 5. P. 661–666. https://doi.org/10.1016/j.copbio.2011.04.005
  15. Quirk R.A., France R.M., ShakesheffK.M., Howdle S.M. Supercritical fluid technologies and tissue engineering scaffolds // Current Opinion in Solid State and Materials Science. 2004. V. 8. N 3-4. P. 313–321. https://doi.org/10.1016/j.cossms.2003.12.004
  16. Loh Q.L., Choong C. Three-dimensional scaffolds for tissue engineering applications: Role of porosity and pore size // Tissue Engineering Part B: Reviews. 2013. V. 19. N 6. P. 485–502. https://doi.org/10.1089/ten.teb.2012.0437
  17. Durian D.J., Weitz D.A., Pine D.J. Multiple light-scattering probes of foam structure and dynamics // Science. 1991. V. 252. N 5006. P. 686–688. http://doi.org/10.1126/science.252.5006.686
  18. Koehler S.A., Stone H.A., Brenner M.P., Eggers J. Dynamics of foam drainage // Physical Review E. 1998. V. 58. N 2. P. 2097–2106. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.58.2097
  19. Kraynik A.M. Foam drainage: Internal Report. 1983. 83-0844.
  20. Schmiedeberg M., Miri M.F., Stark H. Photon channelling in foams // European Physical Journal E. 2005. V. 18. N 1. P. 123–131. http://doi.org/10.1140/epje/i2005-10034-6
  21. Koehler S.A., Hilgenfeldt S., Stone H.A. A Generalized view of foam drainage: experiment and theory // Langmuir. 2000. V. 16. N 15. P. 6327–6341. https://doi.org/10.1021/la9913147
  22. Cantat I., Cohen-Addad S., Elias F., Graner F., Höhler R., Pitois O., Rouyer F., Saint-Jalmes A. Foams: Structure and Dynamics. Oxford: Oxford University Press, 2013. 278 p.
  23. Onaka S.Superspheres: Intermediate shapes between spheres and polyhedra//Symmetry. 2012. V. 4. N 3. P. 336–343.https://doi.org/10.3390/sym4030336
  24. Зимняков Д.А., Ювченко С.А., Исаева А.А., Исаева Е.А., Ушакова О.В. Анизотропия рассеяния света вспененными жидкостями // Оптика и спектроскопия. 2018. Т. 125. № 5. С. 699–707. https://doi.org/10.21883/OS.2018.11.46846.99-18


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2024 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика