Удивительное многообразие процессов агрегации в газообразных средах окружает нас повсюду — от завораживающего образования снежинок в зимнем небе до величественных колец Сатурна в космическом пространстве. Эти же принципы лежат в основе множества современных технологий, включая аэрозольное окрашивание и транспортировку порошков. Чтобы лучше понимать и эффективно использовать эти процессы, ученым необходимы точные математические модели.
История изучения этого явления началась в начале XX века, когда выдающийся польский физик Мариан Смолуховский разработал первые уравнения, описывающие процессы агрегации. Его формулы объясняли, как частицы разного размера объединяются в более крупные структуры. Однако эти уравнения работали только в идеальных условиях, без учета реальных пространственных неоднородностей.
При попытке описать поведение частиц в реальных условиях ученые долгое время комбинировали формулы Смолуховского с классическими уравнениями гидродинамики — уравнениями Эйлера и Навье-Стокса. Эти фундаментальные уравнения, разработанные в XVIII-XIX веках, прекрасно описывают движение жидкостей и газов. Однако их сочетание с теорией Смолуховского часто приводило к значительным расхождениям с наблюдаемой реальностью.
Прорыв в решении этой проблемы совершили исследователи из Центра искусственного интеллекта Сколтеха — старший научный сотрудник Александр Осинский и профессор Николай Бриллиантов. Они разработали принципиально новый подход, создав уникальные гидродинамические уравнения с инновационными кинетическими коэффициентами.
Эти новые коэффициенты представляют собой удивительный гибрид, объединяющий свойства как транспортных, так и реакционных коэффициентов. Они играют такую же важную роль для агрегирующих флюидов, как вязкость или теплопроводность для обычных жидкостей. Компьютерное моделирование подтвердило высокую точность новых уравнений при описании реальных процессов.
Практическое значение этого открытия трудно переоценить. Новые уравнения значительно повысят точность моделирования в различных областях: от анализа загрязнения воздуха до разработки современных аэрозольных технологий. Они найдут применение в авиационной и автомобильной промышленности, помогут усовершенствовать системы транспортировки мелкодисперсных материалов.
Это достижение открывает новые горизонты в понимании природных явлений и совершенствовании промышленных технологий. Теперь ученые смогут точнее предсказывать поведение частиц в атмосфере, создавать более эффективные технологические процессы и лучше понимать формирование космических структур.
Исследование получило поддержку в виде гранта Российского научного фонда, что подчеркивает его значимость для развития науки.
Источник: naked-science.ru
