МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ В ПОРИСТЫХ ГЕМОСТАТИЧЕСКИХ ПОВЯЗКАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА РЕШЕТОЧНЫХ УРАВНЕНИЙ БОЛЬЦМАНА
Аннотация
Разработана дискретная модель для описания гидродинамики жидкости в пористом теле. Модель учитывает гетерогенность и многофазность системы, состоящей из твердого каркаса тела, пор, заполненных воздухом, и жидкости. Модель разработана на основе метода решеточных уравнений Больцмана совместно с методом псевдопотенци алов для корректного моделирования жидкой и газовой фаз в одной системе. Для повыше ния точности расчета на границе раздела фаз было использовано уравнение состояния Карнахана-Старлинга. Были проведены вычислительные эксперименты по моделирова нию впитывания тестового раствора в пористой структуре гемостатических повязок на основе хитозанового аэрогеля на мезоуровне. Были подобраны входные параметры модели, соответствующие изучаемой системе, и проведено сравнение сорбционной емкости тестового раствора для экспериментальных образцов и соответствующих им сгенерирован ных ранее цифровых структур. Расчетная сорбционная емкость соответствовала экспериментальной. Предложенная модель позволяет описывать гидродинамику многофазной системы, в частности, движение жидкости в пористой среде и прогнозировать ее сорбционную емкость. В качестве пористой среды модель использует цифровые пористые структуры, полученные с использованием клеточно-автоматного подхода. В модели могут использоваться различные уравнения состояния такие, как уравнение Ван-дер-Ваальса, Карнахана-Старлинга и Пенга-Робинсона для повышения точности моделирования. Кроме того, модель позволяет работать с многокомпонентными системами и способна описывать движение многокомпонентной жидкости, в частности, крови и раство ренного в ней активного фармацевтического ингредиента. Модель может быть использована совместно с другими дискретными моделями, в частности, с клеточными автоматами, позволяя моделировать несколько процессов в одной системе, например, растворение и движение активного фармацевтического ингредиента в пористой среде.
Для цитирования:
Лебедев И.В., Саленко Е.Ю., Уварова А.А., Меньшутина Н.В. Моделирование гидродинамики в пористых гемоста тических повязках с использованием метода решеточных уравнений Больцмана. Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва). 2025. Т. LXIX. № 2. С. 100-107. DOI: 10.6060/rcj.2025692.12.
Литература
Рубцова Л.Н. Исследование ламинарного течения в призматических каналах прямоугольного и эллиптического сечения. Изв. вузов. Химия и хим. технология.2022. Т. 65. № 4. С. 93-100. DOI: 10.6060/ivkkt.20226504.6533.
Ezzatneshan E., Goharimehr R.A. Pseudopotential Lattice Boltzmann Method for Simulation of Two-Phase Flow Transport in Porous Medium at High-Density and High–Viscosity Ratios. Geofluids. 2021. V. 2021. P. 1-18. DOI: 10.1155/2021/5668743.
Куперштох А.Л. Метод решеточных уравнений Больцмана для моделирования двухфазных систем типа жидкость-пар. Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. 2010. Т. 2. № 4. С. 56-63.
Chibbaro S., Falcucci G., Chiatti G., Chen H., Shan X., Succi S. Lattice Boltzmann models for nonideal fluids with arrested phase-separation. Phys Rev E. 2008. V. 77. N 3. P. 1-12. DOI: 10.1103/PhysRevE.77.036705.
Mohamad A.A. Lattice Boltzmann Method. London: Springer. 2011. 178 p. DOI: 10.1007/978-0-85729-455-5.
Krüger T., Kusumaatmaja H., Kuzmin A., Shardt O., Silva G., Viggen E.M. The Lattice Boltzmann Method. witzerland: Springer Cham. 2017. 694 p. DOI: 10.1007/978-3-31944649-3.
Sukop M.C., Thorne D.T. Lattice Boltzmann Modeling. Berlin: Springer Berlin Heidelberg. 2006. 174 p. DOI: 10.1007/978-3-540-27982-2.
Petersen K.J., Brinkerhoff J.R. On the lattice Boltzmann method and its application to turbulent, multiphase flows of various fluids including cryogens: A review. Physics of Fluids. 2021. V. 33. N 4. P. 1-25. DOI: 10.1063/5.0046938.
Li L., Wan Y., Lu J., et al. Lattice Boltzmann Method for Fluid-Thermal Systems: Status, Hotspots, Trends and Outlook. IEEE Access. 2020. V. 8. P. 27649-27675. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.2971546.
Succi S. The Lattice Boltzmann Equation. Oxford: Oxford University Press. 2018. 788 p. DOI: 10.1093/oso/9780199592357.001.0001.
Shan X., Chen H. Lattice Boltzmann model for simulating flows with multiple phases and components. Phys Rev E. 1993. V. 47. N 3. P. 1815-1819. DOI: 10.1103/PhysRevE.47.1815.
Chen L., Kang Q., Mu Y., He Y.L., Tao W.Q. A critical review of the pseudopotential multiphase lattice Boltzmann model: Methods and applications. Int J Heat Mass Transf. 2014. V. 76. P. 210-236. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.04.032.
Yuana K.A., Budiana E.P., Deendarlianto, Indarto. Modeling and simulation of droplet wettability using multiphase Lattice Boltzmann method (LBM). AIP Conf. Proc. 2019. V. 2192. P. 070002-1-070002-8. DOI: 10.1063/1.5139169.
Huang H., Li Z., Liu S., Lu X. Shan‐ and‐ Chen‐ type multiphase lattice Boltzmann study of viscous coupling effects for two‐ phase flow in porous media. Int J Numer Methods Fluids. 2009. V. 61. N 3. P. 341-354. DOI: 10.1002/fld.1972.
Wu S., Chen Y., Chen L.Q. Three-dimensional pseudopotential lattice Boltzmann model for multiphase flows at high density ratio. Phys Rev E. 2020. V. 102. N 5. P. 1-13. DOI: 10.1103/PhysRevE.102.053308.
Baakeem S.S., Bawazeer S.A., Mohamad A.A. Comparison and evaluation of Shan–Chen model and most commonly used equations of state in multiphase lattice Boltzmann method. International Journal of Multiphase Flow. 2020. V. 128. P. 1-15. DOI: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2020.103290.
Голубев Э.В., Суслова Е.Н., Лебедев А.Е. Компьютерное моделирование гидродинамики и массопереноса процесса сверхкритической сушки аэрогелей в аппаратах лабораторного и промышленного масштаба. Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва). 2023. Т. 67. №. 2. С. 37-44. DOI: 10.6060/rcj.2023672.4.
Yuan P., Schaefer L. Equations of state in a lattice Boltzmann model. Physics of Fluids. 2006. V. 18. N 4. P. 1-12. DOI: 10.1063/1.2187070.
Куперштох А.Л. Моделирование течения капли по стенке канала прямоугольного сечения с переменной смачиваемостью. Динамика Многофазных Сред: материалы XV Всероссийского семинара с участием иностранных студентов (3-5 октября 2017). Новосибирск: Институт вычислительных технологий СО РАН. С. 94-96.
Kupershtokh A.L. Three-dimensional modeling of dynamics of liquid dielectric droplets on a wettable surface in the electric field. J Phys Conf Ser. 2020. V. 1677. N 1. P. 1-5. DOI: 10.1088/1742-6596/1677/1/012067.
Pooley C.M., Kusumaatmaja H., Yeomans J.M. Modelling capillary filling dynamics using lattice Boltzmann simulations. Eur Phys J Spec Top. 2009. V. 171. N 1. P. 63-71. DOI: 10.1140/epjst/e2009-01012-0.
Бобков С.П. Использование дискретных подходов для моделирования основных процессов химической технологии. Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва). 2019. Т. 63. № 3-4. С. 22-30. DOI: 10.6060/rcj.2019633.3.
Лебедев И.В., Уварова А.А., Меньшутина Н.В. Информационно-аналитический комплекс для создания цифровых двойников структур пористых материалов с использованием клеточно-автоматного подхода. ос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва). 2023. Т. 67. № 2. С. 52-58. DOI: 10.6060/rcj.2023672.6.
Lebedev I.V., Lovskaya D.D., Mochalova M.S., Mitrofanov I.V., Menshutina N.V. Cellular Automata Modeling of Three-Dimensional Chitosan-Based Aerogels Fiberous Structures with Bezier Curves. Polymers. 2021. V. 13. N 15. P. 1-20. DOI: 10.3390/polym13152511.
Мочалова М. С. и др. Исследование процесса получения частиц аэрогеля на основе хитозана с внедренным гидрохлоридом лидокаина для разработки местных гемостатических средств с анестезирующим эффектом. Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва). 2023. Т. 67. №. 2. С. 59-66. DOI: 10.6060/rcj.2023672.7.
Ван З. Н., Цыганков П. Ю., Меньшутина Н. В. Гибридные аэрогели на основе лигнина, полученного из растительного сырья. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2023. Т. 66. №. 4. С. 75-83. DOI: 10.6060/ivkkt.20236604.6767.
