Год издания: 2017
Ключевые слова: процессы переноса, вихревые течения, вихревые двухфазные струи, турбулентные закрученные реагирующие многофазные потоки, пленочные волновые течения, локальные и полевые методы лазерной диагностики, численное моделирование, энергоэффективные вихревые технологии, экологически чистая теплоэнергетика
Аннотация: Приоритетное направление модернизации Российской экономики «Энергоэффективность и ресурсосбережение» предполагает новые технические решения для повышения эффективности и безопасности в энергетике. Разработка научных основ создания новых вихревых технологий для интенсификации процессов тепломассообмена в рамках государственной прогрПоказать полностьюаммы «Энергоэффективность и развитие энергетики до 2020 г.» по-прежнему является важной и актуальной задачей. Организация и управление режимами интенсивного вихревого движения играет определяющую роль в повышении энергоэффективности. В тоже время, повышение эффективности энергетических установок приводит к их эксплуатации на нестационарных и форсированных режимах, что противоречит концепции безопасности. Знание и точное предсказание этих режимов позволяет работать в отрицательном поле допусков, контролировать рабочие режимы, выполнять обслуживание техники по фактическому состоянию, верифицировать численные методы и коды.?Актуальность направления исследований Проекта-2017 объясняется тем, что свойства вихревых течений имеют широкий диапазон технических приложений в энергетическом, теплообменном и технологическом оборудовании различных отраслей промышленности. Свойства вихревых течений определяют режимы работы энергетических установок. Эффективность технологических устройств с закруткой потока однозначно связана с генерацией концентрированных винтообразных (спиральных) вихрей. Хотя накоплено большое количество эмпирических данных о влиянии закрутки потока на характеристики течения (распределение скорости, устойчивость течения, области возвратного течения в потоках, размеры, форму и устойчивость пламени, интенсивность горения и др.), многие экспериментально наблюдаемые эффекты не имеют адекватного теоретического объяснения. Проект-2017 будет ориентирован на выявление и представление общих закономерностей и явлений, присущих и объединяющих исследуемые, в общем достаточно различные, вихревые процессы.?? Применение закрученных потоков и вихревых технологий опережает процесс их детального исследования. Так, одна из проблем использования вихревых устройств связана с потерей устойчивости осесимметричных закрученных потоков и возникновением в них сложных трехмерных нестационарных структур, существенно влияющих на все процессы в вихревых аппаратах. Принято считать, что закрутка потока увеличивает тепломассообмен со стенками реакторов за счет увеличения длины траекторий частиц и их времени пребывания в реакторе. Однако экспериментально было обнаружено аномальное свойство - ослабление обменных процессов после закрутки. Одно из объяснений связано с возможностью генерации потоков с разным типом винтовой симметрии поля завихренности: течение с правовинтовым вихрем уменьшает интенсивность обменных процессов по сравнению с незакрученным потоком, а с левовинтовым – увеличивает, из-за изменения локальной осевой скорости вблизи стенки. Изменение винтовой симметрии вихрей и топологии течения носит спонтанный характер и еще не нашло полного объяснения и описания. Дополнительно следует отметить, что существенное влияние на тепломассоперенос оказывают режимы с распадом вихревой структуры и образованием замкнутых рециркуляционных зон, весьма чувствительных к внешним возмущениям, вызываемым, в том числе, контактным диагностическим оборудованием. Поэтому разработка новых методик и методов исследования тепломассопреноса в сильно закрученных вихревых и пленочных течениях безусловно сохраняет актуальность и диктуется сложностью изучаемого объекта, в большинстве случаев с ярко выраженными нестационарными технологическими режимами. ?Одна из основных фундаментальных проблем в классической гидродинамике - понимание механизма переноса энергии к меньшим масштабам. Теория квантовой турбулентности в отсутствие вязкости рассматривает волны Кельвина, образующиеся при перезамыкании квантовых вихрей как явление, ответственное за перенос энергии в масштабах, меньших чем расстояние между вихрями. Научную новизну проекта подтверждает планируемое экспериментальное моделирование на вихревом рабочем участке с реальной жидкостью режимов генерации и эволюции волн Кельвина, определение топологических особенностей процесса вихревого перезамыкания в зависимости от параметров вихревого ядра, возможная генерация и исследование нелинейного образования – солитона Хасимото. ?В области квантовой турбулентности природа сверхтекучести и особенно ее проявления в различных эффектах до конца не ясна. В этом аспекте изучение влияния вихревых нитей на нестационарные тепловые и гидродинамические процессы в сверхтекучей жидкости безусловно актуально. Предлагаемые исследования Проекта-2017 позволят глубже понять природу связи квантовой турбулентности и тепловых процессов в сверхтекучих жидкостях. ?Важнейшей и актуальной задачей при проектировании энергетических установок является создание конструкций, устойчивых к внештатным режимам работы, в том числе разного вида аварий. Опасность аварийного сценария существенно возрастает в современных энергетических установках, где рабочие давления и температуры приближаются к критическим значениям или превосходят их. В связи с этим чрезвычайно важно уметь предсказывать сценарии развития процесса при внезапной разгерметизации рабочей области, в ходе которой генерируются ударные волны и мощные тороидальные вихри.?Актуальность проекта обусловлена необходимостью разработки новых методов интенсификации тепломассообменнных процессов и развития теории для прогнозирования волновых режимов пленочных течений в сложных условиях. Хотя, результаты ??Проекта-2014 года конкурируют с передовыми зарубежными исследованиями, а в ряде случаев и превосходят их, разработанные модели для описания волновой динамики пленок нуждаются в дальнейшей модификации применительно к конкретным сложным условиям течения, особенно в случаях сильной нелинейности и вихреобразования в гребнях волн.?Задача научного обоснования параметров и характеристик вихревой топки при сжигании распыленного угольного топлива (в т.ч. низкокачественного) в вихревом потоке компактной камеры горения сохраняет свою актуальность. Исследования механизмов тепломассопереноса в вихревом потоке, разработки методов организации вихревого движения и генерации вихревых структур, обеспечивающих максимальную интенсивность процессов переноса в топке, будут направлены на решение задач повышения энергоэффективности и снижения токсичных выбросов.??Успешная реализация Проекта-2014 года позволяет уверенно утверждать, что полученные в ходе выполнения Проекта-2017 результаты исследований будут относится к передовому мировому уровню развития лабораторного и численного моделирования интенсификации тепломассообмена, регулярных и хаотических гидродинамических процессов, в первую очередь связанных с организацией вихревого движения. Результаты дадут основу для разработки конкретных энергосберегающих технологий и усовершенствования технологических процессов с элементами эффективного тепломассопереноса в различных энергетических, химических, биологических, фармацевтических и других отраслях промышленности.