КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 19-79-30075

НазваниеЭффективные методы интеллектуального управления физико-химическими процессами в современных энергетических технологиях

РуководительМаркович Дмитрий Маркович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2023 г. - 2025 г.

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (33).

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-105 - Газо- и гидродинамика технических и природных систем

Ключевые словаПовышение эффективности энергетических технологий, камеры сгорания газотурбинных установок, турбулентность, горение топлива, гидроэнергетика, математическое моделирование, RANS, LES, оптические методы исследования потоков, PIV, LIF, управление с обратной связью, машинное обучение, нейронные сети, двухфазные течения

Код ГРНТИ44.01.77

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Продолжение проекта направлено на дальнейшее развитие адаптивных методов управления физико-химическими процессами в различных классах течений, лежащими в основе современных энергетических технологий и оборудования, с целью повышения их эффективности, надёжности и экологичности. Объектами исследования будут являться канонические одно- и двухфазные турбулентные течения (обтекание тел, струи и факелы, течения в трубах и каналах), соответствующие процессам в важнейших узлах энергетических устройств (камеры сгорания, форсунки для диспергирования топлива, лопатки турбин и др.). Концентрация на данных объектах обусловлена необходимостью как более широкого обобщения полученных и опубликованных в рамках первого этапа проекта результатов, так и проведения дополнительных исследований ряда эффектов и явлений, с точки зрения более глубокого раскрытия потенциала управления их структурой и интенсивностью. Исследование таких сложных термогидродинамических и физико-химических процессов будет проводиться с использованием передовых оптико-информационных систем диагностики (в том числе 3D PIV, лазерно-индуцированной флуоресценции ЛИФ, инфракрасной термометрии), а также методов углублённого физико-математического и численного моделирования, позволяющих детально изучать механизмы переноса в многомасштабных нестационарных системах, с привлечением активно развивающихся в последнее время современных адаптивных методов управления с обратной связью и методов машинного обучения. В Проекте 2023 акценты будут сделаны на дальнейшем изучении структуры перечисленных выше канонических объектов и методов управления ими, с потенциальным приложением к диспергированию жидкого топлива в форсунках различной конфигурации с дальнейшим малоэмиссионным сжиганием, газокапельным течениям в каналах и трубах, в том числе при наличии жидких пленок на стенках, как элементам теплогидравлических систем в тепловой, солнечной и атомной энергетике, кавитационному обтеканию моделей лопаток гидротурбин. Кроме того, управление обтеканием тел, в том числе в стесненных условиях, включая миниканальные системы, в качестве прототипирования тепловой защиты, также является одним из направлений работы в рамках проекта. Широкий спектр методов адаптивного активного и пассивного управления структурой потоков и интенсивностью переноса, включая вариацию спектра накладываемых внешних возмущений различной природы, соотношение пространственных масштабов дисперсной фазы и турбулентных флуктуаций, временной последовательности и дискретности воздействия, управление кинетикой горения, в сочетании с прецизионным экспериментом, машинным обучением и вихреразрешающим моделированием станут основой для создания базы данных эффективных управляющих воздействий, готовых для внедрения в энергетических технологиях в ближайшем будущем.

Ожидаемые результаты
В рамках проекта планируется изучение струй, истекающих из протяжённых каналов различной геометрии поперечного сечения (круг, квадрат, треугольник) на режимах перемежаемости, а также изучение возможности искусственной генерации турбулентных структур в этих каналах. Полученные новые данные по коэффициентам перемежаемости, способам генерации, внутренней структуре течения позволят в дальнейшем создавать как активные адаптивные системы (за счет генерации турбулентных структур, или изменения параметра перемежаемости), так и использовать пассивные методы управления (за счёт изменения внутренней структуры турбулентных образований, вызванной геометрией канала). Также с использованием метода лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ) будет исследовано смешение турбулентных струй с окружающим воздухом и горением, в том числе – в условиях внешнего возмущения (акустического и модуляции расхода, пульсирующего вдува на кромке сопла). Акцент будет сделан на влиянии поперечных и продольных вихревых структур, их воздействия на интенсивность перемешивания в струях и на устойчивость факела (пределы бедного срыва). Выявленные эффективные стратегии управления смешением в струях при использовании методов активного и пассивного управления позволят глубже понять механизмы массообмена в турбулентных струях с окружающей средой в условиях возмущений и в дальнейшем применять эти методы для проектирования различных смесителей, форсунок с улучшенными характеристиками. Одним из способов повышения экологичности используемых в энергетической отрасли горелочных устройств за счет снижения образования вредных веществ и их выхода в окружающую среду с уходящими газами является метод впрыска перегретого водяного пара. Для эффективного применения такого подхода требуется точная настройка рабочих параметров оборудования, что обуславливает необходимость решения задачи разработки и создания программных алгоритмов, позволяющих в полной мере реализовывать потенциал технологий в широких рабочих диапазонах. Ожидаемым результатом исследования является программный алгоритм для адаптивного управления параметрами подачи перегретого водяного пара при сжигании жидких углеводородов в атмосферном горелочном устройстве. Будут продолжены работы по адаптивному управлению спрейным охлаждением протяженных по площади поверхностей с применением разработанного многоструйного импульсного спрея, генерируемого 16 независимымим жидкостными форсунками и 25 воздушными соплами. В результате ожидается получить данные об оптимальных режимах с максимальной утилизаций энтальпии охлаждающей жидкости. Будут сформулированы механизмы интенсификации теплообмена в импульсных спреях за счет пространственного управления распределением орошения теплообменника газокапельным потоком. На основе разработанного метода компьютерного зрения планируется создать методику определения образования сухих пятен. Будет разработана автоматизированная система управления источником газокапельного потока с обратной связью для предотвращения формирования областей перегрева на теплообменном устройстве. Важно отметить, что сведений об одновременном применении в экспериментах высокоскоростных видеокамер и камер ИК-диапазона, а также об использовании управляемого многосоплового спрея в литературе не найдено. Двухфазные пузырьковые сдвиговые течения широко распространены в различных технических устройствах, но при этом их структура и динамика практически не изучена. Ранее авторами было показано, что наличие газовой фазы в импаткных струях позволяет управлять интенсивностью тепломассообмена с поверхностью. В продолжении проекта запланировано исследование пузырьковых струй с газами различной плотности с использованием передовых оптических методов, в том числе – ЛИФ. Будет получена уникальная обширная экспериментальная база данных, востребованная для развития и верификации математических моделей для численного расчета турбулентных течений с пузырьками. Будет исследована динамика течения при внешнем управлении потоком за счет модуляции струи. Также методом ЛИФ будет проведена оценка изменения крупномасштабных вихревых структур на перенос дисперсной фазы. Волновые пленочные течения, как системы высокоэффективного тепломассообмена, обусловленного экстремально высокими градиентами параметров, реализуются в широком наборе теплогидравлических систем и химических технологий. Для исследования эффективности методов управления волновой структурой пленочных течений будут применяться современные оптические методы. Методы теневой и шлирен-визуализации будут применяться для качественного описания изменения волновой структуры. Метод лазерно-индуцированной флюоресценции будет использован для детального количественного анализа процессов формирования, эволюции и взаимодействия возмущений поверхности пленки на основе полевых измерений локальной мгновенной толщины пленки жидкости в протяженной пространственной области. В предыдущих исследованиях авторами проекта были обнаружены продольные структуры (струи) на тонких пленках жидкости, представляющие собой локализованные в поперечном направлении и протяженные по длине утолщения слоя жидкости, реализующиеся как в изотермических, так и неизотермических условиях. В результате выполнения Проекта будет исследован эффект пульсаций расхода жидкости и наклона пластины к горизонту на формирование, эволюцию и характеристики продольных струй при изотермическом стекании пленки жидкости под действием силы тяжести по верхней и нижней сторонам наклонной пластины в широком диапазоне углов. Дополнительно будет изучено разрушение регулярных двумерных волн вследствие развития поперечной неустойчивости, вызванной боковыми ограничителями потока, а также эффект наклона пластины и частоты возбуждения волн на устойчивость регулярных волн. Для пленок жидкости, увлекаемых высокоскоростным потоком газа в вертикальных трубах, будут выявлены предельные скорости газа, при которых возможно достижение регуляризации потока и управление волновыми характеристиками, а также определено расстояние вниз по потоку, на протяжении которого регулярные волны возмущения сохраняют устойчивость. Для газожидкостных течений в трубах будет исследована возможность управления переходом от стратифицированного режима течения к кольцевому с целью расширить область существования дисперсно-кольцевого режима и ускорить орошение внутренней поверхности трубы в переходных режимах. Методы управления потоками, развитые в ходе выполнения Проекта, могут быть использованы для оптимизации пленочных аппаратов в различных отраслях промышленности и энергетики. Оптимизация может заключаться в интенсификации или подавлении тепломассообмена, смещении границ смены режимов течения, регуляризации потока. Регуляризация потока и повышение предсказуемости его характеристик будет полезна для проведения дальнейших экспериментальных исследований с высоким уровнем детализации, которые, в свою очередь, позволят развить работающие модели сложных течений. Будет проведено вихреразрешающее численное моделирование и физические исследования по обтеканию модифицированного цилиндра (как простейшей модели тела обтекания в теплообменных и лопаточных системах) с щелью/прорезью и/или отверстиями для докритических чисел Рейнольдса с целью анализа влияния вдува струй в обтекаемый поток на течение вблизи цилиндра, процессы развития и распада ближнего следа, а также возможности активного управления этими процессами. Для сверхкритических режимов обтекания планируется экспериментальное исследование влияния секторального гидрофобного покрытия на режимы обтекания с присутствием кавитации в следе за модифицированным цилиндром. Будут разработаны новые оптимизационные подходы, основанные на построении суррогатных моделей. Современные методы машинного обучения, включая обучение с подкреплением, позволяют при помощи глубоких нейронных сетей строить эффективную суррогатную модель, которая является пригодной для быстрого воспроизведения аэродинамических характеристик тел обтекания. На базе этих методов будут построены эффективные оптимизационные процедуры. На основе экспериментальных данных о влиянии действия струйных логических элементов (осцилляторов) на трехмерную структуру ограниченных и пристенных турбулентных течений и процессы тепломассопереноса будет получен научный задел для разработки метода управления интенсификацией теплообмена, применительно к широкому классу теплообменных аппаратов, реализующихся в энергетических приложениях. Экспериментальные исследования будут проведены с использованием передовых оптических методов их комбинации: ЛИФ, ИК термометрии, анемометрии по изображениям частиц (англ.: particle image velocimetry, PIV), в том числе с высокой частотой регистрации (до 20 кГц) и в 3D постановке. Ожидаемые новые научные результаты будут соответствовать высокому мировому уровню. В частности, скоростные 3D PIV измерения или результаты скоростных ЛИФ исследований, проведённых в рамках проекта, будут востребованы не только в фундаментальном плане, они также имеют высокую перспективу внедрения для разработки новых устройств. Созданная и развиваемая вычислительная инфраструктура в лаборатории мирового уровня позволяет решать задачи вычислительной аэрогидродинамики с применением методов машинного обучения на новом качественном уровне, что в том числе отражается и на оперативном решении практических задач индустриальных партнеров. Также важно отметить, что в рамках сотрудничества с предприятием – партнером планируется внедрять разрабатываемые оптические методы исследования и алгоритмы обработки и анализа данных в создаваемые партнером измерительные комплексы. Это будет способствовать импортозамещению высокотехнологичного измерительного оборудования и способствовать внедрению таких систем в отечественных ВУЗах, НИИ и КБ в будущем.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---