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 24-49-10003
НазваниеКомплексный подход к созданию научных основ проектирования энергоэффективных теплообменных аппаратов с воздушным охлаждением оребренных трубных пучков, функционирующих при доминирующих эффектах свободной конвекции
РуководительЗасимова Марина Александровна, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого", г Санкт-Петербург
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2024 г. - 2026 г. |
Конкурс№88 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (БРФФИ).
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-201 - Процессы тепло- и массообмена
Ключевые словачисленное моделирование, экспериментальные исследования, тепло- и массообмен, интенсификация теплообмена, гладкотрубные и оребренные пучки, свободно и смешанно конвективные режимы, вихреразрешающие подходы, машинное обучение, искусственные нейронные сети
Код ГРНТИ30.17.35
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект имеет целью развитие научно обоснованной методики теплогидравлического расчета и проектирования рабочих узлов аппаратов воздушного охлаждения (АВО) и теплообменников воздушного охлаждения (ТВО): пучков труб с внешним оребрением, охлаждаемых снаружи течением воздуха в режимах, возникших под влиянием эффектов свободной конвекции и естественной тяги. Цель проекта достигается решением следующих задач.
1. Получение систематических экспериментальных данных о теплоотдаче и аэродинамическом сопротивлении оребренных труб, как одиночных, так и скомпонованных в трубные пучки различной конфигурации, по-разному расположенных в поле силы тяжести.
2. Получение данных численного моделирования течения и теплообмена в экспериментально исследованных пучках с целью всесторонней валидации методики численного моделирования, опирающейся на совместное использование моделей турбулентной вязкости и вихреразрешающих моделей из семейства методов крупных вихрей, а также моделирование сложного теплообмена с учетом сопряженного (конвективного, радиационного и кондуктивного) теплопереноса.
3. Получение расчетных (методом численного моделирования) и экспериментальных данных об интенсификации теплообмена в режиме смешанной конвекции путем локального изменения геометрии ребер.
4. Создание базы данных, включающей данные экспериментов и многовариантных расчетов теплоотдачи и сопротивления оребренных труб, как одиночных, так и скомпонованных в трубные пучки различной конфигурации, которые по-разному ориентированы относительно действия силы тяжести.
5. Обобщение полученных экспериментальных данных и результатов численного моделирования в виде прототипа искусственной нейронной сети (ИНС) на основе созданной базы данных для предсказания интегральных характеристик течения и теплообмена.
6. Разработка проблемно-ориентированной методики машинного обучения (МО) на основе ИНС для определения оптимальной конфигурации аппарата воздушного охлаждения на основе пучка оребренных труб (в зависимости от геометрических характеристик пучка, режимных параметров, типа теплоносителя).
Актуальность результатов определяется тем, что по сравнению с распространенными подходами к проектированию рабочих узлов АВО и ТВО, опирающимися на богатые эмпирические данные о теплогидравлических характеристиках трубных пучков и по-прежнему требующими для своей реализации значительных усилий высококвалифицированных специалистов, предлагаемый подход позволит перенести значительную часть этих усилий в сферу ИИ. Научная новизна проекта, кроме безусловной ценности ожидаемых экспериментальных и расчетных данных и их физической интерпретации, состоит в том, что он может стать важным шагом к внедрению современных информационных технологий в практику проектирования элементов чрезвычайно широко распространенного энергетического и технологического оборудования (аппаратов АВО и ТВО).
Ожидаемые результаты
По итогам работы над проектом ожидается получение следующих научных результатов.
В течение первого года выполнения проекта планируется получить результаты валидации RANS/URANS и вихреразрешающих (LES/DNS) подходов на основе данных экспериментов, имеющихся в литературе. Создать методику проведения многовариантных (порядка нескольких десятков тысяч) расчетов, использующую моделирование течения и теплообмена вихреразрешающими и RANS/URANS подходами, а также собственные программные средства автоматизированной генерации геометрических моделей и расчетных сеток.
В течение второго года планируется получить результаты валидации метода численного моделирования по данным, экспериментов, выполненных зарубежными партнерами на первом этапе проекта для расширенного диапазона режимных параметров и интенсифицированного путем установки вытяжной шахты теплообмена. Формирование базы данных путем выполнения многовариантных расчетов методом URANS при варьировании геометрических параметров оребрения и режимных параметров (чисел Рейнольдса и Грасгофа). Создание программных модулей системы МО. Разработка методики численного моделирования свободноконвективного обтекания и теплообмена оребренной трубы с элементами макрошероховатости на поверхности ребер.
В течение третьего года планируется применить разработанную методику МО для предсказания интегральных характеристик течения и теплообмена оребренных пучков труб АВО, работающих в режимах свободной и смешанной конвекции. Выполнить обучение ИНС на основе сформированной на предыдущем этапе базы данных результатов численного моделирования с выделением наборов входных и выходных параметров задачи (геометрические характеристики пучка, режимные параметры, гидравлическое сопротивление и теплоотдача пучка). Уточнить методику учета влияния загрязнения на характеристики теплоотдачи оребренной поверхности трубы АВО для режимов свободной и смешанной конвекции.
Направленное на совершенствование методов расчета и проектирования АВО и ТВО исследование, включающее накопление, систематизацию и включение в модель для МО данных о теплогидравлических характеристиках пучков оребренных труб для режимов смешанной конвекции и условий интенсификации теплоотдачи, вносит существенный вклад в развитие инженерных наук. Расширение диапазона рабочих параметров АВО и ТВО за счет использования режимов со смешанной конвекцией воздуха улучшит эксплуатационные характеристики АВО и ТВО, позволит шире использовать эти режимы и достичь некоторого снижения затрат энергии при обеспечении режимов вынужденной конвекции.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ