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 проекта 23-79-10044
НазваниеРазработка методологии моделирования тепловых, гидро- и газодинамических процессов в пористых средах на основе трижды периодических поверхностей минимальной энергии
Руководитель Еремин Антон Владимирович, Доктор технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" , Самарская обл
Конкурс №85 - Конкурс 2023 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-201 - Процессы тепло- и массообмена
Ключевые слова Пористые материалы; элементарная ячейка; трижды периодические поверхности; гидродинамика; газодинамика; тепломассоперенос; численные методы; математическое моделирование; приближенные аналитические методы; тепловые и гидравлические характеристики; экспериментальное исследование; проектирование тепломассообменного оборудования
Код ГРНТИ44.31.00, 27.35.00, 27.41.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Исследование процессов переноса в пористых материалах (ПМ) представляет большой интерес как с научной, так и с прикладной точки зрения. ПМ получили широкое распространение в авиационном и космическом машиностроении, энергетике, строительстве, биологии и медицине и многих других отраслях промышленности. Вставки из пористых материалов используются в качестве фильтрующих элементов в фильтрах; теплоизоляционных материалов; как основа активной тепловой защиты техники; глушителей шума и др. Вне зависимости от назначения, эффективность разрабатываемой системы на основе ПМ существенно зависит от точности описания процессов переноса в поровом пространстве. Исследованием тепловых и гидродинамических процессов в телах с анизотропными свойствами занимались выдающиеся российские ученые: А.И. Леонтьев, Ю.В. Полежаев, А.Ф. Формалев, Э.М. Карташов, Г.Н. Кувыркин, В.С. Зарубин, С.В. Белов, Ю.А. Кирсанов и многие другие. Среди зарубежных исследователей стоит отметить труды Feng, Zhou, Wang, Yang, Zhu, Speirs и др. Однако считать теорию переноса в пористых структурах завершенной преждевременно. При вычислении полей искомых функций (температур, скоростей, давлений и др.) нередко используются грубые допущения, связанные со статистическим описанием геометрической структуры материала, пренебрежением пограничными эффектами на разделе сред и др. Таким образом, тема разработки и совершенствования методов исследования процессов переноса в пористых средах актуальна.
В рамках проекта будут исследованы материалы с топологией трижды периодических минимальных поверхностей (ТПМП-материалы), состоящих из повторяющихся элементов – элементарных ячеек, некоторые из которых имеют строгое математическое описание. Комбинируя элементарные ячейки, изменяя их структурные параметры, могут быть получены ПМ с требуемыми теплофизическими свойствами, тепловыми и гидродинамическими характеристиками. Кроме того, минимальные поверхности и материалы на их основе не имеют самопересечений и делят пространство на два и более непересекающихся объема, что позволяет проектировать на их основе ТМО-оборудование поверхностного типа. Важно отметить, что при исследовании различных ТПМП-структур будут использованы, в том числе, неизвестные ранее типы элементарных ячеек, сгенерированные из атомных сеток цеолитов.
В основу разработки методологии моделирования процессов тепломассопереноса в пористых средах на основе трижды периодических поверхностей минимальной энергии будут положены результаты как численных так и экспериментальных исследований. Численные исследования с использованием современных программных продуктов таких как Ansys Fluent/CFX, OpenFOAM, MathCad позволят исследовать широкий диапазон технологических параметров по гидрогазодинамике и тепломассообмену, а также различные ТПМП-структуры. Для верификации результатов численного моделирования будут использованы экспериментальные данные по гидро- и аэродинамическому сопротивлению, теплопроводности, температурным полям и др. Кроме того, LIF (Laser Induced Fluorescence)-изображения (контуры) совместно со Шлирен-изображениями (полученные методом оптических неоднородностей Шлирена) позволят получить точное представление о характере течения газов в каналах ТПМП-структур, что позволит разрабатывать новые и модернизировать существующие CFD-модели как для осредненных по Рейнольдсу моделей (RANS) так и для моделей диссипации крупных вихрей (LES).
Результаты исследований будут обобщены и представлены в виде простых по форме аналитических характеристик. Предполагается, что полученные характеристики будут использованы широким кругом исследователей, занимающихся проектированием тепломассообменного оборудования, дизайном материалов с заданными физическими свойствами, проектированием тепловой защиты технологического оборудования и др. Полученные в аналитическом виде параметризованные характеристики (будут использованы при построении новых математических моделей переноса в пористых средах.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе реализации проекта в период с 01.07.2024 г. по 30.06.2025 г. выполнены следующие виды работ:
1. С помощью программы Surface Evolver сгенерированы 10 новых видов трижды периодических минимальных поверхностей, а именно: Schoen’s GW, Hybrid-1 P, F-RD, I-6, Manta Genus 19, Schwarz H, F-RD(r). На основе тополого-геометрического анализа кристаллической структуры природных кристаллов в программе ToposPro также были созданы совершенно новые виды ТПМП, которые получили названия ATN, BCT, MER и SAS.
2. Для новых видов ТПМП проведен вариантный анализ (сравнительный анализ симметрии, диапазона изменяемой пористости, среднего гидравлического диаметра, удельной площади поверхности и др.), на основании которого в группу оптимальных ячеек (ГОЯ) включены пять новых ТПМП. Результаты анализа занесены в обновленную базу данных ТПМП на портале Mendeley (https://data.mendeley.com/datasets/8h7sgbjcsg/2).
3. Разработаны CAD-модели ТПМП ячеек с заполнением порового пространства, состоящие из твердотельной стенки с заданной толщиной, внутреннего объема и внешнего объема.
4. Проведено численное моделирование процессов теплопроводности и фильтрационного течения в новых видах ТПМП из ГОЯ, по результатам которого определены зависимости коэффициентов эффективной теплопроводности и проницаемости от характерных параметров ТПМП (пористость, толщина стенки ячейки, размер ячейки). Результаты представлены в обновленной базе данных ТПМП на портале Mendeley (https://data.mendeley.com/datasets/8h7sgbjcsg/2).
5. Выполнено моделирование тепломассопереноса в рекуперативных теплообменных устройствах на основе ТПМП. Изучено влияние толщины стенок, пористости, скорости потока и числа Рейнольдса на безразмерные коэффициенты теплопередачи и потерь давления, а также определены значения коэффициентов Колберна и Нуссельта.
6. Разработано программное обеспечение для определения температурных полей в пористых ТПМП-материалах при фильтрационном течении несжимаемой жидкости с возможностью динамического изменения временного шага. Исходный код и исполняемый файл программы представлены на платформе Mendeley (https://data.mendeley.com/datasets/rkbpp6d5xv/2).
7. Построены CAE-модели теплопроводности в композиционных материалах, структура которых основана на ТПМП Schwarz Gyroid, Diamond и Primitive. Для заполнения пространства пор использовались парафин и эпоксидная смола. Используя полученные значения коэффициентов эффективной теплопроводности были поставлены и решены соответствующие краевые задачи.
8. Проведена закупка расходных материалов, 3D-принтера Anycubic Photon M3 и полимеризационной камеры Anycubic Wash and Cure 3 Plus со встроенной мойкой.
9. Изготовлено более 30 опытных образцов, включая образцы пористых материалов со структурой, основанной на ТПМП; образцы композиционных материалов с ТПМП-структурой, заполненной парафином и эпоксидной смолой; прототипы теплообменного устройства, конструкция которого основана на ТПМП из фотополимерной смолы и AlSi10Mg.
10. Спроектирована и изготовлена лабораторная установка для имитационного исследования тепломассопереноса в рекуперативных теплообменниках и пористых ТПМП-материалах. Также изготовлена герметичная капсула, куда помещаются образцы пористых материалов, для определения потерь давления.
11. Выполнено исследование теплопроводности в пористых материалах с ТПМП структурой с изменением направления теплового потока за счет заполнения отдельных ТПМП ячеек материалом с отличными от материала каркаса свойствами.
Кроме того, проведено численное моделирование теплопроводности в пористом материале, структура которого основана на ортотропной ТПМП Schoen’s I-WP(R). Для данного материала получен тензор теплопроводности с учетом и без учета материала, заполняющего поры. Отмечено, что эффективная теплопроводность материала на основе Schoen’s I-WP(R) в ортогональных направлениях отличается на 30%.
12. С использованием устройства для измерения теплопроводности ИТП-МГ4 “100” проведена серия натурных экспериментов для верификации CAE-моделей разработанных в ходе реализации проекта. Расхождение значений коэффициентов эффективной теплопроводности, полученных по результатам численного моделирования и учитывающих воздух в межпоровом пространстве, и по результатам натурных экспериментов, не превышает 6%.
На изготовленной лабораторной установке проведено экспериментальное исследование тепломассопереноса в теплообменном устройстве на основе ТПМП Schoen's I-WP, в результате которого определена тепловая мощность при различных режимах работы.
Публикации
1. Губарева К.В. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНОМ КАНАЛЕ С УЧЕТОМ ДИССИПАЦИИ ЭНЕРГИИ Цифровые системы и модели: теория и практика проектирования, разработки и использования: материалы международной научно-практической конференции , с.831-833 (год публикации - 2025)
2. Губарева К.В. Вычислительные методы в энергетике : лабораторный практикум Самарский государственный технический университет, с.99 (год публикации - 2025)
3. Губарева К.В. Теоретические основы математического моделирования теплоэнергетических процессов: учебное пособие Самарский государственный технический университет, с.68 (год публикации - 2025)
4. Губарева К.В. Численное моделирование температурного состояния пористой среды с упорядоченной пространственной макроструктурой Материалы X Международной научно-практической конференции "ВИРТУАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ПРОТОТИПИРОВАНИЕ И ПРОМЫШЛЕННЫЙ ДИЗАЙН (ВМППД - 2024)", г. Тамбов (21-22 октября 2024 года), С. 158 – 160. (год публикации - 2024)
5. Губарева К.В. Моделирование процесса теплопереноса пористого материала с упорядоченной структурой, основанной на ТПМП Неовиуса Материалы XIX Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (ИАМП-2024), г. Бийск (30.10.2024 — 01.11.2024) , С. 45 – 47 (год публикации - 2024)
6.
Попов А.И., Зинина С.А., Брагин Д.М., Еремин А.В.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА СО СТРУКТУРОЙ, ОСНОВАННОЙ НА ТРИЖДЫ ПЕРИОДИЧЕСКИХ МИНИМАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ ШВАРЦА Р
Theoretical & Applied Science, Vol. 133. Issue 5. С. 71-74. (год публикации - 2024)
10.15863/TAS
7. Попов А.И., Зинина С.А., Еремин А.В. Определение проницаемости пористой среды, основанной на трижды периодических минимальных поверхностях Неовиуса Инженерный вестник Дона, №6. С. 1-8. (год публикации - 2024)
8.
Брагин Д.М., Мустафин Р.М., Попов А.И., Зинина С.А., Еремин А.В.
Исследование аэродинамических процессов в пористых материалах на основе трижды периодических минимальных поверхностей
Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ, №. 5. Т. 26. С. 66-78. (год публикации - 2024)
10.30724/1998-9903-2024-26-5-66-78
9.
Брагин Д.М., Зинина С.А., Попов А.И., Мустафин Р.М., Кечин Н.Н.
ВЛИЯНИЕ УГЛА АТАКИ НА ТЕПЛООБМЕННЫЕ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОРЕБРЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТОПОЛОГИИ ТРИЖДЫ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ МИНИМАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ТИПА PRIMITIVE
Theoretical & Applied Science, Volume 139. С. 27-31. (год публикации - 2024)
10.15863/TAS
10.
Брагин Д.М., Зинина С.А., Мустафин Р.М.
Исследование тепловых потоков в пористых материалах, основанных на топологии трижды периодической минимальной поверхности Schoen
Наукосфера, №. 11(1). С. 207-212. (год публикации - 2024)
10.5281/zenodo.14055561
11.
Брагин Д.М., Карпилов И. Д., Пащенко Д.И.
Flow dynamics through cellular material based on a structure with triply periodic minimal surface
Chemical Engineering Science, Volume 298, P. 120291 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ces.2024.120291
12. Губарева К.В., Еремин А.В. Исследование процесса теплопереноса в пористой среде со структурой ТПМП Неовиуса Материалы докладов Всероссийской конференции «Математическое моделирование в механике», посвящённой 50-летию ИВМ СО РАН. – Электронные данные. – Красноярск : ИВМ СО РАН, С. 48-50. (год публикации - 2024)
13.
Губарева К.В., Еремин А.В.
Исследование теплопроводности пористых материалов со структурой типа Фишера – Коха S
Современные наукоемкие технологии, № 10. С. 38-43. (год публикации - 2024)
10.17513/snt.40169
14. Брагин Д.М., Еремин А.В., Зинина С.А., Попов А.И. Study of Temperature Distribution and Effective Thermal Conductivity in Tpms Structure The 3rd Asian Conference on Thermal Sciences (ACTS 2024). Conference proceedings, С. 760-761. (год публикации - 2024)
15. Губарева К.В., Кечин Н.Н. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ИНЖЕНЕРНЫХ РАСЧЕТАХ Приднепровский научный вестник, №12 (1). С. 178-186. (год публикации - 2024)
16. Брагин Д.М., Зинина С.А., Попов А.И., Мустафин Р.М., Кечин Н.Н. Теплопроводность композиционного материала сo стальной решеткой на основе TPMS типа SCHOEN'S GW и матрицей из керамического материала Международный журнал информационных технологий и энергоэффективности, Т. 9. № 12(50). C. 144–149 (год публикации - 2024)
17. Губарева К.В., Еремин А.В. Решение задачи теплопроводности в пластине из пористого материала с внутренними источниками тепла Материалы XII Всероссийской научной конференции с международным участием "Математическое моделирование и краевые задачи" (17–19 сентября 2024 г.), Т. 1. С. 94-96. (год публикации - 2024)
18.
Еремин А.В., Брагин Д.М.
Тепломассоперенос в канале с оребрением на основе трижды периодической поверхности типа Schoen’s IWP
Градостроительство и архитектура, №1, Том 15, с.18-26 (год публикации - 2025)
10.17673/Vestnik.2025.01.03
19.
Губарева К.В., Еремин А.В.
Studying the heat transfer process in a porous medium with a Fischer–Koch S TPMS structure
Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, № 4, с. 70-82 (год публикации - 2024)
10.17804/2410-9908.2024.4.070-082
20.
Зинина С.А., Еремин А.В., Попов А.И., Брагин Д.М.
MATHEMATICAL MODELING OF THERMAL CONDUCTIVITY IN A POROUS MEDIUM WITH AN ORDERED MACROSTRUCTURE
Journal of Mathematical Sciences, с.1-10 (год публикации - 2025)
10.1007/s10958-025-07730-3
21.
Брагин Д.М., Еремин А.В.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ, ОСНОВАННЫХ НА ТРИЖДЫ ПЕРИОДИЧЕСКИХ МИНИМАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ ТИПА DIAMOND, GYROID, FISHER–KOCH S
ИЗВЕСТИЯ РАН. ЭНЕРГЕТИКА, № 1, с. 31–47 (год публикации - 2025)
10.31857/S0002331025010031
22.
Брагин Д.М., Попов А.И., Еремин А.В.
The thermal conductivity properties of porous materials based on TPMS
International Journal of Heat and Mass Transfer, Т. 231. – С. 125863. (год публикации - 2024)
10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.125863
23. Попов А.И., Еремин А.В. Исследование теплопереноса в пористой среде с упорядоченной макроструктурой на основе Гироида Russian Technological Journal, №5 (год публикации - 2025)
24. Губарева К.В., Еремин А.В. Метод моделирования теплопроводности в пористой среде с упорядоченной макроструктурой Актуальные проблемы прикладной математики и механики: Тезисы докладов XIII Всероссийской конференции с элементами школы молодых ученых, посвященной памяти академика А.Ф. Сидорова, Джанхот, 02–08 сентября 2024 года. – Екатеринбург: Институт математики и механики УрО РАН им. Н.Н. Красовского, 2024., С. 15 – 16. (год публикации - 2024)
25. Губарева К.В. Цифровые двойники в проектировании ТПМП-теплообменников: оптимизация и применение Приднепровский научный вестник, №4 (2), С. 138-143. (год публикации - 2025)
26. Мустафин Р.М., Брагин Д.М., Попов А.И., Зинина С.А. Исследование катализатора со структурой, основанной на трижды периодической минимальной поверхности, для производства водорода Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса: материалы XVII Междунар. науч.-техн. конф. «Совершенствование энергетических систем и теплоэнергетических комплексов»., Выпуск 12, с. 133-138 (год публикации - 2024)
27.
Губарева К.В., Еремин А.В.
Численное решение задачи теплопроводности в пористой пластине с топологией трижды периодических минимальных поверхностей
Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don), Т. 25, № 1. С. 23-31. (год публикации - 2025)
10.23947/2687-1653-2025-25-1-23-31. – EDN YYGRFP
28. Зинина С.А., Попов А.И., Еремин А.В. Приближенно-аналитический метод исследования процесса теплопереноса в пористом материале, образованном ячейками типа Neovius Материалы XII Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (17–19 сентября 2024 г., Самара, Россия). , Т. 1. С. 134–136. (год публикации - 2024)
29.
Зинина С.А., Мустафин Р.М., Еремин А.В.
Численное исследование задачи теплопроводности в пористом материале, образованном элементарными ячейками NEOVIUS
Градостроительство и архитектура, №4, Т. 14, C. 33-38. (год публикации - 2024)
10.17673/Vestnik.2024.04.05