“Теплофизические проблемы энергетики: приоритетные направления исследований”

Энергетика – базис экономики любой страны вне зависимости от технологического уклада. А теплофизика лежит в основе практически всех энергетических технологий. На данном этапе развития человеческой цивилизации сложилась беспрецедентная ситуация, когда вследствие глобальных изменений климата Земли, долю в которые вносит и энергетика, а также пандемии коронавируса, необходимо принимать принципиальные решения по развитию приемлемых энергетических и иных критических технологий. Теплофизические исследования играют фундаментальную роль не только в развитии энергетических технологий, но и в раскрытии физических механизмов изменения климата Земли. В докладе дается критический анализ современного состояния энергетики и ситуации с климатическими изменениями, в том числе применительно к российским условиям. Рассматриваются перспективные технологии энергетики как на базе органического и ядерного топлив, так и с использованием возобновляемых источников энергии. Обсуждаются новые подходы к хранению энергии, возможности водородной энергетики, плазменные методы переработки отходов, перспективные типы транспортных средств с высокой энергетической эффективностью, наноматериалы для энергетического оборудования, цифровые технологии, включая искусственный интеллект. Предлагаются программы соответствующих фундаментальных и прикладных исследований, а также способы их реализации.

“Исследования Луны с помощью автоматических КА – прелюдия к освоению Луны человеком. Седьмой континент Земли”

Доклад посвящен Российской программе (2021-2030) исследования и освоения Луны с помощью автоматических космических аппаратов. В статье описываются различные модели происхождения Луны, приводятся достижения и результаты, полученные за время советско-американской космической гонки 1960-1970 гг., обсуждаются новые открытия – в том числе полярные ледники и залежи летучих веществ вблизи лунных полюсов, освещаются проблемы и перспективы освоения Луны и лунных ресурсов.

“Кипение в условиях микрогравитации. Эксперимент на МКС”

Двухфазные системы в космосе — это топливные баки и двигатели, энергетические системы, топливные элементы, системы жизнеобеспечения человека, очистка воды, термостабилизация оборудования и др. Изменение гравитации - в общей сложности на семь порядков - кардинально меняет баланс сил в двухфазных системах, выводит на первый план поверхностные силы, часто пренебрежимо малые в обычных условиях, вызывает новые эффекты. Процесс кипения это один из самых интенсивных способов передачи тепла. Практически вся выработка электроэнергии на тепловых и атомных станциях связана с процессом кипения. До сих пор не созданы совершенные математические модели, описывающие процесс достаточно точно, что связано в первую очередь с его многомасштабностью. Слой жидкости порядка 0.1-10 мкм разрывается под каждым пузырьком формируя динамическую линию контакта газ – жидкость – стенка, на которой наблюдается сверхинтенсивное испарение. Изучение процессов переноса в окрестности этой микроскопической линии находится в центре внимания международного эксперимента на МКС. Космос - уникальная среда для экспериментов по идеальному кипению. Пузырек в условиях микрогравитации не отрывается от поверхности нагрева, всегда является практически идеальной сферой и разрастается до размеров порядка 10 мм, что позволяет выполнить точные измерения. Реализовано кипение одиночного пузырька в хорошо контролируемых условиях. Исследовано влияние скорости жидкости, напряженности электрического поля и давления.

“Эксперимент DCMIX-2 по исследованию процессов переноса в трехкомпонентных смесях на Международной космической станции”

В 2011-2019 гг. на Международной космической станции была проведена серия экспериментов под общим названием DCMIX. Основной целью этих экспериментов было измерение коэффициентов диффузии и термодиффузии в двух- и трехкомпонентных жидких смесях. Для наблюдения полей температуры и концентрации использовалась оптическая интерферометрия. Эксперименты проводились с помощью аппаратуры SODI (инструмент выборочной оптической диагностики), размещенной в европейском модуле Коламбус на Международной космической станции. В докладе обсуждаются результаты наземных экспериментов и математического моделирования, проведенных в рамках подготовки эксперимента DCMIX-2, а также результаты обработки и анализа данных, полученных в этом космическом эксперименте. Эксперимент DCMIX-2 был проведен на Международной космической станции в 2013–2014 гг. В нем изучались диффузия и термодиффузия в трехкомпонентных смесей циклогексан–метанол–толуол с различными массовыми долями компонентов. Полученные в результате измерений зависимости коэффициентов диффузии и Соре от температуры и концентрации существенно пополняют известные данные о теплофизических свойствах смесей. Они будут использоваться в качестве эталонных значений для наземных экспериментов (если соответствующий эксперимент может быть проведен на Земле), а также для проверки, усовершенствования, и дальнейшей разработки существующих теорий переноса тепла и массы на молекулярном уровне, в том числе теоретических моделей для коэффициентов диффузии и термодиффузии.

“On Thermal Management of Batteries and Fuel Cells ”

Many vehicle manufacturers are gradually releasing private cars, trucks, and buses with an electrified powertrain to enable the massive electrification of the transport sector. Currently batteries based on the Li-ion concept are dominating. Nevertheless, fuel cells are being introduced but with a limited extension so far. For electrochemical devices, there exist several thermal issues to handle and these present multi-physics and multiscale problems. For instance, the battery cells must be maintained at a desired temperature level. The cell-to-cell temperature variations should be minimized, and a small amount of energy should be consumed for the operation. Fuel cells have various operating temperature depending on the type of fuel cell and maintaining a proper operation is crucial. Accordingly, it has been necessary to develop various thermal management principles for electrochemical devices. In the thermal analysis, many fundamental processes need consideration, i.e., heat and mass transport including the heat generation, charge transport, electrode kinetics as well as electrode-electrolyte interfacial processes. Thus detailed modeling approaches require solution of the so-called Butler-Volmer equation for the electron current, conservation of charge (ions and electrons), conservation of species (ions) and energy conservation. This plenary lecture aims to present an overview of thermal management issues in batteries and fuel cells, methods of analysis, design consideration and some examples how the thermal management is handled.

“Измерение и изучение теплофизических свойств наножидкостей с углеродными нанотрубками”

Доклад посвящен обзору теплофизических свойств наножидкостей с углеродными нанотрубками, при этом рассматриваются как наножидкости с одностенными, так и с многостенными нанотрубками. Впервые будет проведено детальное сопоставление характеристик таких наножидкстей. Помимо этого, будут рассмотрены все еще не освещенные проблемы в литературе. В частности, диффузия углеродных нанотрубок, включая продольную, поперечную и вращательную диффузию. Приведены оценки релаксации автокорреляционных функций, определяющих эволюцию этих коэффициентов диффузии. Также впервые будут приведены экспериментальные данные по изучению микрореологии наножидкостей с УНТ и показано, что такие жидкости имеют вязкоупругие свойства, причем упругая составляюшая растет с увеличением концентрации УНТ. Получены оценки критической концентрации УНТ, начиная с которых в наножидкостях формируется перколяционная структура. Показано, что предел перколяции по концентрации УНТ существенно разный для одностенных и многостенных трубок. Наконец последняя часть доклада будет посвящена представлению данных по теплопроводности наножидкостей с УНТ и их теплообменным свойствам.

“Stability of swirl flow-Vortex tube application”

Equations of conservation of mass, momentum and total energy in the classical continuum mechanics of fluids and solids are usually formulated as the balance laws of the corresponding quantities. II. Law of thermodynamics is understood as the balance of entropy. The direct correlation between classical mechanics of material points (Lagrange principle of classical mechanics) and classical continuum mechanics can be established when the existence of a trajectory and a friction force are added. The conservation of the total enthalpy for fluid systems is derived and consequently with the analogy with the balance of total energy in continuum mechanics, the thermodynamic stability conditions are established. The important role of the total enthalpy follows from the variation analysis. Moreover, the thermodynamic criterion of stability based on the total enthalpy is formulated and the comparison with the Rayleigh theory is shown. This theory was verified for all modifications of the Couette flow, even for a solid body rotation, where the Rayleigh condition fails. It was shown that the solid body vortex is at the margin of the stability, which is experimentally observed. Analogously, the potential vortex is by thermodynamic criterion stable, however by Rayleigh criteria is on the onset of stability. These results are valuable for the analysis of vortex tube flow stability. It is shown that the combination of potential vortex and solid body vortex can be applied for the explanation of the vortex tube performance.

“Самоорганизация, информация и космос”

В докладе будет представлен анализ общих свойств открытих диссипативных систем. Будет обсуждена связь энтропии и информации, на основании чего будет сделан вывод о направлении эволюции и необходимости исследования космоса.

“Импактные струи. Новые приложения и новые результаты”

Импактные струи часто используются в различных энергетических установках для интенсификации процессов тепломассопереноса, при тепловой обработке различных материалов и нанесении покрытий, в системах тепловой защиты и многих других областях техники и технологий. Изучению аэродинамических и тепловых особенностей взаимодействия струй с поверхностями посвящено огромное число экспериментальных и теоретических работ и в этой области накоплен большой опыт. В то же время в последние годы активно начинают развиваться новые направления в использовании импактных струй. Прежде всего, речь идет об импульсных струях, позволяющих изменять интенсивность теплообмена в широких пределах за счет вариации длительности импульсов и частоты их следования. Особенно сильные эффекты наблюдаются для двухфазных газокапельных импульсных струй (спреев). Активно развиваются работы в области синтетических струйных течений, представляющих большой интерес для создания систем конвективного охлаждения микроэлектроники. Важное значение имеют исследования систем струй для осуществления теплообменных процессов на протяженных поверхностях. Основное внимание в докладе уделено анализу данных, полученных в Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН в последние годы.

“Вихревая интенсификация теплообмена на структурированных наклонными канавками энергоэффективных поверхностях”

Рассматривается вихревая интенсификация теплообмена поверхностными вихревыми генераторами на структурированных энергоэффективных поверхностях, в том числе стенках каналов и труб, характеризующая умеренными гидравлическими потерями. Экспериментально обосновывается открытое методами численного моделирования явление аномальной интенсификации отрывного течения и теплообмена в наклонных овально-траншейных канавках – лунках, а также ускорение потока в узком канале с двухрядными пакетами наклонных лунок. Анализируется влияние углов наклона, длины траншеи при ламинарном и турбулентном режимах течения воздуха. Предлагаются профилированные формы лунок типа бумеранг, позволяющие стабилизовать обтекание лунок.

“Успехи в новейших исследованиях по интенсификации теплообмена и повышению критического теплового потока при кипении”

Представлен анализ новейших достижений в разработке методов интенсификации теплообмена и повышения критического теплового потока при кипении и испарении в различных гидродинамических условиях (в условиях свободной конвекции; при пленочных течениях жидкости, включая орошение пакетов труб; в тонких горизонтальных слоях жидкости), в том числе, при нестационарных режимах тепловыделения и охлаждения сильно перегретых тел.

В настоящее время наблюдается значительный рост исследований в данной области науки, что обусловлено высокой практической значимостью результатов этих исследований для целого ряда традиционных и новых приложений, а также новыми возможностями/успехами в материаловедении и в развитии современной экспериментальной техники. В рамках данного обсуждения проводится анализ ряда результатов, полученных в последние пять лет различными методами микро-наномодифицирования теплоотдающей поверхности (капиллярно-пористые покрытия, создаваемые плазменным методом, методом 3D-печати; металлические пены, композитные пористые поверхности и структуры; структуры, организуемые методами микродугового оксидирования, микродеформируемого резания; сложные сетчатые покрытия; покрытия с контрастной смачиваемостью; электрохимические методы осаждения и создания покрытий; комбинированные методы и др.).

В первом разделе анализируются основные физические механизмы и факторы, ответственные за интенсификацию теплообмена при пузырьковом кипении в условиях свободной конвекции, при струйном/спрейном орошениях, в зависимости от степени приближения к критическому тепловому потоку и от типа жидкости (включая и детальное рассмотрение диэлектрических жидкостей). Обсуждаются вопросы специфики разработки методов увеличения критического теплового потока с одновременной возможностью увеличения и коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении. Отмечается, что уровень современного состояния в области теоретических исследований, численного моделирования и достигнутые здесь возможности пока не позволяют расчетным результатам и вытекающим из них рекомендациям быть эффективным и достаточным достаточным инструментом для поиска и выбора наиболее оптимальных параметров микро-наномодификации теплообменных поверхностей при кипении для различных типов жидкостей заданной чистоты с учетом материала стенки, масштабного фактора и геометрии тепловыделяющих сборок, изменения приведенного давления в заданном диапазоне. В докладе представлены результаты сравнения новых экспериментальных данных по эффективности теплообмена и критическому тепловому потоку при кипении в условиях большого объема разных жидкостей при различных законах тепловыделения на новых микроструктурированных капиллярно-пористых покрытиях, полученных методами направленного плазменного напыления и 3D-печати, на поверхностях, модифицированных электрохимическим методом, припаиванием пенного слоя или другими методами. Рассмотрены результаты анализа влияния гидрофобных/гидрофильных покрытий на интенсивность процессов теплообмена при кипении.

Во второй части доклада проводится сравнительный анализ по эффективности теплообмена и критическому тепловому потоку при пленочных течениях жидкостей по вертикальным цилиндрам и горизонтальным трубам с горизонтальной, ромбовидной микротекстурами, искусственной шероховатостью, покрытиями nanoFLUX, LbL и с другими коммерческими поверхностями, со структурами, полученными деформируемым резанием (МДР), методом микродугового оксидирования (МДО), с сетчатыми покрытиями различных форм. Рассмотрены особенности механизмов интенсификации теплообмена и увеличения критического теплового потока в стекающих пленках жидкости по сравнению с кипением в условиях большого объема. Представлен краткий анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований по нестационарному охлаждению сильно перегретых тел с новыми структурированными капиллярно-пористыми или низкотеплопроводными покрытиями стекающими пленками жидкости.

“Конвективный теплообмен и турбулентность в динамически неравновесных течениях в канале”

В динамически неравновесном турбулентном течении характеристики турбулентности не успевают приходить в равновесие с изменяющимися по времени или в пространстве условиями обтекания стенки. Представлены результаты исследования процессов переноса импульса и теплоты при различных способах создания динамически неравновесного пограничного слоя на стенке канала: градиентом давления при стационарном потоке в канале переменного сечения, вынужденными колебаниями потока в канале постоянного сечения, нанесением дискретной шероховатости на обтекаемую поверхность. На основе SIV-измерений получена полная информация о членах баланса энергии турбулентности в динамически неравновесных течениях. Установлено, что в таких течениях конвекция турбулентности соизмерима с ее генерацией, а соотношение между этими членами баланса может являться мерой степени неравновесности потока. Другими словами, на профиль турбулентности в канале с динамическими воздействиями на поток влияют не столько локальные условия обтекания стенки, сколько конвекция и диффузия турбулентности. Например, в диффузорном канале генерация турбулентности преобладает в пристеночной части в высокоскоростной области, откуда распространяется за счет конвекции ниже по потоку и выравнивается по сечению путем диффузии турбулентности. Выполнено обобщение локального конвективного теплообмена в диффузорах и конфузорах в широком диапазоне чисел Рейнольдса и Кейса. Интересно отметить, что лучшим числом подобия для обобщения экспериментальных данных по локальной теплоотдаче в диффузоре оказалось число Рейнольдса, вычисленное по скорости потока на входе в канал, а не локальной скорости. Это вполне соотносится с выявленным механизмом формирования турбулентности в неравновесном течении, в котором важную роль играет конвективный перенос турбулентности. Для неравновесных течений установлена тесная корреляционная связь между локальным числом Стантона и максимумом рейнольдсовых напряжений в пограничном слое над локальной областью стенки. Управление неравновесностью потока можно использовать для целенаправленного изменения интенсивности процессов турбулентного переноса.

“Перспективы применения газовых гидратов”

Доклад будет посвящен получению гидратов низкотемпературной конденсацией молекулярных пучков для разработки безопасных способов транспортировки и хранения природного газа и способов захоронения диоксида углерода.

“Геофизическая турбулентность во вращающейся жидкости”

Геофизическая гидродинамика занимается изучением нелинейного многомасштабного взаимодействия когерентных вихревых структур, волновых процессов различной природы, плотностных, конвективных течений, мелкомасштабной фоновой турбулентности во вращающейся и стратифицированной жидкости. В рамках настоящего доклада основное внимание уделено волновой турбулнтности во вращающейся жидкости как существенному элементу каскада энергии. Обсуждаются популярные постановки задач, используемые в экспериментальных и численных исследованиях. Детально обсуждается сложная нелинейная динамика течений, наблюдаемых во вращающейся кольцевой области с коническим дном. Данная геометрия допускает формирование волновых аттракторов в «меридиональных» сечениях в сочетании с когерентными структурами в «широтных» сечениях. Экспериментально и численно исследована динамика системы при различных способах внесения возмущений. Показано большое разнообразие наблюдаемых динамических режимов, включая триадный резонанс, переход от «дискретной» к «непрерывной» форме волновой турбулентности, формирование когерентной структуры в форме самоорганизующегося полигонального вихревого кластера. Для внешнего возмущения с амфидромной точкой показана возможность формирования волн типа Россби, а также сложных азимутальных течений, эволюционирующих на больших временных масштабах.

“Тестовые задачи компьютерной теплофизики высоких скоростей”

Обсуждаются проблемы валидации авторских компьютерных кодов, предназначенных для исследования теплофизических процессов при высоких скоростях течения совершенных и реальных газов. Представлены авторские расчетные результаты и краткий анализ соответствующих достоверных (многократно подтвержденных) экспериментальных данных.

Рассматриваются задачи:

- экстремального нагрева поверхностей в области ударно-волнового взаимодействия при натекании газа на изломы образующей поверхностей;

- локальный нагрев поверхности при ламинарно-турбулентном переходе в экспериментах по обтеканию плоских и конических моделей при высоких скоростях;

- теплофизика ламинарно-турбулентного перехода при трехмерном обтекании лабораторных моделей;

- аэрофизика ионизации газа при обтекании экспериментальных моделей;

- термогазодинамика горения водородной струи в спутном потоке влажного воздуха.