Фундаментальные исследования

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, являясь одним из ведущих научных центров по теории теплообмена и физической гидрогазодинамики, проводит фундаментальные исследования по следующим направлениям.

В институте создан уникальный комплекс современных крупномасштабных стендов для исследования тепло- и массопереноса в двухфазных системах. Для измерения локальных характеристик двухфазных многокомпонентных систем используются инфракрасная термография, ёмкостный, электрохимический и волоконнооптический методы, высокоскоростная цифровая видеосъемка.
Институт теплофизики является одним из ведущих центров в области фундаментальных исследований турбулентного тепломассопереноса в сложных условиях. Работы проводятся по многим направлениям, представляющим практический интерес для различных областей промышленности, химической технологии, энергетики, авиационно-космической техники. В институте разработана асимптотическая теория пограничного слоя, позволяющая без использования дополнительной эмпирической информации рассчитать трение и теплообмен при наличии возмущающих факторов: сжимаемости, вдува, неизотермичности, закрутки потока и т. д.
В институте ведутся комплексные теоретические и экспериментальные исследования гидродинамики, тепло- и массопереноса в условиях свободной и вынужденной конвекции, волновых процессов при однофазном и двухфазном течении в пористых и зернистых средах и в элементах пористых систем – щелевых каналах и каналах сложной геометрии. Экспериментальные и теоретические исследования теплообмена однофазной жидкости с поверхностью, размещенной в зернистой среде, позволили установить универсальный закон тепломассоотдачи при турбулентной фильтрации. Исследован теплообмен на начальном участке при фильтрации в канале, теплообмен в инерционном режиме фильтрации. Построен метод ренормализационной группы, позволивший получить эффективные коэффициенты переноса в масштабно-инвариантной пористой среде в зависимости от ее фрактальной размерности.
Создание теории гидродинамической устойчивости и турбулентности на протяжении многих лет остается в Институте теплофизики в числе основных научных проблем. Были предприняты значительные усилия для построения теории турбулентности без эмпирических постоянных. Развиты новые подходы и получены оригинальные решения: предельные законы для турбулентных течений, принцип максимальной устойчивости; выявлены новые свойства подобия процессов турбулентного тепломассопереноса; при помощи методов квантовой теории поля и ренормализационной группы получены новые результаты для однородной изотропной турбулентности; развита теория структурной турбулентности.
Исследования вихревых течений и вихревых явлений ведутся в институте по нескольким направлениям. Разработана феноменологическая теория турбулентных течений в поле массовых центробежных сил. Выявлены и описаны зоны интенсификации и подавления турбулентности в вихревых потоках. Теория получила экспериментальное подтверждение для широкого класса течений с продольной кривизной линий тока, таких как течения на криволинейных поверхностях, закрученные потоки в трубах и вихревых камерах, полуограниченные вихревые струи, пограничные слои во вращающихся системах. Явление возникновения устойчивого дисперсного слоя тяжелых частиц, "подвешенных" в закрученном потоке газа, зарегистрировано как открытие.
В институте проводятся широкомасштабные исследования многофазных течений, в том числе двухфазных газожидкостных потоков, газокапельных потоков, газонасыщенных пограничных слоев. В основу экспериментальных исследований двухфазных газожидкостных потоков положен разработанный в институте электродиффузионный метод, позволяющий проводить измерения локальных средних и пульсационных характеристик потока. Наряду с этим, развиваются и оптические методы исследования, такие как ЛДА и PIV LIF.
Пленочные течения жидкостей характеризуются рядом отличительных особенностей, в связи с чем им уделяют повышенное внимание и выделяют в отдельный класс течений. Тонкие пленки жидкостей представляют собой уникальный физический объект для изучения закономерностей развития неустойчивостей, нелинейных волновых структур, ламинарно-турбулентного перехода, поверхностных явлений. Пленочные режимы течения реализуются и широко используются в аппаратах энергетики, химической технологии, космической технике. В числе наиболее важных свойств – высокая интенсивность процессов переноса в жидких пленках и сильное влияние волн на тепломассообмен.
Работы по волновой динамике многофазных сред были начаты в институте в начале 70-х годов. Уже в первых работах, посвященных изучению затухания звуковых волн и эволюции нелинейных волн в пузырьковых газожидкостных средах, были определены важнейшие закономерности распространения волн давления в таких средах. Теоретически предсказано и впервые экспериментально подтверждено существование принципиально новых режимов распространения ударных волн в жидкости с пузырьками газа, среди которых – стационарные ударные волны осцилляторной и монотонной структуры, солитоны.
В институте традиционно исследуются неравновесные процессы в разреженных газах и в сплошных потоках с большими градиентами параметров. Решаются проблемы переноса в смесях газов с внутренними степенями свободы, при расширении в вакуум, при взаимодействии высокоскоростных потоков с поверхностями, при радиационном, пучковом и электроразрядном воздействии на потоки и поверхности, при фазовых превращениях в потоках и на поверхностях. Основная сфера приложения результатов – аэрокосмическая техника и вакуумные технологии.
Исследование теплофизических свойств и фазовых превращений является одним из старейших направлений деятельности института. Были разработаны новые оригинальные методы для прецизионного измерения термодинамических, переносных и оптических свойств твердых, жидких и газообразных веществ и материалов в широких интервалах параметров состояния и длин волн (4–3500 К, 10-4 – 107 Па, 0,4 – 5 мкм).
Создание теплофизических основ разработки и производства новых материалов является одним из приоритетных направлений деятельности института. Основное внимание уделяется исследованию: высокопроизводительных, воспроизводимых и управляемых процессов получения пленок, порошков и синтеза материалов методами плазмохимических реакций в сверхзвуковых потоках газов и лазерной абляции; тепломассообмена в тепловых узлах и в ростовых установках при получении монокристаллов и эпитаксиальных пленок из расплавов и из растворов в расплаве методами направленной кристаллизации; равновесных и метастабильных фазовых диаграмм кристаллообразующих неорганических материалов; термодинамики и кинетики фазовых превращений и химических реакций, протекающих в гомогенных и гетерогенных материалах в конденсированном состоянии.
Исследование процессов синтеза и свойств наноразмерных объектов является новым приоритетным направлением института. Развитие его в целом определяется разработкой новых технологий в материаловедении, электронике, измерительных приборах, лазерных системах, катализе и многих других областях. Исследования проводятся в сотрудничестве с ведущими научными центрами Германии, Франции, Швеции, Италии, США.
Исследование процессов горения углей, запасы которых в стране и мире намного превышают все остальные органические топлива и могут служить основой теплоэнергетики в обозримом будущем, имеет огромное научное и прикладное значение. В институте проводится комплекс работ по физическому и математическому моделированию горения и газификации углей различных стадий метаморфизма при разных условиях – одиночная частица, факел на основе углей ультратонкого (10–30 мкм) помола, водоугольное топливо, вихревой кипящий слой, воспламенение и горение факела при плазменном инициировании процесса и т. д.
Учитывая высокую актуальность работ, связанных с водородной энергетикой, в институте уделяется большое внимание исследованиям как в области развития устройств генерации электроэнергии, работающих на водороде, в частности электрохимическим генераторам на топливных элементах, так и методов получения водорода.
С целью создания новых плазмохимических реакторов и высокоэффективных электродуговых генераторов плазмы в институте проводятся полномасштабные исследования по физике и химии низкотемпературной плазмы. Развиваются технологии углубленной переработки энергетического сырья с использованием плазмохимических процессов. В исследованиях плазмы с конденсированной дисперсной фазой получены данные о механизмах и сечениях возникновения и гибели заряженных и возбужденных частиц, выявлены новые каналы прилипания электронов, прямой и задержанной ионизации.