Патент на эффективность

Разработки ИТ СО РАН стимулируют российскую промышленность.

Технологическое лидерство лозунгами не завоюешь: хорошая технология, как капризный цветок, требует долгого и тщательного выращивания. И некоторым академическим институтам удалось создать для этого настоящую экосистему. За последние десять лет ученые Института теплофизики им. С.С Кутателадзе Сибирского отделения РАН стали лауреатами трех правительственных премий в области науки и технологий, включая молодежную.

– Премия Правительства РФ 2024 года была присуждена за развитие научных основ тепло­гидравлики реакторных установок нового поколения, – рассказывает директор ИТ СО РАН академик РАН Дмитрий Маркович. – В состав авторского коллектива вошли также представители организаций Росатома и университетов. Эта награда – итог почти 20-летней работы, которой мы гордимся. Есть и другие стратегические партнеры, с которыми нас связывает многолетнее плодотворное сотрудничество. С «Объединенной двигателестроительной корпорацией» достигнуты серьезные результаты по оптимизации процессов в камерах сгорания газотурбинных двигателей, по разработке систем машинного зрения для двигателестроения.

Преодолеть «долину смерти».

Давнее взаимодействие ИТ СО РАН с крупными корпорациями сегодня выходит на новый уровень.
– С удовольствием поделюсь с «Поиском» новостью: вышли поручения Правительства РФ о создании в нашем институте научно-инжинирингового центра, якорные индустриальные партнеры – Рос­атом и ОДК, – продолжает академик Маркович. – Предусмотрено строительство нового корпуса. Мы этот центр рассматриваем в качестве первой очереди большого комплекса аэродинамики и энергетики, давно уже запланированного как часть программы «Академгородок 2.0». В новом здании будет компактная «начинка» – комплекс экспериментальных стендов, направленный на преодоление печально известного интервала в разработках – «долины смерти» (проходит через уровни готов­ности технологий от 4-го до 7-го).

Планируем расширить и мощность нашего вычислительного кластера с 300 терафлопс до петафлопного масштаба. Задачи инжинирингового центра как раз требуют массового суперкомпьютерного моделирования – сегодня это неотъемлемая часть развития новых технологий.

Чтобы начать вложения в инфраструктуру центра уже сейчас, подали заявки на ряд конкурсов Минобрнауки РФ.

С корпорацией «ТВЭЛ» из сис­темы Росатома начинаем проект по анодным материалам для аккумуляторов на основе плазмохимических технологий. Обсуждаем совместные проекты с компанией Huawei, планируются новые работы с АО «Информационные спутниковые системы имени академика М.Ф.Решетнева», другими организациями Росатома, Ростеха, Роскосмоса. Исторически сложилось, что наш институт отличается широтой тематик, это и позволяет браться за задачи мультидисцип­линарного характера. С другой стороны, уже понимаем, что не хватает сил и людей. Поэтому в планах расширение кадрового состава института.

– Но без фундаментальных основ не вырастить ни одну технологию. Какие задачи ставите в этой области?

– Конечно, фундаментальные исследования – это тот базис, который позволяет поддерживать институту и его сотрудникам высокий мировой уровень. Помимо государственного задания нам удается завоевывать довольно большое количество грантов. Традиционно Институт теплофизики активно участвует в программе мегагрантов. В рамках такого проекта под руководством нашего бывшего соотечественника профессора Сергея Сажина мы выполняем комплекс фундаментальных исследований по изучению структуры многофазных систем, повышению интенсивности процессов переноса, управления потоками. В области горения и детонации координируем работу консорциума ведущих академических и образовательных организаций в рамках крупного научного проекта, при поддержке Российского научного фонда выполняем несколько десятков проектов, в том числе по программе поддержки лабораторий мирового уровня, одна из которых создана совместно с Новосибирским государственным университетом.

Финансовое состояние стабильное – уже более пяти лет оборот института превышает миллиард рублей. Ожидаем, что в 2025 году он существенно возрастет.

– Проект научно-инжинирингового центра предусматривает увеличение персонала на 100 человек. Как планируете привлекать молодежь?

– Увеличение не мгновенное, а в перспективе – до 2030 года. Держим связь с нашими базовыми кафедрами. Так, кафедра Института теплофизики в НГУ лидирует по популярности среди студентов, но ежегодный набор – всего13 человек. Поэтому мы активно работаем и с другими университетами: НГТУ, СФУ, ТПУ. Стараемся стимулировать молодых ученых. Есть льготные условия «внутриинститутского налогообложения»: все накладные расходы по молодежным грантам возвращаем Совету молодых ученых для обеспечения участия в научных конференциях, субсидий на аренду жилья.

Молодежь должна видеть карьерную траекторию, поэтому в 70 лет у нас завлабы покидают свой пост, и сейчас больше половины руководителей подразделений моложе 45 лет. В рамках нацпроекта созданы 5 молодежных лабораторий. Конечно, вопрос удержания молодых ученых, особенно в условиях Сибири, не решить силами одного института. Нужны программы по организации преимуществ для тех, кто хочет себя реализовать в наших суровых условиях. Как это было при создании Сибирского отделения Академии наук в 1950-1960-е годы.

С ориентацией на практику.

Реально способствуют достижению технологического лидерства крупные научные проекты. Они охватывают широкий спектр междисциплинарных проблем – от методов управления реагирующими многофазными потоками в малоэмиссионных и детонационных камерах сгорания газотурбинных установок и двигателей до создания новых эффективных и безопасных технологий с использованием низкоуглеродных видов топлива и горючих отходов. ИТ СО РАН выступает головной организацией для 13 академических институтов и университетов, а координирует работу 20 научных групп заместитель директора института, доктор физико-математических наук Олег Шарыпов:

– По результатам реализации проекта издана монография «Процессы горения и детонации в перспективных энерготехнологиях» под нашей с Д.Марковичем редакцией. Ориентация сформированного научного задела на решение практических задач предприятий, участвующих в реализации нацпроектов «Промышленное обес­печение транспортной мобильности», «Новые атомные и энергетические технологии» (ОДК, ЦИАМ, РФЯЦ – ВНИИТФ, ВНИИПО МЧС России и др.), позволила получить грант Миннауки на развитие этих работ в 2024-2026 годах.

Наша лаборатория экологических проблем теплоэнергетики изучает управление сжиганием жидких углеводородов, включая отходы, с помощью сверхзвукового потока перегретого водяного пара для интенсификации смесеобразования и паровой газификации топлива. Применение струи пара для распыления горючего исключает коксование форсунок. На горелочных устройствах, обеспечивающих максимальное сгорание, достигнуты экологические показатели, превосходящие лучшие зарубежные образцы. Получены патенты. Наши разработки могут использоваться для сжигания обводненной нефти на скважинах или для переработки собранных с поверхности воды нефтепродуктов прямо на борту судна.

Среди исследователей – мои ученики, недавние дипломники и аспиранты, получившие ученые степени и в 2021 году удостоенные молодежной премии Правительства РФ. В фокусе внимания – исследования на огневых стендах до 5 МВт в условиях, приближенных к реальным, и разработка методов управления энергетическим оборудованием на основе искусственного интеллекта.

Энергия кипения.

Вклад в теплофизику всемирно известной научной школы Самсона Кутателадзе, имя которого носит институт, – гидродинамическая теория кризисов кипения. Заведующий лабораторией низкотемпературной теплофизики ИТ СО РАН, член-корреспондент РАН Александр Павленко приумножил достижения своего учителя. За разработку высокоэффективных методов интенсификации тепломассообмена при испарении, кипении и дистилляции для энергетики и химического машиностроения авторский коллектив под его руководством был удостоен международной премии им. академика А.В.Лыкова.

– В наши дни наблюдается своеобразный «ренессанс» в исследованиях теплообмена, переходных процессов и кризисных явлений при кипении и испарении, – считает А.Павленко. – Миниатюризация электронных устройств требует нестандартных способов охлаждения. Чтобы устройство работало быстро, на плате нужно расположить как можно больше элементов и как можно ближе друг к другу, при этом тепловые нагрузки сильно возрастают. Но температура чипов не должна превышать 85 ^оС.

Мы проводим целый комплекс исследований по интенсификации теплообмена в режимах высокоэффективного кипения и сверхинтенсивного испарения с использованием новейших методов микро/наномодифицирования теплоотдающих поверхностей в сочетании с активными способами управления потоками диэлектрической жидкости – при спрейном/струйном орошениях, при пленочных течениях и в тонких слоях жидкостей – для чего разработали новый экспериментальный стенд. В итоге научились отводить от поверхности рекордные потоки тепла. Ведем ряд проектов с российскими и зарубежными партнерами по созданию высокоэффективных и энергетически выгодных систем охлаждения и термостабилизации оборудования различного назначения.

Другая задача – поиск способов интенсификации теплообмена при фазовых переходах с испарением охлаждающей жидкости для создания крайне востребованной в мире технологии ожижения природного газа в спиральных теплообменниках. В подобных установках – километры труб, внутри которых течет природный газ. Учитывая масштаб установок, любая интенсификация теплообмена позволит значительно снизить затраты.

Участвуем мы и в создании современной космической техники в рамках гранта Минобрнауки РФ «Исследование процессов испарения жидкостей в топливных баках ракет-носителей для повышения экологической безопасности и экономической эффективности ракет-носителей с жидкостными ракетными двигателями» (с ­ОмГТУ). При реализации крупного научного проекта «Разработка фундаментальных основ расчета и принципов построения энергетических систем, основанных на эффекте сверхпроводимости» (с МАИ) необходимо было разработать системы охлаждения для оборудования с использованием высокотемпературных сверхпроводников. И мы с этим также успешно справились.

Нюансы пламени.

Камеры сгорания двигателей и энергетических установок – наиболее сложные для численного моделирования узлы, поскольку в них протекают различные физические и химические процессы, включающие распыл, испарение и горение топлива. Причем все это, как правило, происходит в закрученных турбулентных потоках под влиянием крупномасштабных вихревых структур.

Профессор РАН В.Дулин в лаборатории. Фото предоставлено В.Дулиным.

– Наша лаборатория специализируется на физическом и математическом моделировании потоков жидкости и газа в энергетическом оборудовании. Сюда входят и оптическая диагностика процессов, и трехмерное численное моделирование с акцентом на управлении потоками, – поясняет заведующий лабораторией физических основ энергетических технологий ИТ СО РАН, профессор РАН Владимир Дулин. – Всегда возникает вопрос: насколько полученные в лабораторном масштабе результаты соотносятся с процессами, имеющими место в реальных энергетических устройствах? Новизна наших работ заключается в применении современных активных методов диагностики, в том числе панорамных. Мы разрабатываем такие методы диагностики, верифицируем их в лабораторных условиях, а затем применяем на установках, где моделируются основные процессы в условиях, приближенных к реальным.

Оптические методы исследования многофазных реагирующих потоков стали визитной карточкой ИТ СО РАН. Достаточно упомянуть метод цифровой трассерной визуализации (Particle Image Velocimetry, PIV) для бесконтактного измерения скорости в потоках, за который получена премия Правительства РФ 2014 года.

Среди приоритетных прикладных направлений лаборатории в настоящее время – научное сопровождение опытно-конструкторских работ по авиадвигателям семейства ПД и другим перспективным изделиям, энергетическим аппаратам.

Сейчас для гражданской авиации крайне актуальной является задача снижения эмиссионных характеристик двигателей по выбросам оксидов азота и сажи. Один из путей решения – реализация камеры сгорания т. н. бедного типа с избытком воздуха в основной зоне, но при этом, как правило, горение пламени подвержено влиянию термоакустической неустойчивости, могут возникать режимы вибрационного горения. С применением оптической панорамной диагностики мы детально разобрались в том, как можно управлять данными процессами в модельных горелочных устройствах. На основе измерений поля температуры с временным разрешением в сотни наносекунд обнаружили немало нюансов и выработали конкретные предложения для прототипов фронтовых устройств разрабатываемых авиационных двигателей. Надо сказать, что весьма активно в исследованиях принимают участие студенты и аспиранты, которым такие подходы очень интересны. А это крайне важно.

Поиск. Ольга КОЛЕСОВА

Обложка: член-корреспондент РАН А.Павленко с коллегами на новом экспериментальном стенде для исследования теплообмена и критических явлений при кипении диэлектрических жидкостей в условиях спрейно/струйного орошения. Фото предоставлено Институтом теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН.