"Теплофизика и физическая гидродинамика"

The current vapor-gas nucleation theory can produce values that deviate from the experimental results by several orders of magnitude. During the past three decades, the effects of pressure and various carrier gases on homogeneous nucleation have been studied carefully. Classical nucleation theory assumes that the carrier gas only maintains the temperature equilibrium of the clusters with the ambient media. Nevertheless the gas-pressure effects was revealed by several researches now. The empirical results have supported a dependence of the nucleation rate on the nature and total pressure of the carrier gas. Experiments using different devices also show significant inconsistencies in the measured nucleation rates. It is important to have now a standard system that can be measured over a range of nucleation conditions to test the relevance of experimental data. First version of the high pressure (up to 150 bar) flow diffusion chamber will be developed. It is supposed that several new measuring systems will be created in the frame of the Russian Ministry of Science & Education grant under Contract № 14.Z50.31.0041 issued by February 13th of 2017 to provide the careful nucleation studies for the basic science and the broad spectrum of practical applications for near critical conditions of the model vapor-gas systems.

Повышенный интерес к двухслойным течениям вызван необходимостью поиска новых технических решений некоторых задач теплофизики (термостабилизация и жидкостное охлаждение, температурный контроль полупроводниковых устройств), а также при модификации и совершенствовании жидкостных технологий (нанесение многослойных покрытий, функционирование жидкостных чипов и мембран, дистилляция). Одним из важнейших условий корректной работы таких систем является устойчивость основного состояния рабочей жидкости. В докладе будет представлен обзор результатов исследования устойчивости конвективных течений с поверхностями раздела, в том числе в условиях испарения/конденсации на межфазной границе. Будут приведены точные решения уравнений конвекции, позволяющие моделировать подобные двухслойные течения, описаны механизмы, приводящие к потере устойчивости, дан анализ влияния процессов испарения/конденсации на структуру гидродинамических и тепловых полей, и представлены карты режимов неустойчивости рассматриваемых двухслойных течений.

Численно исследованы волновые процессы в пористой среде, насыщенной пузырьковой жидкостью, с учетом нелинейности колебаний пузырьков. Нелинейность учтена в уравнении состояния газа и уравнении Рэлея - Ламба. Численное исследование в рамках нелинейной модели выполнено впервые. Получены дисперсионные зависимости для линейных волн в содержащей пузырьковую жидкость пористой среде, а также для основной моды колебаний в цилиндрической полости в такой среде. Рассчитаны частотные зависимости скорости и затухания гармонических волн в цилиндрическом волноводе. Проанализировано влияние свойств пористой среды и параметров пузырьковой жидкости на скорость и затухание волн, а также на глубину проникновения возмущений в окружающую пористую среду.

В докладе представлены результаты по реализации, исследованию и анализу многоволновых режимов непрерывной спиновой детонации (НСД) в проточной кольцевой цилиндрической камере сгорания диаметром 503 мм (ДК-500) топливно-воздушных смесей (ТВС): синтез-газ – воздух, CH4/Н2-воздух, авиационный керосин/Н2 – воздух. Определены пределы существования НСД по удельному расходу ТВС (минимальные значения). Показано, что структура поперечных детонационных волн (ПДВ) в данных ТВС близка к структуре ПДВ в исследованных ранее ТВС ацетилен – воздух и водород - воздух. Установлено, что все газовые смеси, в том числе самая труднодетонируемая ТВС метан-воздух при добавке водорода можно сжигать в режиме НСД.

В гетерогенной смеси жидкий авиационный керосин/Н2 – воздух в диапазоне удельных расходов смеси g∑ = 230 ÷ 565 кг/(с∙м2) с варьируемой массовой долей водорода в двухфазном горючем mH = GH/(Gf + GH) в диапазоне mH = 8.4  42 % впервые реализованы многоволновые режимы НСД с числом ПДВ от пяти до одной. Жидкий керосин (ТС - 1) барботировался водородом и подавался в камеру сгорания.Типичная фоторегистрограмма пятиволновой НСД представлена на рис. 1.

Применение барботирования жидкого керосина газообразным водородом позволило уменьшить массовую долю водорода в двухфазном горючем от 42 % до 8.4 %. Показано, что количество ПДВ и частота их вращения уменьшаются при уменьшении массовой доли водорода в двухфазном горючем и удельного расхода воздуха, а высота фронта ПДВ растёт. Полученные результаты открывают возможность систематических исследований режимов НСД в гетерогенных ТВС применительно к кольцевым камерам сгорания ВРД.

В лекции рассматриваются связанные между собой тематические модули.

1. Многоблочные вычислительные технологии (МВТ) на основе разномасштабных с наложением структурированных сеток. Решение осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса. Генезис и развитие пакета VP2/3 (скорость-давление, 2D/3D). Композитные сетки (генератор сеток).

2. Коррекция версии SST-модели 2003 года, учитывающая влияние кривизны линий тока в рамках подхода Роди-Лешцинера- Исаева. Ее тестирование на двумерных и трехмерных, стационарных и периодических тестовых задачах аэромеханики и теплофизики.

3. Управление обтеканием затупленных тел с помощью генераторов крупномасштабных вихрей. Снижение лобового сопротивления и головная стабилизация тел с организованным отрывом.

4. Аэродинамика утолщенных тел с вихревыми ячейками. Улучшение АДХ толстых несущих поверхностей.

5. Аэрогидродинамические механизмы вихревой интенсификации теплообмена в каналах с нанесенными лунками в ламинарном и турбулентном режимах.

Характерным свойством морской среды является ее изменчивость. Развитие наблюдательных возможностей позволило создать основанную гидродинамическом описании полную классификацию типов изменчивости. Наиболее важной для практических потребностей является синоптическая изменчивость океана, определяющая его погоду. Развитие наблюдений океана с ИСЗ и их использование в качестве ретранслятров непосредственных наблюдений позволило создать системы оперативных морских прогнозов, аналогичных прогнозам погоды. Основой морских прогнозов является гидродинамическое моделирование. Разнообразные численные реализации моделей циркуляции океана дают возможность прогнозировать состояние океана с высокой точностью. Одной из наиболее развитых систем морских прогнозов является морская служба программы Европейской Комиссии «Коперникус», созданная в рамках проектов 7-й рамочной программы “MyOcean”. Морской Гидрофизический институт участвовал в проектах “MyOcean”, создав Черноморский центр мониторинга и прогноза. Центр распространяет целый ряд продуктов, включающих распределения температуры, солености и скорости течений от поверхности до дна Черного моря. Пример распределения температуры морской воды на глубине 75 метров представлен на рисунке.

В связи с быстрым ростом приложений, которые требуют передачи больших тепловых и массовых потоков в ограниченном пространстве, все большее внимание в последнее время уделяется разработке двухфазных микроструктурных устройств, которые характеризуются чрезвычайно большим отношением площади поверхности к объему. На их основе создаются перспективные технологии охлаждения компьютерных процессоров и лазерных зеркал, микроканальные парогенераторы, конденсаторы и установки альтернативной энергетики. Ключевую роль в обосновании двухфазных микроструктурных устройств играют фундаментальные закономерности газожидкостных течений и процессов переноса при фазовых переходах в микроразмерных системах, которые представлены в данной работе. Рассмотрено современное состояние исследований и представлены новые результаты в области капиллярной гидродинамики газожидкостных течений и процессов тепломассопереноса при кипении, конденсации и испарении в микроразмерных системах. Установлены закономерности газожидкостного течения в микроканалах, обсуждено влияние поперечного размера канала на режим течения и его свойства в условиях доминирующего влияния капиллярных сил, предложены новые подходы к определению границ режимов течения на основе анализа их статистических характеристик. Представлены закономерности сопряженных гидродинамических и тепломассообменных процессов при фазовых переходах в микроразмерных системах, предложены новые подходы к расчету теплообмена и кризисных явлений в условиях совместного влияния вынужденной конвекции, пузырькового кипения и  испарения сверхтонкой пленки жидкости с учетом ее разрыва и формирования сухих пятен. Рассмотрено применение микроразмерных систем в перспективных технологиях отвода экстремально больших потоков тепла, энергетических и криогенных устройствах, системах кондиционирования, химических и биотехнологиях.

Частичные разряды можно подразделить на три основных типа:

1. Микроразряды в маленьких кавернах или пузырьках, которые всегда существуют как на поверхности электродов, так и в объеме диэлектрика.

2. Частичные разряды в каналах ветвистых структур (стримеров), растущих в объеме диэлектрика.

3. Частичные пробои вдоль границ раздела двух разных диэлектриков.

Во всех случаях во внешней цепи возникают импульсы электрического тока. Маленькие газонаполненные каверны и пузырьки, существующие в конденсированных диэлектриках, сильно сказываются на электрической прочности диэлектрика и, соответственно, на времени жизни оборудования, так как газ внутри каверн и пузырьков имеет электрическую прочность намного ниже, чем у конденсированных диэлектриков. Кроме того, напряженность электрического поля внутри газовых включений выше, чем вовне. Вероятность возникновения микропробоя в каверне зависит от локального электрического поля внутри нее. Во время микропробоя электрическое поле внутри каверны уменьшается из-за накопления зарядов на ее поверхности, и разряд в каверне погасает. Частичные разряды имеют стохастический характер, что нужно учитывать при моделировании.

Исследовался набор маленьких каверн компактной формы, распределенных в объеме диэлектрика между двумя плоскими электродами (см. рис.). Для расчета распределения потенциала и напряженности электрического поля в области между электродами на каждом шаге по времени решалось уравнение Пуассона совместно с уравнениями переноса электрического заряда.

Выполнено стохастическое моделирование частичных разрядов в линейной цепочке газовых каверн, расположенных вдоль линии электрического поля на постоянном и линейно нарастающем напряжении. При определенных условиях в цепочке каверн возникает волна частичных разрядов с “эстафетным” механизмом распространения.

В данной работе рассмотрено развитие атомной энергетики, начиная с Первой в мире АЭС до настоящего времени. Показано определяющее влияние произошедших тяжелых аварий на АЭС на ее темпы развития. Сегодняшний этап развития атомной энергетики можно назвать «постфукусимским». Он характеризуется «замораживанием» или сокращением производства электроэнергии на АЭС в развитых странах из-за массового снятия с эксплуатации энергоблоков АЭС, достигших предельного срока службы, замещение доли АЭС в энергобалансе этих стран ТЭС с ПГУ и ВИЭ, конкурентоспособность которых со временем будет только возрастать. Для ТЭС с ПГУ это связано с внедрением новых технологий и сохранением низкой цены газа на достаточно длительный срок. Для ВИЭ — это непрерывное внедрение новых технологий и соответствующее удешевление электропроизводства. Для существующего уровня мирового электропроизводства на АЭС извлекаемых запасов природного урана хватит минимум на 100–130 лет (в зависимости от себестоимости добычи). При оптимистическом (максимальном) прогнозе роста электропроизводства на АЭС в период 2016–2050 гг. извлекаемых запасов природного урана, установленных на 01.01.2015 г., хватит минимум на 60–80 лет. И это без учета роста разведанных запасов урана и развития новых технологий его добычи. Можно предположить, что, судя по опыту «постоянно прогнозируемого исчерпания газовых и нефтяных резервов», запасы урана будут постоянно увеличиваться.

В мировой энергетике парогазовые установки с внутрицикловой газификацией твердого топлива интенсивно развиваются как направление, альтернативное прямому сжиганию, и достигли в настоящее время коммерческого успеха. Однако по техническим показателям они далеки от ПГУ на природном газе, что, в частности, обусловлено недостаточным развитием теории комбинированных парогазовых циклов, обремененных собственным узлом получения топливного газа из твердого органического топлива, а комплексные исследования совместной работы технологической (узла внутрицикловой газификации) и энергетической (ПГУ) частей общей энергоустановки находятся в стадии разработки, о чем свидетельствуют публикации последних лет в ведущих международных и отечественных журналах.

Развитие теории и практики комбинированных парогазовых циклов c внутрицикловой газификацией происходит по двум направлениям, касающимся специфики действия на процессы основных термодинамических параметров – давления и температуры в узловых точках технологической схемы ПГУ-ВЦГ и нацеленным на уменьшение разрыва по основным энергетическим показателям между технологиями ПГУ-ВЦГ и ПГУ на природном газе и увеличение экономичности ПГУ в целом.

В лекции приводится систематический анализ эффективности комбинированного парогазового цикла с внутрицкловой газификацией твёрдого топлива различной конфигурации в новом диапазоне давлений и температур.

We study experimentally the dynamics of a viscous wetting fluid interface forced to invade a disordered medium –a model open fracture– at constant flow rate. Distortions of the advancing imbibition front produced by capillary pressure fluctuations (due to the heterogeneities of the medium) are damped by interfacial tension and fluid viscosity. The competition of those stabilizing and destabilizing forces operating at different length scales leads to a kinetic roughness process characterized by critical interfacial fluctuations and a collective avalanches dynamics.

Using fast and high-resolution imaging, we could show that the imbibition front motion takes place by localized bursts, whose lateral sizes, areas and durations are power-law distributed up to a cut-off scale, which diverges as the Capillary number of the displacement decreases Ca->0, corresponding to a critical depinning transition. Those capillary bursts triggered from the smallest scale of the disorder up to the scale at which viscous dissipation becomes dominant lead to anomalous Gumbel-like fluctuations, and a strongly intermittent–turbulent-like–behavior of the global invasion process.

Тепловые трубы (ТТ) широко применяются в различных областях техники. В частности, они составляют основу современных систем обеспечения теплового режима (СОТР) космических аппаратов. При проектировании как собственно тепловых труб, так и использующих их системных устройств традиционно используются расчетные методики, основанные на методе сосредоточенных параметров и неизбежно дополняемые данными экспериментов, как правило, узко-ориентированных в силу чрезвычайного разнообразия конкретных технических решений. Успехи в развитии вычислительных технологий гидрогазодинамики и тепломассопереноса предопределяют постановку вопроса о развитии нового поколения расчетных методик. В докладе освещается опыт, полученный в последние годы в СПбПУ по разработкам и применению методов трехмерного (3D) численного моделирования тепломассопереноса в ТТ и сопряженных с ними телами. Рассматривается разнообразные задачи для аксиальных и контурных тепловых труб (КТТ). В частности, исследуется роль неравномерного нагрева/охлаждения корпуса ТТ и образующейся «лужи» конденсата на интегральные характеристики аксиальной ТТ с пористым фитилем. Анализируются 3D эффекты в низкотемпературной ТТ в трубе сложной пространственной формы. Формулируется модельная трехмерная задача о радиационно-кондуктивном теплообмене в композитной сотовой панели со встроенными аксиальными ТТ, приводятся примеры решения. Представляется разработанная 3D вычислительная модель испарителя контурной тепловой трубы СОТР спутника TacSat-4, обсуждаются результаты проведенных параметрических расчетов (см. рисунок). Формулируется гибридная 1D/3D вычислительная модель для совместного анализа теплофизических процессов в конденсаторе КТТ (1D модель) и в радиаторной пластине (3D модель), приводятся результаты типовых расчетов.

Гидродинамическая турбулентность – по-видимому, основная нерешенная проблема в гидродинамике. Успехи в развитии вычислительной техники, методов численного моделирования и средств диагностики дают возможность переосмысления классических результатов, формулировки нерешенных проблем и применения методов и теории к описанию неклассических направлений турбулентных течений, таких как воздействие внешних объемных сил гравитационной и электромагнитной природы, многофазных сред, протекания химических реакций и горения, влияние излучения, сверхзвуковых и гиперзвуковых потоков на турбулентность и обратного влияния турбулентности на неклассические турбулентные течения. В докладе рассмотрены турбулентные течения, начиная с простейшей двумерной турбулентности. В этом случае основные результаты при достаточно высоких числах Рейнольдса получены на основе низкодиссипативных численных методов. Полученные результаты явились основой построения теории турбулентности для двумерных течений и обобщения на трехмерные течения. В докладе рассмотрены спектры турбулентности и получены результаты для ряда задач неклассической турбулентности многофазных сред, горения, МГД, ЭГД и плазменной турбулентности, неньютоновской турбулентности при низких и высоких скоростях деформации потока.

Интерес к тепломассопереносу в жидких металлах вызван, в значительной мере, их применением в качестве теплоносителей в ядерных, термоядерных и космических энергетических установках. При этом, если в существующих реакторах на быстрых нейтронах традиционным теплоносителем стал натрий, то в перспективных ядерных и термоядерных реакторах рассматривается использование тяжелых металлов – свинца и сплава свинца и лития. Специфика жидкометаллических теплоносителей связана, в частности, с их высокой теплопроводностью, намного превышающей теплопроводность других типов теплоносителей, при сравнительно небольшой кинематической вязкости (малые числа Прандтля). Это означает, что молекулярная теплопроводность дает существенный вклад в перенос тепла не только в пристенном слое, но и в турбулентном ядре потока. В части проектирования реакторных установок чрезвычайно востребованными становятся результаты экспериментальных исследований свободной и смешанной конвекции металла в трубах и длинных сосудах, ориентированных под различными углами к направлению силы тяжести в присутствии и отсутствии магнитного поля. Результаты таких исследований могут быть использованы как при проектировании новых реакторных установок, так и при верификации расчетных кодов, используемых в атомной энергетике.

В докладе обсуждаются особенности экспериментальных исследований конвективного теплопереноса в жидких металлах и дается обзор результатов трех циклов экспериментов по турбулентной конвекции в жидких металлах. Первый цикл включает исследования свободной турбулентной конвекции натрия в длинных цилиндрах, наклоненных под различными углами к направлению силы тяжести. Эксперименты выполняются в ИМСС УрО РАН. Второй цикл работ, проводимый в МЭИ, касается исследований теплообмена в условиях, характерных для бланкетов токамаков, в которых существенно совместное влияние массовых сил различной природы – электромагнитной силы и силы плавучести. Исследована гидродинамика и теплообмен при протекании горячей ртути по каналам, помещенным в сильное магнитное поле и различно ориентированным по отношению к силе тяжести. Последний раздел относится не к задачам охлаждения энергоустановок, а к задачам цветной металлургии и касается исследований турбулентной конвекции магния в реакторе восстановления титана.

Предложен метод построения математических моделей распространения нелинейных волновых возмущений в сдвиговом течении неоднородной жидкости на основе применения теории слоистой мелкой воды с турбулентным перемешиванием между слоями. С использованием данного подхода выведены и верифицированы новые одномерные гиперболические и дисперсионные модели описывающие распространение и обрушение волн. Полученные уравнения движения использованы для моделирования волн Фавра (формирование волнового или монотонного бора), описания эволюции профиля уединенной волны при выходе на пологий берег (рис. 1), а также для моделирования взаимодействия приповерхностного пузырькового слоя жидкости с внутренними волнами. Работа выполнена совместно с С.Л. Гаврилюком (Университет Экс-Марсель) и В.Ю. Ляпидевским (ИГиЛ СО РАН).