Лаборатория моделирования физико-технических процессов

Научные результаты: 

1. Получены новые экспериментальные данные измерений значений ко­эффициентов гидравлического сопротивления и средней теплоотдачи труб с внутренним спиральным оребрением, полученным методом деформирующего резания, при вынужденном течении теплоносителей в диапазоне безразмерных режимных и геометрических параметров, расширяющих диапазон в имеющихся научных исследованиях. Сформирована расширенная база данных по коэффициентам гидравлического сопротивления и средней теплоотдачи труб с внутренним спиральным оребрением, полученным посредством применения различных технологических методов: применение проволочных вставок, нарезки резьбы, экструзии, вальцовки, нанесение спиральной накатки наружной поверхности труб. Впервые учтены экспериментальные данные за период с 1986 по 2020 годы. Разработаны универсальные рекомендации к определению величин коэффициентов гидравлического сопротивления и средней теплоотдачи труб с внутренним спиральным оребрением посредством обобщающих зависимостей, полученных на основе анализа сформированной базы данных для труб с внут­ренним спиральным оребрением, в широком диапазоне изменения безразмерных режимных и геометрических параметров. Впервые, на основе методов минимизации генерации энтропии и анализа полученных обобщающих зависимостей посредством применения генетического алгоритма оптимизации установлены диапазоны значений геометрические раз­меров труб с внутренним спиральным оребрением, обеспечивающие наилучшие теплогидравлические характеристики. Разработан алгоритм и оригинальная программа прогнозирования теп­логидравлических характеристик труб с внутренним спиральным оребрением на основе применения искусственных нейронных сетей. Проведено испытание лабораторного образца теплообменного аппарата со сменными трубными пучками труб с внутренним спиральным оребрением, полученным методом деформирующего резания; подтверждены полученные результаты оптимизации безразмерных геометрических параметров внутреннего спирального оребрения.
2. Создана комплексная математическая модель динамики парокапельной смеси в двумерной постановке, учитывающей целый ряд физических процессов, таких как дробление, коагуляция, испарение капель и конденсацию паровой фазы; решена задача в новой постановке и в описании новых эффектов на основе математической модели динамики полидисперсной многоскоростной многотемпературной парокапельной смеси с учётом процессов дробления, коагуляции, испарения капель и конденсации пара. Разработан способ регазификации жидкости и установка для регазификации жидкости.
3. Предложены и запатентованы конфигурации с рациональными размерами теплообменных поверхностей с овально-траншейными и овально-дуговыми лунками, являющимися эффективными поверхностными вихрегенераторами - интенсификаторы процессов тепло- и массообмена. Проведено численное моделирование интенсификации ламинарного т турбулентного теплообмена в узких каналах, в том числе в пространстве между облуненными ребрами воздушного конденсатора. Рассмотрен узкий канал с пакетом наклонных однорядных овально-траншейных лунок. Оценены влияния глубины , шага, удлинения и угла натекания на углубления на теплогидравлические характеристики.
4. На основе анализа экспериментальных данных установлены уровни интенсификации теплоотдачи при турбулентном режиме течения в много и однорядных системах овально-траншейных и овально-траншейных углублений. Показано, что уровень гидросопротивления в каналах с овально-дуговыми углублениями меньше на 10–13%, чем в каналах с овально-траншейными углублениями. Это обеспечивает более высокую теплогидравлическую эффективность каналов с овально-дуговыми углублениями на 23% и 14% при одно- и многорядном расположении соответственно. Для более технически интересного диапазона геометрических параметров и турбулентного режима получены критериальные уравнения для коэффициентов гидравлического сопротивления и теплоотдачи в каналах с однорядными овально-траншейными углублениями. Полученные уравнения позволяют прогнозировать тепловые и гидравлические характеристики с отклонением до 20%. Среднеквадратичная ошибка по всей базе данных находилась в пре-делах 5‒8% для значений прироста гидравлического сопротивления и теплопередачи как для тестового, так и для обучающего наборов данных. Тем самым показана возможность использования модели нейронной сети в компьютерных кодах по расчету теплообменного оборудования и обеспечения повышенной точности прогнозирования их параметров.
5. Проведен экспериментальный и численный анализ пассивного метода воздействия на пристенную область теплопередающей поверхности за счет оребрения ресурсоэффективным (безотходным) методом деформирующего. По результатам выполненных инженерных и численных исследований и частичного сопоставления с данными экспериментальных исследований сделан вывод, что использование численных методов исследования позволяет надежно и точно прогнозировать тепло-гидравлические характеристики трубчато-ребристых масляных радиаторов без проведения дорогостоящих и трудозатратных натурных испытаний создаваемых образцов оборудования. На основе методов численного моделирования конвективного теплообмена разработана и апробирована методика расчетов, применимая к широкому классу теплообменных аппаратов. Отличительной особенностью методики является представление оребренной части теплопередающей поверхности в виде пористых вставок. Разработанная методика позволяет уменьшить требования к оборудованию для численного моделирования и снизить время расчетов. Результаты численного моделирования находятся в хорошем соответствии с результатами эксперимента.
6. На основе проведенного анализа результатов экспериментального исследования разработаны рекомендации по внедрению поясков веерных отверстий для пленочного охлаждения профильной части сопловых лопаток газотурбинного двигателя для заданных участков профиля турбинной лопатки. Установлены области изменения режимных параметров, где следует использовать традиционные цилиндрические отверстия.

Внедрение результатов исследования:

• Реализован совместный проект лаборатории с ООО ИЦ Энергопрогресс (Казань) на территории филиала АО «Татэнерго» - Набережночелнинская ТЭЦ по повышению эффективности работы регенеративной системы турбоагрегата ст. №7 для последующей разработки, изготовления и внедрения усовершенствованного подогревателя низкого давления.
  

В ходе работы предложена конструкция ПНД в виде кожухотрубного теплообменника вертикального типа. Новизной конструкции является аппаратура автоматического регулирования уровня конденсата, которая поддерживает нормальный уровень конденсата в корпусе, выпускает избыток конденсата в дренажную сеть и препятствует выходу пара из корпуса. Для одинаковых геометрических параметров ПНД проведено два варианта расчета - для гладкотрубного ПНД и ПНД с профилированными трубами. В качестве профилирования выбран вариант с трубами, имеющими внешнюю гладкую поверхность для уменьшения застоя конденсата и наращивания толщины пленки конденсата водяного пара, и внутреннее спиральное оребрение малой высоты. Для варианта с профилированными трубами проведены комплексные НИР, включающие экспериментальное и численное исследование с целью выявления процессов течения и теплообмена, получения критериальных зависимостей для модернизации методики расчета, обоснования выбора рациональных геометрических параметров профилирования труб.

Использование профилированных труб позволяет повысить тепловую мощность при тех же весогабаритных характеристиках на 23,16%.

Экономия топлива за счет снижения издержек при работе существующего ПНД-4, введенного в эксплуатацию в 1976 году, составляют 2 785,74 тыс.рублей, однако экономический эффект снижается за счет будущих амортизационных затрат на новое оборудование и затрат на услуги по монтажу, ремонту и эксплуатации до 610,34 тыс.рублей. Общие затраты на ОКР, оборудование, монтаж, наладку и запуск в эксплуатацию составляют 7 295,200 тыс. рублей. Таким образом простой срок окупаемости составляет с вычетом амортизационных затрат 5,9 лет.

• По результатам выполненного коммерческого договора лабораторией с АО "НИИТурбокомпрессор им. В.Б.Шнеппа" (г.Казань) с использованием методов численного моделирования конвективного теплообмена разработана и апробирована методика расчетов аппаратов воздушного охлаждения. Отличительной особенностью методики является представление оребренной части теплопередающей поверхности в виде пористых вставок. Разработанная методика позволяет уменьшить требования к оборудованию для численного моделирования и снизить время расчетов. Методика внедрена в расчетном отделе АО "НИИТурбокомпрессор им. В.Б.Шнеппа". Проведенные лабораторией численные исследования теплогидравлических характеристик аппарата воздушного охлаждения масла компрессорной модульной станции позволили установить численные значения тепловой мощности, эффективности и улучшить технические решения по компоновке маслоохладителя в аппарате воздушного охлаждения масла, который подготовлен АО "НИИТурбокомпрессор им. В.Б.Шнеппа к массовому производству.

• В рамках договора с ПАО "КАМАЗ" проведено численное исследование и экспериментальная верификация результатов расчетов аэродинамики и теплообмена в подкапотном пространстве большегрузного автомобиля. Отличительной особенностью методики является представление оребренной части теплопередающей поверхности в виде пористых вставок. Разработанная методика позволяет уменьшить требования к оборудованию для численного моделирования и снизить время расчетов. Проведенные численные исследования позволили предложить технические решения по компоновке системы радиаторов, коллекторов и схемы течения воздуха в подкапотном пространстве для повышения эффективности работы двигателя и системы его охлаждения. Предложенные технические решения привели к ликвидации застойных зон и неравномерного распределения скорости воздуха по фронту радиаторов и объему подкапотного пространства, что позволило повысить тепловую эффективность системы радиаторов, снизить нагрузку вентилятора и улучшить тепловое состояние двигателя.

Образование и переподготовка кадров:

Лаборатория моделирования физико-технических процессов (МФТП) КНИТУ-КАИ является официальным местом проведения учебных, научно-исследовательских , производственных и преддипломных практик студентов кафедры теплотехники и энергетического машиностроения, обучающихся по программе подготовки бакалавров по направлению 13.03.01 «Теплотехника и теплоэнергетика» и магистров по направлению 13.04.01 «Теплотехника и теплоэнергетика» по двум профилям «Химические и энергетические технологии» и «Теоретические основы теплотехники».

В рамках разработки новых учебных программ по ФГОС-3++ в 2019-2020 году разработаны рабочие программы дисциплин:

• Теплотехнические системы и энергоустановки. Б1.В.ДВ.03.01. Квалификация: бакалавр. Форма обучения: очная. Направление подготовки: 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника». Направленность: «Энергетика теплотехнологий».

• Теплотехнические системы и энергоустановки. Б1.В.ДВ.04.01. Квалификация: магистр. Форма обучения: очная. Направление подготовки: 13.04.01 «Теплоэнергетика и теплотехника». Направленность: «Теоретические основы теплотехники».

В 2019-2020 г.г. подготовлены и защищены 3 диссертации, выполненные на соискание ученой степени кандидата технических наук в лаборатории МФТП кафедры теплотехники и энергетического машиностроения КНИТУ-КАИ:

Организационные и инфраструктурные преобразования:

Лаборатория функционирует как самодостаточная инфраструктура научно-исследовательской части КНИТУ-КАИ, эффективно взаимодействующая с другими научными и образовательными учреждениями на основе инициативных работ и выполнения грантов РФФИ и РНФ, а также с производственными и научными организациями на основе коммерческих договоров и договоров о сотрудничестве.

За 2018-2020 гг лаборатория предоставляла услуги и оборудование для проведения исследований горения кафедре технической физики КНИТУ-КАИ, научному центру композиционных материалов КНИТУ-КАИ для проведения исследований теплофизичских свойств материалов, ОАО "Казанский вертолетный завод" для проведения исследований скоростной визуализации отстрела топливных баков и др.

Сотрудничество:

• Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси, Белорусский государственный технологический университет (Беларусь): совместные научные исследования, гранты РФФИ.

• ООО «ИЦ Энергопрогресс» (Россия): совместные научные исследования, привлечение сотрудников лаборатории к выполнению договора.

• Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет (Россия): совместные научные исследования с ведущим ученым.

• НИИ механики, Московский государственный университет (Россия): совместные научные исследования под руководством ведущего ученого.

• Институт теплофизики им.С.С.Кутателадзе СО РАН (Россия): совместные научные исследования под руководством ведущего ученого.

• АО НИИ Турбокомпрессор им. В.Б.Шнеппа (Россия): совместные научные исследования.

• ПАО КАМАЗ (Россия): выполнение договоров.

• «ОКБ им. А. Люльки» (филиал ПАО «ОДК-УМПО»): выполнение договоров.

• Казанский научный центр РАН (Россия): совместные научные исследования под руководством ведущего ученого.