Лаборатория междисциплинарных проблем энергетики

Научные результаты:

• Концепция платформы моделей и методов для создания обучаемых цифровых двойников технологий экологически чистого получения энергии, аналитическое ядро которой основано на совместном численном решении задач нестационарной газодинамики, тепломассообмена и конверсии рабочего тела в камере сгорания с учётом детальной химической кинетики и совокупности взаимно влияющих технологических факторов (в том числе неоднородности и флуктуаций состава композиционного газового топлива на основе свалочных газов и промежуточных продуктов энергетической утилизации отходов, интенсивности закрутки топливно-воздушной смеси, форм-факторов камеры сгорания и образующихся реакционных зон, факторов тепловой и динамической нестационарности, включая пульсации тепловыделения и давления), а также содержит нейросетевую надстройку для машинного обучения по результатам серии вычислительных экспериментов.

Репрезентативные технологические прототипы (решения, имеющие потенциал экологически чистой энергетической утилизации отходов) для создания и последующего комплексного исследования их цифровых двойников (патенты на изобретения и полезные модели №№210008, 208401, 208400). Установлена перспективность применения закрутки для ультрабедных топливно-воздушных смесей и композиционных газовых топлив в целях технологического обеспечения их малоэмиссионного устойчивого горения, для реализации которого разработаны эскизные технические решения и их структурное описание.

• Функционально подобранные методы многошаговой структуры с улучшенными дисперсионными и диссипативными свойствами для эффективного решения возникающих прикладных обратных задач по поиску начальных значений.

Нейросетевой метод для получения пар Рунге-Кутта, настроенный для скалярных автономных задач, а также пары Рунге-Кутта, «обученные» наилучшим образом решать задачи с осциллирующим поведением решения.

Автомодельные решения задач газодинамики и теплообмена в слабозакрученных струях, построенные на основе асимптотического разложения скоростей и давления в ряды по малому параметру, которые при использовании их в качестве начального приближения в численных расчётах реагирующих закрученных струй, обеспечивают возможность существенно сократить затраты машинного времени на реализацию вычислительного эксперимента с заданной точностью (Мизхер У.Д., «Математическое моделирование и численное исследование закрученной реагирующей топливно-воздушной струи в приложениях к проектированию малоэмиссионных энергоустановок на низкосортных топливах»).

• Выполнена систематизация и развитие математических моделей переноса и вычислительной газодинамики реагирующего рабочего тела с изменяемым градиентом давления, включая закрутку реагирующей струи, в приложениях к проектированию экологически чистых технологий топливной энергетики. Подтверждена перспективность применения закрутки для ультрабедных топливо-воздушных смесей и композиционных газовых топлив в целях технологического обеспечения их малоэмиссионного устойчивого горения, для реализации которого разработаны эскизные технические решения и их математическое описание.

Получено кинетическое уравнение, описывающее процесс блужданий частицы ультрабедной топливной смеси с учётом постоянной скорости частицы, и дробно-дифференциальные уравнения, описывающие асимптотическое поведение процесса. Показано, что в случае конечного и бесконечного математического ожидания путей эти уравнения имеют совершенно иную форму. Для решения полученных уравнений применён метод локальной оценки метода Монте-Карло и разработан алгоритм решения.

Выполнена программная реализация математических моделей с созданием проблемно-ориентированного программно-информационного комплекса для исследования посредством вычислительного эксперимента кинетики и эволюции дисперсного кластера реагирующего рабочего тела в камере сгорания. В комплексе реализуется автоматизированный препроцессор для решателя ANSYS Fluent с подготовкой параметризованных геометрических, физических и начальных условий однозначности, а также данных по химической кинетике из открытой информационной базы С3М от NETL Multiphase Flow Science (https://mfix.netl.doe.gov/c3m/). В процессе создания проблемно-ориентированного комплекса возникли и зарегистрированы исключительные права на результаты интеллектуальной деятельности в виде трёх оригинальных программ для ЭВМ №№ гос. рег. 2021615282, 2021616986 и 2021619052.

• Разработаны и совершенствуются цифровые двойники технологических решений по обеспечению устойчивого горения ультрабедных топливных смесей на основе свалочного газа и продуктов термического разложения коммунальных и производственных отходов, минимизации химического недожога и нейтрализации продуктов сгорания, а также методологические решения по их получению и исследованию.

Получены предварительные результаты поисковых исследований в виде цифровых двойников технологических решений по обеспечению устойчивого горения ультрабедных топливных смесей на основе свалочного газа и продуктов термического разложения коммунальных и производственных отходов, минимизации химического недожога и нейтрализации продуктов сгорания, полученных на базе репрезентативных технологических прототипов (энергетического котла ТГМЕ-464, водогрейного котла ПТВМ-100, оригинальных композиционно-топливных горелок и горелочных устройств типа ГМУ-45 и ГДС-100).

Образование и переподготовка кадров:

• Разработана и открыта новая магистерская образовательная программа по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника» для подготовки кадров для возобновляемой энергетики региона (профиль «Технологии производства экологически чистой электрической и тепловой энергии», начало обучения - сентябрь 2022 года).
• Подготовлены и защищены 2 кандидатские диссертации.
• 2 сотрудника лаборатории прошли научную стажировку на математическом факультете Университета Западной Македонии (Греция) под непосредственным руководством ведущего учёного профессора Симоса, одновременно освоив образовательный курс «Computational Methods with MATLAB and Mathematica» и повысив свою квалификацию в области современных вычислительных методов.
• 3 сотрудника лаборатории прошли научно-технологическую стажировку на мусорных полигонах Vereinigte Ville (Кёльн, Германия) и Braunschweigischen Kohlen-Bergwerke AG (Брауншвейг, Германия), а также посетили лаборатории Кёльнского технического университета и европейскую выставку «Greener Manufacturing Show» (10-11 ноября 2021 г., Кёльн, Германия), повысив свою квалификацию в области технологий энергетической утилизации отходов, раздельного сбора мусора, глубокой переработки, получения метана из мусора.
• 10 сотрудников лаборатории прошли интенсивное практико-ориентированное обучение в ООО "Саровский Инженерный Центр" (официальный партнер Siemens в России и странах СНГ), приобрели практические навыки и повысили свою квалификацию в области вычислительной гидрогазодинамики и моделирования процессов горения в программном комплексе STAR-CCM+.

Сотрудничество:

• Университет Западной Македонии (Греция): совместные разработки и публикации в области численных методов, научные стажировки молодых сотрудников лаборатории.

• Университет Фракии им. Демокрита, Афинский национальный университет имени Каподистрии (Греция): совместные разработки и публикации в области численных методов.

• Европейское сообщество вычислительных методов в науках и инженерии: ежегодные тематические симпозиумы по реализуемому проекту в рамках международных конференций «International Conference of Computational Methods in Sciences and Engineering ICCMSE» и «International Conference of Numerical Analysis and Applied Mathematics ICNAAM».

• С 2022 года начато взаимодействие лаборатории с лабораторией моделирования процессов конвективного тепломассопереноса Национального исследовательского Томского государственного университета (Россия).