Научные результаты:
- Разработана 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.
- Созданы 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 подобраны методы многошаговой структуры с улучшенными дисперсионными и диссипативными свойствами для эффективного решения возникающих прикладных обратных задач по поиску начальных значений.
- Разработан 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.
- Разработаны 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.
- 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 по пп. 3.1 и 3.2 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 созданы 3 оригинальные программы 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).
- Создана, исследована, верификацирована Цифровая платформа междисциплинарных связанных моделей детальной химической кинетики, тепломассообмена и газодинамики реагирующих потоков, эффективных вычислительных методов, а также программных средств реализации вычислительного эксперимента в приложении к проектированию технологий экологически чистого получения энергии с использованием оригинальных программных надстроек к программному комплексу Star CCM+. Результаты исследования технологической и технико-экономической эффективности новых и полученных на предыдущих этапах технических решений (патенты на изобретения №№ 27832, 2775611, 2775610, 2782674, полезные модели №№208401, 208400, 208485, 210008, 215037, 215191).
Образование и переподготовка кадров:
- Разработаны и открыты новая магистерская образовательная программа по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника», профиль «Технологии производства экологически чистой электрической и тепловой энергии» и программа аспирантуры по направлению 2.4.5 «Энергетические системы и комплексы» для подготовки кадров для возобновляемой энергетики регионов.
- Сотрудники лаборатории Золотов А.Н, Мизхер У.Д., Бусыгин С.В. защитили кандидатские диссертации по специальности 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ (науч. рук. Ковальногов В.Н.).
- Сотрудники лаборатории Демидов Д.А., Карпов Д.А., Малешина М.А., Шеркунов В.В, Шепелев И.И. прошли 30-дневную научную стажировку на математическом факультете Университета Западной Македонии (Кастория, Греция) под непосредственным руководством ведущего учёного проф. Симоса, одновременно освоив образовательный курс "Computational Methods with MATLAB and Mathematica" и повысив свою квалификацию в области современных вычислительных методов.
- Сотрудники лаборатории Бояркин М.С., Чамчиян Ю.Е и Чукалин А.В. 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 года, 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 (Кастория), Университет Демокрита (Фракия) и Афинский национальный университет Каподистрии (Афины). Имеются совместные разработки и публикации в области численных методов.
С 2022 года начато взаимодействие лаборатории с лабораторией моделирования процессов конвективного тепломассопереноса Томского государственного университета.
Также развивается взаимодействие с Европейским сообществом вычислительных методов в науках и инженерии (European Society of Computational Methods in Sciences and Engineering), под патронажем которого организованы 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.
