Лаборатория управления теплообменом при фазовых и химических превращениях

Научные результаты:

1. Впервые с использованием оптических методов экспериментально изучена турбулентная структура отрывного течения за обратным уступом при воздействии на него прямоугольных, либо треугольных табов (зубцов). Установлено, что табы значительно деформируют поле как осредненного течения, так и распределения пульсационных величин. Особенно сильное влияние табов сказывается в ближнем поле течения за уступом, что увеличивает продуваемость этой зоны и здесь можно будет наблюдать сильную интенсификацию теплообмена.
2. Экспериментально изучена интенсификация теплообмена при воздействии на отрывное течение вихрегенераторов в виде табов различной формы. Впервые обнаружена сильная интенсификация теплоотдачи непосредственно в ближней зоне отрывного течения за обратной ступенькой. Эффект усиления интенсивности теплопереноса обусловлен разрушением застойной зоны рециркуляционной зоны и ростом турбулентности течения. Показана возможность практического применения табов для интенсификации процессов обмена, а также уровень неравномерности теплосъема в трансверсальном направлении.
3. Разработана физико-математическая модель на основе вихреразрешающих методов для численного исследования течения и теплообмена в межреберной ячейке при различных ее геометриях, предыстории течения и вариации числа Рейнольдса. Показано, что использование различных методов моделирования и моделей замыкания приводит к значительно отличающимся данным по структуре турбулентного поля, так и теплообмену. Так, использование k-omega SST модели приводит к занижению значения числа Нуссельта. Наилучшего согласования с экспериментом удалось добиться, используя v2f модель. Вихреразрешающие подходы более адекватно отражают структуру течения.
4. Разработана физико - математическая модель, описывающая динамику двухфазного турбулентного течения и тепломассообмена в каналах сложной формы и при наличии отрывных зон с рециркуляцией течения. Модель основана на использовании эйлерова приближения для обеих фаз, как в осредненном, так и флуктуационном течениях и с учетом тепломассообменных процессов на поверхности частиц (капель). Создан компьютерный код, позволяющий проводить расчетные исследования широкого класса научных и инженерных задач, в том числе и оптимизационного характера для различных энергетических устройств с многофазными потоками.
5. Исследована возможность повышения коэффициента теплопроводности фазоизменяемых материалов при введении в его состав одностенных углеродных нанотрубок. Добавление одностенных графеновых трубок нанотрубок «TUBALL» в количестве 0.5 мас. % привело к повышению коэффициента теплопроводности парафина марки П2 в твердом состоянии на 24%.
6. В рамках модели реагирующего пограничного слоя предложен метод аналитической оценки эффективности организации эффективного гетерогенного химического процесса на поверхности твёрдых частиц, обтекаемых потоком реагентов. Используя экспериментальные данные по характеристикам осаждения теплозащитного покрытия из газовой фазы, была показана адекватность разработанной модели. Отработаны методы диагностики и моделирования ограниченных закрученных двухфазных потоков, в том числе при наличии химических реакций. Полученные результаты позволили разработать новые подходы к организации сопряженного тепломассопереноса в вихревых камерах с вращающимся слоем дисперсных частиц.
7. Методом молекулярной динамики изучена теплопроводность жидкостей в наноканалах. Показано, что в общем случае теплопроводность жидкости в наноканалах всегда ниже, чем в неограниченном объеме, и это снижение тем больше, чем меньше масштаб канала. Впервые показано, что вязкость газа, как и его теплопроводность анизотропна. В наноканалах коэффициенты переноса флюида существенно зависят от взаимодействия ее молекул с атомами стенок канала. Меняя материал стенок канала, можно эффективно управлять вязкостью и теплопроводностью среды. Указанная анизотропия вязкости отмечается не только в нано-, но также и в микроканалах.
8. Показано, что теплопроводность наножидкостей с металлическими частицами, так же, как и с оксидами, зависит от размера наночастиц, и она растет с его увеличением. Кроме того, превышение коэффициента теплопроводности всех изученных наножидкостей существенно выше, чем это предсказывает теория Максвелла.

Внедрение результатов исследования:

1. Новые данные эксперимента по разрушению отрывного течения с помощью табов могут широко использоваться для интенсификации тепломассообмена в плохо продуваемых рециркуляционных зонах рабочих каналов энергоустановок различного назначения. Важно, что параметр теплогидравлической эффективности подобных вихрегенераторов сохраняет высокое значение при вариации геометрических и расходных характеристик в широких пределах.
2. Данные детального сравнительного анализа пригодности различных моделей турбулентности для адекватного описания характеристик течения и теплообмена показали, что наилучшего согласования с экспериментом дает v2f модель. Вихреразрешающие подходы более адекватно отражают структуру течения. Эти выводы представляют несомненный практический интерес при постановке новых исследовательских программ численного анализа отрывных потоков и интенсификации теплообмена. Подобный вывод можно сделать и для задач двухфазного течения при наличии фазовых переходов на поверхности частиц или капель.
3. Опытные данные о значительном возрастании теплопроводности фазоизменяемых материалов за счет введения углеродных нанотрубок говорят о высоких потенциальных возможностях использования подобных технологий для повышения эффективности охлаждения в широком спектре энерготехнологических процессов.
4. Важное прикладное значение имеют новые данные о коэффициентах переноса микрофлюидов в каналах с малыми линейными масштабами. Впервые полученные данные говорят о сильном влиянии на процессы обмена как состава наножидкости, так и материала стенок. Эти данные послужат основой для создания инженерных методов расчета микроканальных теплообменных устройств различного назначения.

1. Подготовлены и защищены две докторские и четыре кандидатские диссертации.
2. Разработаны и внедрены в учебный процесс следующие программы:

• «Моделирование и проектирование микро- и наносистем» (Сибирский федеральный университет).
• «Моделирование процессов переноса тепла в микро- и наноканалах» (Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет).
• «Моделирование в среде Ansys Fluent» (Новосибирский государственный технический университет).
• «Термодинамика и теплопередача» (Новосибирский государственный технический университет).
• «Основы создания расчетных сеток и пакете программ Ansys» (Новосибирский государственный технический университет).
• «Механика» (Новосибирский государственный университет).

Сотрудничество:

• Индийский институт технологии (Индия): совместные исследования в области разработки методов интенсификации теплообмена при кипении и испарении на пакетах горизонтальных труб в условиях стекающих пленок и вынужденного течения жидкостей.
• Тяньцзиньский университет, Национальный инжиниринговый исследовательский центр (Китай): научное сотрудничество в рамках Ассоциации технических университетов России и Китая.
• Омский государственный технический университет (Россия): договор на выполнение исследований «Теоретико-экспериментальные исследования по повышению эффективности теплообмена в замкнутой ёмкости, содержащей испаряемую криогенную жидкость со свободной поверхностью, парами испаряемой жидкости, газом-наддувом гелием, при кондуктивном нагреве внешних стенок ёмкости».
• Институт тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси: координация научных исследований Института теплофизики имени С.С. Кутателадзе в рамках совместной Программы исследований по интенсификации теплообмена при кипении и испарении жидкостей применительно к разработке высокоэффективных систем охлаждения для современной микроэлектроники.
• Институт химических технологий (Болгария): научно-практическое сотрудничество участниками проекта в рамках проекта РФФИ «Моделирование и экспериментальное исследование межфазного массопереноса при дистилляции, абсорбции, адсорбции и каталитических процессах в промышленных колонных аппаратах по интенсификации тепломассообмена при разделении смесей на структурированных поверхностях в многофазных потоках».
• Институт термомеханики (Чехия): совместные исследования в рамках проекта РФФИ-Чешский Научный Фонд по интенсификации и управлению тепло - и массообменом в нестационарных струйных потоках, изучению эффектов гистерезиса, бистабильности и перемежаемости в таких течениях.
• Университет Брайтона (Великобритания), Даляньский университет (КНР): совместные исследования в рамках проектов РФФИ.