Эффективные методы интеллектуального управления физико-химическими процессами в современных энергетических технологиях

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-79-30075

НазваниеЭффективные методы интеллектуального управления физико-химическими процессами в современных энергетических технологиях

Руководитель Маркович Дмитрий Маркович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №33 - Конкурс 2019 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными 2019_33

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-105 - Газо- и гидродинамика технических и природных систем

Ключевые слова Повышение эффективности энергетических технологий, камеры сгорания газотурбинных установок, турбулентность, горение топлива, гидроэнергетика, математическое моделирование, RANS, LES, оптические методы исследования потоков, PIV, LIF, управление с обратной связью, машинное обучение, нейронные сети, двухфазные течения

Код ГРНТИ44.01.77

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен развитию методов интеллектуального управления многомасштабными термогидродинамическими и физико-химическими процессами, лежащими в основе современных энергетических технологий и оборудования, с целью повышения их эффективности, надёжности и экологичности. Объектами управления будут являться как ряд канонических одно- и двухфазных турбулентных течений (струи, следы, факелы, пристенные завесы, течения в трубах и каналах и др.), так и сложные турбулентные течения в моделях реальных энергетических устройств или их важнейших узлов (камеры сгорания, форсунки для диспергирования топлива, лопатки турбин и др.). Объединяющим для всех этих течений является нелинейное и многомасштабное явление турбулентности, осложнённое присутствием дисперсной фазы и/или химическим реагированием. Пространственно-временная многомасштабность явления турбулентности, в которой наблюдается взаимосвязь и взаимовлияние вихревых структур с заметно различающимися пространственными и временными масштабами через каскадные процессы передачи энергии, затрудняет использование стандартных подходов теории систем управления главным образом из-за отсутствия универсальной физико-математической модели турбулентности, создание которой остаётся одной из нерешённых проблем науки. При наличии сопутствующих процессов, таких, как движение дисперсной фазы, горение, фазовые переходы (кавитация), возникают дополнительные сложности, связанные со сложностью понимания механизмов взаимодействия этих процессов с турбулентностью и отсутствием математических моделей, необходимых для синтеза эффективных управляющих систем. В этой ситуации становятся перспективными современные методы интеллектуального управления, использующие исскуственный интеллект, нейросети, машинное обучение, которые в ряде случаев позволяют адаптивно подбирать, подстраивать и регулировать определяющие параметры «чёрного ящика» турбулентности, априори неизвестные из-за отсутствия её полной математической модели. Развитие интеллектуальных подходов к управлению термогидродинамическими и физико-химическими процессами будет проводиться с использованием активно развивающихся в последнее время современных адаптивных методов управления с обратной связью и машинного обучения в сочетании с углублённым физико-математическим и численным моделированием и новейшими методами физического эксперимента, позволяющими детально понять механизмы исследуемых явлений. Основные направления (блоки работ): 1) Разработка методов адаптивного управления каноническими турбулентными течениями (струи, следы, факелы, пристенные завесы и др.) с целью более глубокого понимания механизмов взаимодействия турбулентности и управляющих воздействий (модуляция расхода, локальный вдув/отсос, акустические возмущения, переменное электрическое поле) 2) Экспериментальное исследование и численное моделирование нестационарных процессов при смесеобразовании и горении в модельной камере сгорания газовой турбины, в том числе при повышенных давлениях и температурах и больших числах Рейнольдса, близким к натурным, с целью оптимального управления горением на основе обратной связи 3) Экспериментальное исследование и численное моделирование процесса адаптивного управления диспергированием жидкого топлива в форсунках с помощью модуляции расхода топлива, воздействия акустического поля и добавления перегретого водяного пара с целью повышения полноты сгорания топлива и надёжности работы энергетических установок, а также снижения экологически вредных выбросов. 4) Экспериментальное исследование механизмов процессов переноса и эффективности управления в турбулентных двухфазных и кавитационных течениях, таких, как газокапельное течение в каналах и трубах, в том числе при наличии жидкой плёнки на стенках, и кавитационное обтекание тел (модельных лопаток гидро- и приливных электростанций) с целью разработки эффективных методов управления пространственным распределением и составом дисперсной фазы и её влиянием на процессы переноса. 5) Адаптивное управление используемой для тепловой защиты лопаток газовых турбин пристенной тепловой завесой с целью повышения её эффективности путём воздействия на крупномасштабные вихревые структуры пограничного слоя, Первый и основной блок подразумевает разработку и отладку методов управления на модельных объектах, в том числе на основе панорамных оптических измерений и верифицированного численного моделирования. Результаты, получаемые в результате выполнения работ по первому блоку, будут использованы при проведении исследований в рамках остальных четырех блоков, которые посвящены апробации методов управления в условиях, приближенных к реальным энергетическим технологиям. При этом результаты, полученные в процессе апробации, будут использованы для выделения наиболее актуальных проблем в рамках рассмотрения модельных задач в рамках первого блока. В результате выполнения проекта будут созданы научные основы для разработки малоэмиссионных камер сгорания для энергетических и транспортных газотурбинных установок, соответствующих современным требованиям по экологичности и энергоэффективности. Существенная часть полученных в проекте результатов будет использована для улучшения технологий разработки наиболее сложных для проектирования узлов ГТУ и ГТД в сотрудничестве с индустриальным партнером - АО «ОДК-Авиадвигатель».

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Мулляджанов Р.И., Гелаш А.А. Direct scattering transform of large wave packets OPTICS LETTERS, Том: 44 Выпуск: 21 Стр.: 5298-5301 (год публикации - 2019)
10.1364/OL.44.005298

2. Палкин Е.В., Рыженьков В.О., Мулляджанов Р.И. DNS of heat transfer of the flow over a cylinder at Re = 200 and 1000 Journal of Physics: Conference Series, V.1382, 012028 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1382/1/012028

3. Рыженьков В.О., Абдуракипов С.С., Мулляджанов Р.И. The flow regimes of the annular swirling turbulent jet Journal of Physics: Conference Series, V.1359, 012012 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1359/1/012012

4. Пахомов М.А., Терехов В.И. The effect of droplets thermophysical properties on turbulent heat transfer in a swirling separated mist flow International Journal of Thermal Sciences, V.149, 106180 (год публикации - 2019)
10.1016/j.ijthermalsci.2019.106180

5. Ануфриев И.С., Шадрин Е.Ю., Копьев Е.П., Алексеенко С.В., Шарыпов О.В. Study of liquid hydrocarbons atomization by supersonic air or steam jet Applied Thermal Engineering, Volume 163, 114400 (год публикации - 2019)
10.1016/j.applthermaleng.2019.114400

6. Абдуракипов С.С., Лобасов А.С., Чикишев Л.М., Дулин В.М. Analysis of eigenmodes in a swirling jet and flame: 3D PIV and PLIF study Journal of Physics: Conference Series, V.1382, 012051 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1382/1/012051

Публикации

1. Архипов В.А., Матвиенко О.В.,Жуков А.С., Золоторев Н.Н. Convective Heat Transfer in a Rotating Hollow Cylinder with an End Wall Technical Physics Letters, Vol. 46, No. 7, pp. 703–706 (год публикации - 2020)
10.1134/S1063785020070159

2. Тимошевский М.В., Илюшин Б.Б., Первунин К.С. Statistical structure of the velocity feld in cavitating ﬂow around a 2D hydrofoil International Journal of Heat and Fluid Flow, 85, 108646 (год публикации - 2020)
10.1016/j.ijheatfluidflow.2020.108646

3. Гелаш А., Мулляджанов Р.И. Anomalous errors of direct scattering transform PHYSICAL REVIEW E, 101, 052206 (год публикации - 2020)
10.1103/PhysRevE.101.052206

4. Токарев М.П., Палкин Е.В., Мулляджанов Р.И. Deep Reinforcement Learning Control of Cylinder Flow Using Rotary Oscillations at Low Reynolds Number Energies, 13, 5920 (год публикации - 2020)
10.3390/en13225920

5. Мисюра С.Ю., Морозов В.С.,Гобызов О.А. The Influence of Surfactants, Dynamic and Thermal Factors on Liquid Convection after a Droplet Fall on Another Drop Applied Sciences, 10, 4414 (год публикации - 2020)
10.3390/app10124414

6. Мисюра С.Я., Морозов В.С., Гобызов О.А. Convection in Water Droplet in the Presence of External Air Motion Journal of Engineering Thermophysics, Vol. 29, No. 3, pp. 443–450. (год публикации - 2020)
10.1134/S181023282003008X

7. Пахомов М.А., Терехов В.И. RANS Simulation of the Effect of Pulse Form on Fluid Flow and Convective Heat Transfer in an Intermittent Round Jet Impingement Energies, 13, 4025 (год публикации - 2020)
10.3390/en13154025

8. Полетаев И., Токарев М.П., Первунин К.С. Bubble patterns recognition using neural networks: Application to the analysis of a two-phase bubbly jet International Journal of Multiphase Flow, 126, 103194 (год публикации - 2020)
10.1016/j.ijmultiphaseflow.2019.103194

9. Чертовских П.А., Середкин А.В., Гобызов О.А.,Стюф А.С., Пашкевич М.Г., Токарев М.П. An adaptive PID controller with an online auto-tuning by a pretrained neural network Journal of Physics: Conference Series, 1359, 012090 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1359/1/012090

10. Шишкин Н.Е., Терехов В.И. The effect of liquid phase temperature and concentration on gas‒droplet cooling efficiency International Journal of Heat and Mass Transfer, 53, 119639 (год публикации - 2020)
10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119639

11. Терехов В.И., Карпов П.Н., Назаров А.Д., Серов А.Ф. Unsteady heat transfer at impinging of a single spray pulse with various durations International Journal of Heat and Mass Transfer, 158, 120057 (год публикации - 2020)
10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120057

12. Сангадиев А.Л., Терехов В.В. Application of lattice Boltzmann method for studying interaction dynamics of parallel plane minijets Journal of Physics: Conference Series, 1565, 012069 (год публикации - 2020)
10.1088/1742-6596/1565/1/012069

13. Ануфриев И.С., Копьев Е.П., Алексеенко С.В., Шарыпов О.В., Бутаков Е.Б., Вигриянов М.C., Садкин И. Cleaner crude oil combustion during superheated steam atomization Thermal Science (год публикации - 2020)
10.2298/TSCI200509209A

14. Тимошевский М.В., Илюшин Б.Б., Первунин К.С. Turbulent Structure of Cavitating Flow: PIV Measurements over a Model of Guide Vane of Hydraulic Turbine Journal of Engineering Thermophysics, Т. 29. – №. 3. – С. 407-413 (год публикации - 2020)
10.1134/S1810232820030054

15. Поплавский С.В., Минаков А.В., Шебелева А.А., Бойко В.М. On the interaction of water droplet with a shock wave: Experiment and numerical simulation International Journal of Multiphase Flow, 127, 103273 (год публикации - 2020)
10.1016/j.ijmultiphaseflow.2020.103273

16. Козюлин Н.Н.,Хребтов М.Ю. Numerical investigation of the effect of coherent structures on adiabatic film cooling effectiveness of a flat plate Journal of Physics: Conference Series, 1677, 012016 (год публикации - 2020)
10.1088/1742-6596/1677/1/012016

17. Добросельский К.Г. Applying PIV to study a fluid flow in the vicinity of a circular streamlined cylinder Journal of Physics: Conference Series, 1421, 012015 (год публикации - 2020)
10.1088/1742-6596/1421/1/012015

18. Абдуракипов С.С., Добросельский К.Г. Экспериментальное исследование оптическим и статистическим методами крупномасштабных пульсаций потока при обтекании цилиндра Сибирский физический журнал, Т. 14. – №. 3. – С. 5-14. (год публикации - 2019)
10.25205/2541-9447-2019-14-3-5-14

19. Абдуракипов С.С., Дулин В.М. Анализ устойчивости прямоточных струй с градиентом плотности Сибирский физический журнал, Том 15, № 1 (год публикации - 2020)
10.25205/2541-9447-2020-15-1-62-79

Публикации

1. Ануфриев И.С., Шадрин Е.Ю., Копьев Е.П., Шарыпов О.В. Experimental investigation of size of fuel droplets formed by steam jet impact Fuel, Vol. 303. Art. No. 121183 (год публикации - 2021)
10.1016/j.fuel.2021.121183

2. Черданцев М.В., Исаенков С.В., Черданцев А.В., Маркович Д.М. Development and interaction of disturbance waves in downward annular gas-liquid flow International Journal of Multiphase Flow, 138: 103614 (год публикации - 2021)
10.1016/j.ijmultiphaseflow.2021.103614

3. Черданцев А.В., Исаенков С.В., Черданцев М.В., Маркович Д.М. The effect of high-frequency oscillations on the disturbance waves in annular flow International Journal of Multiphase Flow, 143: 103754 (год публикации - 2021)
10.1016/j.ijmultiphaseflow.2021.103754

4. Черданцев А.В., Здорников С.А., Черданцев А.В., Исаенков С.В., Маркович Д.М. Stratified-to-annular gas-liquid flow patterns transition in a horizontal pipe Experimental Thermal and Fluid Science, 132: 110552 (год публикации - 2022)
10.1016/j.expthermflusci.2021.110552

5. Черданцев А.В., Вожаков И.С., Исаенков С.В., Маркович Д.М. Modeling artificial secondary instability of thin wavy gas-sheared liquid film Interfacial Phenomena and Heat Transfer, 9(2): 1–11 (год публикации - 2021)
10.1615/InterfacPhenomHeatTransfer.2021040840

6. Зарипов Д.И., Иващенко В.А., Мулляджанов Р.И., Маркович Д.М., Ли Р., Калер Х.Д. Reverse flow phenomenon in duct corners at a low Reynolds number Physics of Fluids, 2021. – Vol. 33, № 8. – P. 085130 (год публикации - 2021)
10.1063/5.0055859

7. Зарипов Д.И., Иващенко В.А., Мулляджанов Р.И., Ли Р., Михеев Н.И., Калер Х.Д. On a mechanism of near-wall reverse flow formation in a turbulent duct flow Journal of Fluid Mechanics, 2021. – Vol. 923. – A20 (год публикации - 2021)
10.1017/jfm.2021.526

8. Бобров М., Хребтов М., Иващенко В., Мулляджанов Р., Середкин А., Токарев М., Зарипов Д., Дулин В., Маркович Д. Pressure evaluation from Lagrangian particle tracking data using a grid-free least-squares method Measurement Science and Technology, 2021. – Vol. 32, № 8. – 084014 (год публикации - 2021)
10.1088/1361-6501/abf95c

9. Зарипов Д. Problems of an experimental study of a reverse flow in the turbulent channel flow Journal of Physics: Conference Series, 2021. – Vol. 2057, № 1. – 012097 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2057/1/012097

10. Бобров М., Хребтов М., Иващенко В., Мулляджанов Р., Середкин А., Токарев М., Зарипов Д., Дулин В., Маркович Д. A grid-free least-squares method for pressure evaluation from LPT data Proceedings of the 14th International Symposium on Particle Image Velocimetry, 2021. – Vol. 1, № 1. – 3 p. (год публикации - 2021)
10.18409/ispiv.v1i1.72

11. Зарипов Д.И. Проблемы экспериментального исследования обратного течения в безградиентном турбулентном пограничном слое Материалы V Всероссийской научной конференции с элементами школы молодых ученых «Теплофизика и физическая гидродинамика», Август 2021, г. Севастополь, Республика Крым, с. 215, 247 (год публикации - 2021)

12. Иващенко В.А., Зарипов Д.И., Мулляджанов Р.И. Прямое численное моделирование явления обратного пристеночного течения в канале с квадратным поперечным сечением Материалы Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодых ученых «XXXVII Сибирский теплофизический семинар», Сентябрь 2021, г. Новосибирск, Россия, с. 13, 138 (год публикации - 2021)

13. Терехов В.И. Heat Transfer in Highly Turbulent Separated Flows: A review. Energies, 14, 1005, 24 (год публикации - 2021)
10.3390/en14041005

14. Терехов В.И., Пахомов М.А. Влияние формы импульсов на теплообмен в точке торможения нестационарной осесимметричной импактной струи Теплофизика высоких температур, 3, 59, 394–400 (год публикации - 2021)
10.31857/S0040364421030091

15. Пахомов М.А., Терехов В.В., Филиппов М.В., Чохар И.А., Шаров К.А., Терехов В.И. Структура течения в пристенной газовой завесе при ее вдуве через круглые отверстия, расположенные в поперечной траншее Теплофизика и аэромеханика, 3, 28, 331-341 (год публикации - 2021)

16. Первунин К.С., Тимошевский М.В., Илюшин Б.Б. Distribution of probability of the vapor phase occurrence in a cavitating flow based on the concentration of PIV tracers in liquid Experiments in Fluids, Vol. 62, pp. (247)-12 (год публикации - 2021)
10.1007/s00348-021-03344-y

17. Токарев Д., Тайлаков Д., Аблаев А. Digital platform for E&P Assets Business Process Optimization with a Module for Estimation and Optimizing of Greenhouse Gases Emissions. Case Study SPE Russian Petroleum Technology Conference, 64 (год публикации - 2021)
10.2118/206607-MS

18. Цваки Д.Д., Тайлаков Д.О., Павловский Е.Н. Development of water flood model for oil production enhancement Proceedings - 2020 Science and Artificial Intelligence Conference, S.A.I.ence 2020, 46-49 (год публикации - 2021)
10.1109/S.A.I.ence50533.2020.9303200

19. Панферов В., Тайлаков Д., Донец А. Recognition of Rocks Lithology on the Images of Core Samples Proceedings - 2020 Science and Artificial Intelligence Conference, S.A.I.ence 2020, 54-57 (год публикации - 2021)
10.1109/S.A.I.ence50533.2020.9303197

20. Добросельский К.Г. Penetration of vertical pulsed jets in crossflow at low velocity ratio JOURNAL OF PHYSICS: CONFERENCE SERIES, Vol. 2119, 012010 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2119/1/012010

21. Козюлин Н.Н., Бобров М.С., Хребтов М.Ю. Adjoint shape optimization of a duct for a wall jet film cooling setup Journal of Physics: Conference Series, 2119 (2021) 012018 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2119/1/012018

22. Шестаков М.В. Experimental study of flow dynamics of a sweeping jet in a slot channel IOP Publishing, 2119 012034–1–012034–5 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2119/1/012034

23. Шестаков М.В., Маркович Д.М. Трехмерная структура потока в ближнем следе за цилиндром в щелевом канале Теплофизика и Аэромеханика, том 28, № 6 С.807–812 (год публикации - 2021)

24. Северин А.С., Тимошевский М.В., Илюшин Б.Б., Первунин К.С. Statistical analysis of vapor distribution in a cavitation flow based on an ensemble of instantaneous liquid velocity fields Journal of Physics: Conference Series, Vol. 2119, pp. (012046)-5 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2119/1/012046

25. Иващенко В.А., Зарипов Д.И., Мулляджанов Р.И. The effect of Reynolds number on near-wall reverse flow in a turbulent duct flow Journal of Physics: Conference Series, J. Phys.: Conf. Ser. 2119 012032 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2119/1/012032

Публикации

1. Пахомов М.А., Терехов В.И. Влияние формы импульсов на теплоперенос в точке торможения нестационарной осесимметричной импактной газокапельной струи Инженерно-физический журнал, № 4, Том 95, с.1000-1005 (год публикации - 2022)
10.1007/s10891-022-02562-3

2. Пахомов М.А., Филиппов М.В., Чохар И.А., Терехов В.И. Исследование тепловой эффективности пристенной газовой завесы при вдуве через отверстия в поперечной траншее Теплофизика и аэромеханика, № 6, т. 29, с. 883-893 (год публикации - 2022)

3. Шестаков М.В., Маркович Д.М. Time-resolved tomographic PIV measurements in the near field of a confined wake Proceeding of Proceedings of CONV-22: Int. Symp. on Convective Heat and Mass Transfer June 5 – 10, 2022, Turkey, Proceedings of CONV-22: Int. Symp. on Convective Heat and Mass Transfer June 5 – 10, 2022, Turkey (год публикации - 2022)
10.1615/ICHMT.2022.CONV22.470

4. Шадрин Е.Ю., Садкин И.С., Копьев Е.П., Ануфриев И.С., Лещевич В.В., Шимченко С.Ю. Characteristics of a fuel spray atomized with a steam jet Thermophysics and Aeromechanics, T. 29, № 4, P. 609-616 (год публикации - 2022)
10.1134/S0869864322040102

5. Гобызов О.А., Рябов М.Н., Инжеваткин К.Г., Бильский А.В., Маркович Д.М. Planar laser-induced fluorescence measurement of the angular pattern of the cone-shaped spray EPJ Web of Conferences, 2022, V.269, pp. 01018 (год публикации - 2022)
10.1051/epjconf/202226901018

6. Лебедев А.С., Сорокин М.И., Маркович Д.М. Control of flow separation over a circular cylinder using synthetic jet Journal of Physics Conference Series, 2119 (2021) 012025 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2119/1/012025

7. Савицкий А.Г., Шараборин Д.К., Дулин В.М., Маркович Д.М. Исследование методом ЛИФ поля температуры за фронтом пламени дежурного факела модельного фронтового устройства газотурбинного типа Теплоэнергетика, т. 6 (год публикации - 2023)

8. Ничик М.Ю., Тимошевский М.В., Первунин К.С. Effect of an end-clearance width on the gap cavitation structure: Experiments on a wall-bounded axis-equipped hydrofoil Ocean Engineering, 254 (2022) 111387 (год публикации - 2022)
10.1016/j.oceaneng.2022.111387

9. Архипов В.А., Басалаев С.А., Золоторёв Н.Н., Перфильева К.Г., Поленчук С.Н., Усанина А.С. Влияние неизотермичности на динамику гравитационного осаждения одиночной твердой сферы при малых числах Рейнольдса Инженерно-физический журнал, № 6, т. 95, с. 1560-1567 (год публикации - 2022)

10. Шестаков М.В., Маркович Д.М. Исследование динамики крупномасштабных вихревых структур в колеблющейся струе, истекающей в щелевой канал Теплофизика и Аэромеханика, том 29, № 5, С. 785-791 (год публикации - 2022)