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 14-19-01777

НазваниеРазработка экспериментально-теоретической методологии исследования и прогнозирования свойств композиционных материалов, основанной на теории обратных задач и стохастических подходах

РуководительАлифанов Олег Михайлович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2014 г. - 2016 г.

Конкурс№1 - Конкурс 2014 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-201 - Процессы тепло- и массообмена

Ключевые словаТеплотехнические материалы, обратные задачи теплообмена, прогнозирование свойств материалов, итерационная регуляризация

Код ГРНТИ89.25.00

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Для современной космической и аэрокосмической техники характерны конструкции, работающие в условиях интенсивных, часто экстремальных тепловых воздействий. Общая тенденция развития техники связана с увеличением числа ответственных теплонагруженных технических объектов, с ужесточением условий их теплового нагружения при одновременном повышении надежности и ресурса, снижении материалоемкости. Для космических аппаратов и многоразовых транспортных систем обеспечение тепловых режимов является одним из важнейших разделов проектирования, определяющим основные проектно-конструкторские решения. Характерными особенностями современных теплонагруженных конструкций космической техники являются нестационарность, нелинейность, многомерность и сопряженный характер процессов тепломассообмена. Эти особенности ограничивают возможность использования многих традиционных расчетно-теоретических и экспериментальных методов исследований. В течение длительного времени при создании новых образцов техники большое внимание уделялось композиционным материалам теплотехнического назначения, наибольший интерес среди которых представляют материалы, обладающие экстремальными свойствами - суперизоляторы и супертеплопроводящие композиты, например, высокоплотные композиционные материалы типа углерод-углерод, углерод- керамика; высокопористые теплоизоляторы, выполненные из волокон или микросфер; легкие аэрогели и др. Современные подходы к созданию таких материалов предполагают широкое применение методов математического и физического моделирования. Однако проведение математического моделирования невозможно без достоверной информации о характеристиках (свойствах) анализируемых объектов. В большинстве практических случаев прямое измерение теплофизических свойств материалов (особенно сложного состава) является невозможным. Единственным путем, позволяющим преодолеть эти сложности является непрямое измерение. Математически подобный подход обычно формулируется как решение обратной задачи: по прямым измерениям состояния системы (температуры, концентрации компонентов и т.д.) определить свойства анализируемой системы, например, теплофизические характеристики материалов. Нарушение причинно-следственных связей в постановке таких задач приводит к их некорректности в математическом смысле (т.е. отсутствию существования и/или единственности и/или устойчивости решения). Поэтому для решения подобных задач разрабатываются специальные методы, обычно называющиеся регуляризирующими. Окончательной целью данной работы является разработка комплекса технических и методических средств системы идентификации и прогнозирования свойств теплотехнических материалов. Достижение этой цели связано c a) применением методов математического моделирования, позволяющих анализировать и прогнозировать работу элементов конструкций в составе технического объекта. б) применением современных высокоэффективных методов и средств идентификации базирующихся на аппарате обратных задач теплообмена. в) реализацией указанных методов и средств в виде экспериментально-вычислительной системы, позволяющей оперативно анализировать теплофизические эксперименты и оценивать тепловое состояние конструкций. Успешное решение этой проблемы возможно только при учете ее физических, математических и технических аспектов. При этом необходимо решить следующие задачи: - разработать вычислительные алгоритмы и программное обеспечение для решения задач определения характеристик теплотехнических материалов в условиях нестационарного нагрева на основе решения обратных задач теплообмена; - разработать средства измерений (включая, датчики температуры, тепловых потоков и др); - разработать и изготовить прототип автоматизированной системы (АС) идентификации математических моделей теплообмена; - модернизировать технические средства тепловакуумных стендов ТВС-1 и ТВС-2 (включая модернизацию электромеханического оборудования и аппаратно-программных средств АС стенда, а также разработку специальных экспериментальных модулей); - разработать методики подготовки и проведения тепловых испытаний для экспериментальной отработки создаваемых технических и методических средств диагностики тепловых режимов; -- разработать методы прогнозирования свойств перспективных теплотехнических материалов; провести экспериментально-расчетные исследования на по отработке технических и методических средств разрабатываемых технологий.

Ожидаемые результаты
Будут разработаны и внедрены в практику теплофизических исследований и тепловых испытаний разрабатываемых композиционных материалов - методы, алгоритмы и программы моделирования, прогнозирования и идентификации процессов тепломассообмена в композиционных материалах, основанные на решении обратных задач теплообмена; - высокоточные средства теплотехнических измерений и автоматизированная система сбора и обработки экспериментальной информации; - алгоритмы и программы, реализующие методы идентификации свойств материалов; - вычислительно - экспериментальные исследования перспективных составов и структур композиционных материалов. Ожидаемые результаты могут быть эффективно использованы при разработке и отработке композиционных материалов в космической технике, тепловой и ядерной энергетике, черной и цветной металлургии, машиностроении, химической промышленности, промышленности строительных материалов, криогенной технике, медицине, в частности: - для гибкой тепловой защиты, возвращаемых космических аппаратов; - высокоплотной керамической теплоизоляции и тонкопленочных оксидных покрытий нагревательных элементов для печей выплавки цветных металлов (никеля, меди, алюминия); - ультралегковесных материалов на основе оксидов кремния и алюминия для изготовления криогенных контейнеров хранения и транспортировки медпрепаратов и биологически активных веществ; а также при: - исследование теплофизических свойств легковесных керамических материалов для изготовления теплоизоляции печей нагрева заготовок деталей в машиностроении, материалов из экологически чистого сырья для изготовления пожаробезопасных, высокотемпературных элементов конструкций зданий и буровых платформ; - диагностике состояния керамических трубопроводов и газоводов химических установок; - определении характеристик керамической теплозащиты активной зоны ядерных реакторов электростанций в условиях их реальной эксплуатации; - анализе характеристик и выбор материалов для изготовления высокостойких керамических форсунок камер сгорания энергетических установок; - исследовании теплофизических свойств сверхпроводников на основе плавки оксидов и их композиций в холодном тигле; - определение свойств керамических безусадочных масс для высокоточного литья металлов. Таким образом, реализация проекта позволит значительно расширить сведения о свойствах используемых и вновь разрабатываемых материалов, даст возможность внедрить новые эффективные теплозащитные и теплоизоляционные материалы и изделия из них, освоить новые энергосберегающие технологии. Разрабатываемая методология исследований позволит: - на единой теоретической основе решать комплекс проблем, возникающих при проектировании и отработке теплонагруженных систем, конструкций и материалов; - максимально учесть реально существующие эффекты нестационарности, нелинейности и многомерности тепломассообменных процессов, протекающих в материалах и на поверхности конструкций, что существенно увеличит точность и достоверность результатов исследований; - увеличить информативность экспериментов и испытаний, обеспечить возможность их проведения в условиях, максимально приближенных к натурным; - с высокой точностью определять свойства новых материалов в широком диапазоне изменения температур, давлений и темпов нагрева, что ускорит внедрение перспективных материалов; - значительно сократить объем необходимых экспериментальных исследований и испытаний, и как следствие, снизить затраты средств и времени на разработку образцов техники. По результатам выполнения проекта планируется 1 монография и 12 статей.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2014 году
Исследования направлены на решение проблемы создания высокоточных теоретических и экспериментальных методов определения, исследования и прогнозирования теплофизических и иных свойств перспективных высокотемпературных материалов для авиационной и ракетно-космической техники. На данном этапе исследовался механизм формирования погрешности экспериментальных данных при исследовании теплофизических свойств ряда материалов с помощью контактных датчиков температуры. Для этого на основе разработанной физической модели процессов теплообмена в слое высокопористой теплозащиты аэрокосмического аппарата были спланированы и проведены на тепловакуумном стенде тепловые испытания образцов эталонного не разрушающегося волокнистого материала. Рассматривались широкий диапазон изменения температуры и режимы нагрева образцов, близкие к реализуемым в условиях эксплуатации. Для эксперимента специально была разработана оригинальная методика, при его подготовке был реализован ряд новых конструкторско-технологических решений. На основе разработанных математической модели процесса радиационно-кондуктивного теплообмена в образцах частично прозрачных высокотемпературных неметаллических материалов, оригинальных высокоточных численных методов проведено моделирование поля температуры в образцах. Проведен сравнительный анализ результатов математического моделирования и экспериментального исследования, который позволил исследовать механизм формирования методических погрешностей в показаниях контактных датчиков температуры, применяемых в испытаниях высокопористых теплозащитных материалов. Установлены основные факторы, влияющие на методические погрешности термопарных измерений, а так же даны некоторые рекомендации по способам их компенсации. Проанализированы существующие математические модели теплопереноса и термохимической кинетики, описывающие тепловые процессы, происходящие при нагреве разлагающегося многокомпонентного полимерного материала. Разработан алгоритм численного решения обратной задачи теплопереноса в разлагающемся материале по определению комплекса из четырех нелинейных коэффициентов уравнения теплопереноса. Проведена модернизация технических средств измерительного комплекса для проведения тепловакуумных испытаний образцов.

Публикации

1. Alifanov O.M., Albano M., Nenarokomov A.V., Delfini A., Budnik S.A., Marchetti M., Titov D.M. Low orbit environment effects on Carbon/SiC composites: experimental and numerical approach. 65th International Astronautical Congress, Paper ID: 26186 (год публикации - 2014)

2. Nenarokomov A.V., Alifanov O.M., Dombrovsky L.A., Budnik S.A., Krainova I.V. Heat transfer in vacuum thermal insulation of space vehicles: an experimental estimate vs theoretical prediction Proceedings of the 15th International Heat Transfer Conference, IHTC-15 August 10-15, 2014, Kyoto, Japan, paper # IHTC15-9822 (год публикации - 2014)

3. Алифанов О.М., Иванков А.А., Нетелев А.В., Финченко В.С. Применение аэроупругих устройств с гибкой тепловой защитой для торможения аппаратов в атмосфере планет Тепловые процессы в технике, 2014. Т.6., №7, С.301-301 (год публикации - 2014)

4. Алифанов О.М., Черепанов В.В., Моржухина А.В. Математическое моделирование ультрапористых неметаллических сетчатых материалов Инженерно-физический журнал / Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2015г. №1 (год публикации - 2015) https://doi.org/10.1007/s10891-010-0396-1

5. Алифанов О.М., Черепанов В.В., Моржухина А.В. Высокоточный численный метод для верификации данных экспериментального исследовании теплового состояния образцов Тепловые процессы в технике, 2014. Т. 6. № 12. С.560-566. (год публикации - 2014)

6. Алифанов О.М., Черепанов В.В. Методы исследования и прогнозирования свойств высокопористых теплозащитных материалов. Москва: Издательство МАИ, 276с. (год публикации - 2014)

7. Алифанов О.М., Будник С.А., Ненарокомов А.В., Нетелев А.В. Диагностика теплового воздействия на лобовой экран спускаемого аппарата методом обратных задач Шестая Российская национальная конференция по теплообмену. Тезисы докладов. 27-31 октября 2014г., Моска: Издательский дом МЭИ. Т.1, С. 165-166 (год публикации - 2014)

8. Моржухина А.В. Моделирование термопарных измерений при испытании теплозащитных материалов и покрытий летательных аппаратов Шестая Российская национальная конференция по теплообмену. Тезисы докладов. 27-31 октября 2014г., Моска: Издательский дом МЭИ. Т.1, С. 79-80 (год публикации - 2014)

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
1.Разработано программное обеспечение моделирования теплопереноса в современных композиционных материалах, используемых в теплонагруженных элементах конструкции на основе методик, разработанных в первом году работ по проекту. Рассмотрены процессы переноса излучения в элементе, состоящем из двух экранов и волокнистого разделителя между ними. Получено выражение для определения потока излучения через такой элемент, учитывающее отражение и пропускание излучения высокопористого волокнистого разделителя, определяемые на основании теории независимости рассеяния и теории Ми для бесконечного однородного цилиндра, а также данных о дисперсном составе волокнистого материала. В предположении, что материалом экранов ЭВТИ является алюминий, учтено также наличие возможной оксидной пленки на его поверхности и оценено влияние такой пленки на излучательную способность алюминиевой фольги. Показано, что наличие слоя оксида приводит к значительному увеличению потока теплового излучения через слой ЭВТИ. Предложена математическая модель теплопереноса в ЭВТИ с учетом влияния волокнистого разделителя между слоями. 2. Разработана методика проведения теплофизических экспериментов. Спроектированы и изготовлены опытные образцы и экспериментальные модули. Разработанная модель теплопереноса через слой ЭВТИ апробирована путем сравнения результатов моделирования процессов теплообмена в образце ЭВТИ с результатами тепловых испытаний образцов, имитирующих элементы ЭВТИ. Результаты сравнения расчетных значений плотностей тепловых потоков свидетельствуют о достоверности предложенной модели. 3. Проведение экспериментальных исследований по определению теплофизических свойств композиционных материалов. Составлена математическая модель теплообмена в ЭВТИ, учитывающая наличие разделительных слоев между экранами. Показано, что теоретический прогноз достаточно точно соответствует результатам измерений температуры, что позволяет использовать разработанную математическую модель для анализа тепловых процессов в ЭВТИ. 4. Разработан обобщенный итерационный алгоритм решения обратных задач для систем с сосредоточенными параметрами, который охватывает и случай идентификации предложенной модифицированной математической модели ЭВТИ. Получены аналитические выражения для вычисления градиента функционала невязки с использованием краевой задача для сопряженной переменной. Также получена краевая задача для вариации температуры, позволяющая получить линейную оценку глубины спуска. 5. Разработанный алгоритм и результаты вычислительного эксперимента используются для восстановления спектральной излучательной способности нагреваемой керамической ткани. Показано, что предложенный алгоритм позволяет вычислять искомую величину с достаточно высокой точностью. При этом минимальный набор параметров аппроксимации обеспечивает лучшую точность и стабильность решения обратной задачи. 6. Рассмотрены перспективные варианты исполнения разделительных слоев ЭВТИ. Показано, что хорошим решением для уменьшения теплового потока без увеличения веса ЭВТИ является использование высокопористых волокнистых разделителей из кварцевых волокон, покрытых нано слоем алюминия. В частности, использование плотных разделителей из алюминизированных кварцевых волокон, приводит к значительному (до двух раз) уменьшению плотности теплового излучения через слой ЭВТИ.

Публикации

1. Ненарокомов А.В., Домбровский А.В., Крайнова И.А., Алифанов О.М., Будник С.А. Identification of radiative heat transfer parameters in multilayer thermal insulation of a spacecraft Int. J. Numer. Meth. Heat Fluid Flow, - (год публикации - 2016)

2. Алифанов О.М., Черепанов В.В. Методы исследования и прогнозирования свойств высокопористых теплозащитных материалов Издательство МАИ, Москва, Издательство МАИ, Москва (год публикации - 2015)

3. Alifanov O.M., Chereanov V.V., Morzhukhina A.V. Highly porous thermal protection materials: modeling and prediction of the methodical experimental errors Proceedings of 66th International Astronautical Congress (12 -16 October/Jerusalem, Israel), IAC-15-C2.8.4, 2015, pp. 6655-6660 (год публикации - 2015)

4. Alifanov O.M., Nenarokomov A.V., Salosina M.O. Optimal Design of Multi-Layer Thermal Protection of Solar Probe. ).- Silesian TU Publ., Gliwice, Poland, Proceedings of International Conference Numerical Heat Transfer (Evrotherm Seminar N109, 27-30 September 2015, Warsaw, Poland) (год публикации - 2015)

5. Alifanov О.М. Inverse Methods in Identification and Modeling of Thermal Processes in Aerospace Materials and Structures: Theory and Practice Proceedings of 66th International Astronautical Congress (12 -16 October/Jerusalem, Israel), IAC, paper №31630, 10p. (год публикации - 2015)

6. M. Albano, O.M.Alifanov, A. Delfini, A.V.Nenarokomov, D.M.Titov, S.A.Budnik, M. Marchetti Properties of Carbon and SiC foams as insulator for space thermal protection systems Proceedings of 66th International Astronautical Congress (12 -16 October/Jerusalem, Israel), IAC-15-C2.4.4, 2015, 10p. (год публикации - 2015)

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Разработана эффективная объединенная математическая модель, позволяющая исследовать широкий спектр характеристик высокотемпературных неметаллических ультрапористых материалов и физических процессов, происходящих в них на различных пространственных масштабах, проведены тесты спектральной части модели, подтверждающие ее адекватность. С ее помощью проведено исследование ряда локальноспектральных свойств элементов важного класса ультрапористых материалов. Расчеты подтвердили полученные ранее зарубежными коллегами выводы о том, что угловая плотность вероятности рассеяния фрагментами материала может быть качественно аппроксимирована классическими распределениями. Однако оказалось, что для угловой плотности вероятности материала в целом они не справедливы. Для нее предложены распределения нового типа, расширяющие класс модельных индикатрис. Экспериментально исследованы образцы высокопористого ячеистого стеклоуглерода и пены карбида кремния. В проведенных исследованиях изучены теплофизические свойства ультрапористых композиционных материалов и доказана возможность их использования в качестве теплоизоляционного материала в перспективных космических аппаратах, в том числе и спускаемых на поверхность планет. Построена адекватная математическая модель, имитирующая условия прогрева образца материала при спуске в атмосфере планеты. Основываясь на результатах тепловакуумных тестов и решения соответствующей обратной задачи теплообмена были восстановлены теплофизические характеристики указанных материалов, такие как теплопроводность и объемная теплоемкость. Путем сравнительного анализа полученных характеристик были сделаны следующие выводы: - Пена на основе карбида кремния (SiC) является более подходящей для использования в аэрокосмической технике, так как ее теплофизические свойства оказались наиболее высокими. - Ультрапористый стеклоуглерод ы и пены на основе карбида кремния имеют более стабильное поведение при более низких значениях коэфициента термического расширения. - У пены на основе карбида кремния результаты термического анализа показали немного более высокую теплопроводность, а также более высокую теплоемкостью. Это делает пену карбида кремния пригодной для высокотемпературных применений и для использования в качестве ядра сэндвич-панелей.

Публикации

1. Алифанов О.М., Будник С.А., Ненарокомов А.В., Нетелев А.В., Титов Д.М. Датчики тепловых потоков, интегрируемые в конструкцию теплозащитных покрытий Инженерно-физический журнал / Journal of Engineering Physics, - (год публикации - 2017)

2. Черепанов В.В. Имитационное исследование индикатрисы рассеяния и других спектральных свойств аэрокосмических ультрапористых теплозащитных материалов Тепловые процессы в технике, Т.8, №4, С. 167-180 (год публикации - 2016)

3. Черепанов В.В., Алифанов О.М. Modeling of spectral properties and the phase scattering function for a lightweight heat protection spacecraft materials. Journal of Heat Transfer, №3, Т.139, 9 стр. (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1115/1.4034814

4. Черепанов В.В., Алифанов О.М., Моржухина А.В., Будник С.А. Highly porous thermal protection materials: Modelling and prediction of the methodical experimental errors Acta Astronautica, Vol. 128, pp. 392–400 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2016.07.033

5. Черепанов В.В., Алифанов О.М. Идентификация свойств и возможности расширенных математических моделей ультрапористых высокотемпературных аэрокосмических материалов Тезисы докладов и сообщений. XV Минский международный форум по тепло- и массообмену 23 – 26 мая 2016 г., Том 2. С. 454-456 (год публикации - 2016)

Возможность практического использования результатов
не указано