КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 19-79-30075

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

РуководительМаркович Дмитрий Маркович, Доктор физико-математических наук

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

Годы выполнения при поддержке РНФ 2019 - 2022 

КонкурсКонкурс 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

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

Ключевые словаПовышение 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».

Ожидаемые результаты
На основе цикла комплексных научных исследований, выполненных с помощью современных методов экспериментальной диагностики, взаимодополняемых физико-математическим и численным моделированием, планируется создать научно-технический задел по интеллектуальному управлению многомасштабными процессами турбулентного переноса импульса, тепла и массы, а также взаимодействия турбулентности и дисперсной фазы, химического реагирования и внешних нестационарных возмущений в современных энергетических технологиях на основе искусственных нейронных сетей и машинного обучения. Данный задел ляжет в основу развития современных энергетических технологий, к которым на настоящем этапе предъявляются все более серьезные требования по экологичности и эффективности. Для ряда одно- и двухфазных турбулентных течений, как канонических, так и близких к реальным в энергетическом оборудовании будет изучена способность современных методов искусственного интеллекта и машинного обучения эффективно управлять сложными многомасштабными процессами переноса в турбулентных течениях при неполной информации или отсутствии законченной математической модели явлений. Будет реализован потенциал широкого спектра уже известных подходов к моделированию турбулентности – от прямого численного моделирования, LES (метод крупных вихрей), стационарных и нестационарных модификаций RANS (замыкание осреднённых по Рейнольдсу уравнений) до методов понижения размерности стохастических динамических систем (POD, DMD) и формирования признакового пространства – для их использования при синтезе систем эффективного управления энергетическими процессами, связанными с наличием турбулентных потоков. Эффективность интеллектуальных методов управления будет исследована для: - модельной камеры сгорания газовой турбины, в том числе при высоких давлениях; - форсунки, диспергирующей жидкое топливо в турбулентном факеле; - турбулентного кавитационного обтекания гидропрофиля с управляющими вдувом/отсосом и наложенными электрическими полями; - двухфазными газокапельными потоками в трубах и каналах, в том числе при наличии волновых процессов на плёнке жидкости на стенках; - тепловой защиты модельной лопатки газовой турбины с помощью пристенной тепловой завесы с помощью управляющих воздействий на крупномасштабную вихревую структуру пограничного слоя. Полученные результаты будут в полной мере соответствовать мировому уровню, опубликованы в ведущих высокорейтинговых изданиях, представлены на наиболее значимых международных конференциях. В результате выполнения проекта будут созданы научные основы для разработки малоэмиссионных камер сгорания для энергетических и транспортных газотурбинных установок, соответствующим 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


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Разработаны программные реализации алгоритмов управления модельными течениями основанные на оптимальном управлении и управлении с использованием машинного обучения с подкреплением. Модифицирован пакет расчета гидродинамики TFlowsS для возможности моделирования течений в режиме с активным управлением с обратной связью. Пакет протестирован на расчетной задаче снижения силы аэродинамического сопротивления при обтекании цилиндра (2D LES, Re=100). Получены данные для коэффициента лобового сопротивления и подъемной силы для синусоидального во времени возмущения – вращательных колебаний стенки цилиндра вокруг своей оси. Показана высокая эффективность данного метода управления для высоких чисел Рейнольдса. По данным прямого численного моделирования распространения затопленной струи газ, вытекающей в газ другой плотности, был произведен анализ координаты распространения фронта струи в сравнении с литературными данными. Для целей разработки трёхжидкостной континуальной модели для концентрации, скорости и напряжений Рейнольдса инерционных частиц в пристенной зоне турбулентного течения, предложен простой вариант учёта неравновесности функции плотности вероятности скорости частицы с помощью подхода использующего двухжидкостную континуальную модель переноса напряжений Рейнольдса Л.И.Зайчика и известный в вычислительной гидродинамике (CFD) метод пристеночных функций для концентрации и второго момента скорости частиц, учитывающих их разделение на две группы: диффузионных и баллистических. Разработана математическая модель для описания теплообмена в нестационарных газокапельных струях при их взаимодействии с импактной поверхностью преграды. Проведено моделирование турбулентных импульсных импактных газокапельных струй, получены зависимости коэффициента теплообмена от расхода жидкой фазы при вариации продолжительности импульса, диаметра капель и их массовой доли. Показано согласие между данными моделирования и эксперимента в режимах с малым временем импульса и отличие при большом времени, установлены причины такого рассогласования. Показано, что поперечная пульсирующая струя является эффективным смесителем, поскольку она захватывает больше жидкости, чем обычная струя. Эксперименты по визуализации течения с круглыми турбулентными струями в поперечном потоке показали, что в структуре поперечной струи преобладает образование криволинейного сдвигового слоя, состоящего из отдельных вихревых петель вокруг струи в ближнем поле. В работе апробирован подход машинного обучения для решения задачи прогнозирования предотказных и аварийных состояний авиадвигателей. На основе баз данных эксперимента NASA проведено исследование математических моделей многоклассовой классификации режимов работы авиадвигателей и регрессии числа рабочих циклов до отказа. Протестированы различные семейства алгоритмов: от линейных до нейросетевых алгоритмов. Показана эффективность предлагаемого подхода, разработаны оптимальные прогнозные модели, доступные в виде фреймворка. Получены распределения турбулентных характеристик изотермического и реагирующего потока в модельной камере ГТУ. Проведена декомпозиция мгновенных полей скорости POD для различных режимов течения, которая указала на наличие глобальной моды, соответствующей прецессирующему вихревому ядру с сильными пульсациями давления. Исследована связь этой структуры и распределения CO и NOx в продуктах горения при значительном избытке воздуха и атмосферном давлении. В рамках проекта разработаны и усовершенствованы подходы для качественной и количественной диагностики распыла топлива форсунками ГТД. На образце топливной форсунки ГТД проведены предварительные исследования, получено описание структуры факела распыла и характеристик спрея. Кроме того, предложены способы модуляции подачи рабочей жидкости и воздействия на факел распыла для реализации методов управления на последующих этапах проекта. Разработана математическая модель и методика расчёта распыла, на основе комбинированного эйлерово-лагранжева подхода, основанная на моделировании потока жидкости внутри сопла и вблизи него на базе Эйлерового VOF метода, а образующуюся на удалении от сопла дисперсную среду – при помощи Лагранжевого метода дискретных частиц. Методика расчета распыла валидирована по данным прямого численного эксперимента. Показано, что использование LES модели турбулентности позволяет более корректно описывать распыл жидкой фазы по сравнению с гибридной RANS/LES моделью турбулентности. Наблюдается хорошее совпадение по характеристикам потока и дисперсной фазы, а также по границе раздела газа и жидкости. Проведено экспериментальное исследование восприимчивости обдуваемых газом пленок жидкости к наложенным гармоническим возмущениям. Исследован диапазон среднерасходных скоростей газа от 0 до 100 м/с и чисел Рейнольдса жидкости от 30 до 400, частота возбуждения варьировалась от 20 до 100 Гц. Показано, что наложенные возмущения существуют на протяжении некоторого расстояния от входа в канал и разрушаются вследствие слияний волн. Это расстояние слабо снижается с увеличением расхода жидкости и сильно - с увеличением скорости обдува. В экспериментах на немодифицированной модели направляющей лопатки с тупой задней кромкой (без устройства управления) была проведена высокоскоростная визуализация паровых каверн и измерены двумерные распределения скорости течения методом стробоскопической трассерной визуализации для различных условий течения по углу атаки и числу кавитации. В результате была составлена карта режимов кавитационного обтекания, проведен анализ зарождения и развития паровых каверн, их пространственной структуры и эволюции, исследовано влияние режима кавитационного обтекания на гидродинамические характеристики течения. На основе углубленного анализа литературы была определена оптимальная конструкция управляющего устройства в методе управления течением на основе периодического воздействия с помощью наложения внешнего электромагнитного поля (количество электродов, их геометрические размеры и взаимное расположение). Проведено численное моделирование в задаче обтекания гидропрофиля при высоких числах Рейнольдса для до- и кавитационных режимов. Была исследована динамика срыва кавитационного облака, частотные характеристики которого хорошо согласуются с данными визуализации из эксперимента. Предложена модификация сопла для завесного охлаждения плоской пластины, с каналом подвода охладителя содержащим изгиб и уступ. Наличие зоны рециркуляции в подобном сопле приводит к формированию когерентных структур, с возможностью управления частотой их схода. Расчеты показывают, что данная конфигурация может приводить к улучшениям тепловой эффективности охлаждения, и улучшает равномерность охлаждения в горизонтальной плоскости.

 

Публикации

1. 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).

2. 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).

3. 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).

4. 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).

5. 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).

6. 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).


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
С использованием современных методов экспериментальной диагностики, физико-математического и численного моделирования, в 2020 году в рамках проекта получены важные научные результаты о возможностях применения методов анализа больших массивов данных и машинного обучения для реализации эффективных методов управления тепломассопереносом в потоках, реализующихся в энергетическом оборудовании. В частности, акцент сделан на возможности управления развитием гидродинамической неустойчивости, интенсивностью тепломассопереноса и теплообмена, диспергирования и смесеобразования топлива, значительного влияния управляющих параметров на локальную скорость фазовых превращений (включая кавитацию) и горение. - Развита предложенная ранее схема управления течением в следе за цилиндром, основанная на наложении вращательных осцилляций цилиндра. Инструментом являлась совместная работа кода вычислительной гидродинамики T-Flows и нейронной сети OpenAI: baselines. Апробация такого метода управления с обратной связью была проведена на ламинарном течении при малых числах Рейнольдса (Re = 100). Определены критерии эффективного управления сопротивлением при помощи различных методов наложения внешних вращательных осцилляций. - Проведено прямое численное моделирование (DNS) импульсной струи воздуха, истекающей в пространство, заполненное гелием. Проанализировано влияние отношения плотностей смешивающихся газов на скорость распространения фронта струи. Изучено влияние начального входного профиля скорости на эволюцию течения. С использованием современных оптико-информационных методов диагностики выполнена серия экспериментов по исследованию влияния многомодового возбуждения на динамику вихревых структур на начальном участке затопленной струи жидкости. Частота периодического воздействия на двух гармониках выбрана так, чтобы основная гармоника соответствовала собственной частоте неустойчивости струи - значению числа Струхаля 0,5, а вторая частота обеспечивала низкочастотную модуляцию амплитуды сигнала. Кроме того, исследована эффективность многомодового возбуждения расхода струи топлива на возможность интенсификации смешения струи с окружающим воздухом и его влияние на процесс горения. - Экспериментально исследована динамика прямоточной газовой струи в поперечном потоке воздуха в условиях периодического возмущения расхода. Показано, что вертикальная пульсирующая струя в поперечном потоке является эффективным смесителем, поскольку захватывает больше окружающего газа, чем струя в стационарных условиях. Была изучена эффективность работы струйного осциллятора как инструмента управления потоком. Установлено, что в сносящем потоке он является эффективным устройством для внесения периодических возмущений в поток без использования механических подвижных деталей или модуляции расхода. В результате сравнения с данными исследования прямоточной струи в сносящем потоке, даже в условиях модуляции её расхода, струйный осциллятор демонстрирует значительно большую эффективность по интенсивности тепломассобмена между струей и основным потоком. Проведено моделирование воздействия устройства на базе барьерного разряда (ДБР-актуатора) на пристенную струю газовой завесы. Было обнаружено, что воздействие электрическими импульсами на выделенной частоте, близкой к одной из собственных частот струи, приводит к существенному уменьшению зоны рециркуляции и подавлению отрыва, при мощности воздействия незначительной по сравнению с потоком кинетической энергии струи. - Разработана гибридная модель переноса концентрации частиц, основанная на совместном применении диффузионно-инерционной модели в ядре потока и трёхжидкостной континуальной модели для концентрации и напряжений Рейнольдса частиц в пристенной зоне, учитывающей степенную зависимость для концентрации частиц у стенки, связанную с явлением кластеризации инерционных частиц. Предложено новое граничное условие типа пристеночной функции для рейнольдсовых напряжений частиц. Разработанная модель дает более реалистичные результаты для высокоинерционных частиц, адекватно воспроизводя пристенный пик концентрации частиц в вязком подслое у стенки. Выполнено численное моделирование влияния формы импульсов (прямоугольная, треугольная и гармоническая) на теплообмен в точке торможения импактной пульсирующей газокапельной струи (спрея). Для описания динамики и теплопереноса импульсного осесимметричного течения применялась система нестационарных осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье–Стокса (URANS). Турбулентность несущей фазы описывалась с помощью модели переноса компонент рейнольдсовых напряжений. Показано, что в нестационарной импактной струе возможно как увеличение, так и подавление теплообмена по сравнению со стационарным течением для всех исследованных форм следования импульсов. Увеличение числа Рейнольдса вызывает снижение параметра интенсификации теплообмена, и данные для всех частот приближаются к стационарному режиму течения. Интенсификация теплообмена обусловлена вкладом испарительного охлаждения, который в свою очередь зависит от термического сопротивления жидкой пленки. Взаимодействие этих факторов, противоположно влияющих на пристенный тепломассоперенос, вызывает локальный экстремум в зависимости параметра эффективности от длительности импульса подачи спрея. Показано, что длительностях импульса около 10 мс наблюдается максимум коэффициента тепловой эффективности спрея. - Методами PIV/PLIF проведено детальное исследование смесеобразования и горения в модельной камере сгорания ГТУ (при значительном избытке воздуха) в условиях резонансных пульсаций давления, вызывающих модуляцию расхода топлива. Для идентификации когерентных структур в потоке данные обработаны методом POD. Проведена скоростная визуализация интенсивности хемилюминесценции (OH*) в модельной камере сгорания ГТУ с одновременной регистрацией пульсаций давления и измерением концентрации CO и NOx в продуктах горения на выходе из камеры. Установлено, что в камере сгорания без выходного сопла имеют место пульсации давления, вызванные прецессиией вихревого ядра потока, сопряженные с вращением крупномасштабных винтовых вихрей вокруг оси камеры сгорания. Данная мода неустойчивости соответствовала первой азимутальной моде и числу Струхаля 0,75. Аналогичные результаты были получены в результате математического моделирования методом LES: в отсутствие дежурного факела в потоке характерно наличие присоединенной к завихрителю рециркуляционной зоны и наличие прецессирующего вихревого ядра. В условиях резонанса пульсаций давления и расхода топлива, при наличии поджатия на выходе камеры сгорания с узким выходным соплом, в потоке были зафиксированы интенсивные пульсации интенсивности излучения OH*, соответствующие нулевой азимутальной моде. Они были вызваны модуляцией расхода топлива через топливные каналы и, соответственно, периодическому изменению соотношения топливо/окислитель, поступающей в камеру частично перемешанной смеси. Обратная связь в таком резонансом режиме горения обусловлена пульсациями тепловыделения и, соответственно пульсациями плотности, вызывающими пульсации давления. - В рамках проекта разработан стенд для исследования методов управления распылом жидкости за счёт акустических возмущений. Исследованы подходы для количественной панорамной диагностики дисперсного состава спрея на основе лазерно-индуцированной флуоресценции и упругого рассеяния излучения на каплях. На образце модельной топливной форсунки проведены предварительные исследования структуры факела распыла при воздействии акустических возмущений. Разработана методика нестационарного расчёта распыла, на основе комбинированного эйлерово-лагранжева подхода. Поток жидкости в сопле и начальной области струи описывается при помощи Эйлерова подхода (VOF), а образовавшиеся капли далее моделируются с использованием метода Лагранжа. Методика нестационарного расчета распыла с режимом модуляции расхода была валидирована по данным эксперимента распыла кольцевой струи воды с сопутствующими воздушными потоками. На основе метода теневой фотографии, высокоскоростной визуализации с использованием длиннофокусного макроскопического объектива изучены характеристики капель различных видов топлива, распыляемого струей перегретого водяного пара. Впервые проведена визуализация процесса распада разных типов жидкого углеводородного топлива при взаимодействии со сверхзвуковой газовой струей. Также впервые показана возможность эффективного диспергирования керосина паровой струей, такой метод может быть использован при проектировании перспективных газотурбинных двигателей. - Для дисперсно-кольцевого течения проведено исследование изменения записей толщины пленки вблизи режимной границы начала срыва капель. Показано, что в этой зоне резко повышается крутизна фронтов волн, что приводит к появлению мнимых пиков высокой интенсивности в записях толщины пленки, полученных методом лазерно-индуцированной флюоресценции. Таким образом, близость режимной границы можно оценить по поведению ЛИФ-записей до появления высоких волн. поведению ЛИФ-записей до появления высоких волн. - Выполнена серия расчетов течения жидкости при различных режимах обтекания гидропрофиля. Получены детальные согласующиеся с экспериментом результаты расчетов докавитационного режима течения при помощи метода RANS, а также для кавитационного режима методом LES с применением условного осреднения. Подробно изучена динамика потока при помощи временного спектрального анализа, а также POD разложения, позволяющего идентифицировать наиболее энергонесущие вихревые структуры. Идентифицированы низкочастотные пульсации, соответствующие срыву кавитационного облака с гидрокрыла. Оптимизирована конструкция модифицированного гидрокрыла со встроенным элементом управления, представляющим собой "сэндвич" из электродов и постоянных магнитов, созданы его трехмерная модель и лабораторный образец. С использованием ансамбля измеренных полей мгновенной скорости течения получены средние и пульсационные характеристики течения для различных кавитационных режимов. Анализ первичной информации о распределениях пульсаций скорости показал, что турбулентная структура течения существенно изменяется при появлении кавитации. Рассчитаны спектры мощности пульсаций давления для нестационарных режимов кавитационного обтекания и определены характерные частоты и амплитуды пульсаций давления в следе гидропрофиля, связанные с осцилляциями длины присоединенной каверны и отрывами крупномасштабных облачных каверн. Исследована эффективность управления динамикой кавитирующего потока на основе инжектирования щелевой струи на поверхности обтекаемого профиля. Показана возможность эффективного управления размером зоны рециркуляции, положением точки отрыва потока и размером кавитационного облака. Результаты исследований 2020 года опубликованы в ряде научных статей, в том числе в высокорейтинговых журналах первого квартиля.

 

Публикации

1. - В зоне турбулентности. Теплофизики дают импульс развитию цифровой энергетики Газета "ПОИСК", публикация на сайте от 30.05.2020 (год публикации - ).

2. 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).

3. Абдуракипов С.С., Дулин В.М. Анализ устойчивости прямоточных струй с градиентом плотности Сибирский физический журнал, Том 15, № 1 (год публикации - 2020).

4. 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).

5. 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).

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

7. 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).

8. 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).

9. 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. 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).

11. 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).

12. 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).

13. 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).

14. 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).

15. 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).

16. 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).

17. 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).

18. 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).

19. 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).

20. 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).


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Проведен DNS расчет струи воздуха при числе Рейнольдса 5300, истекающей в пространство, заполненное углекислым газом. Скорость распространения фронта, а также мгновенные поля продольной скорости во фронте струи, сравнены для всех трех пар газов, включая “воздух-воздух” и “воздух-гелий”, рассмотренные за два предыдущих года выполнения проекта. Разработана и протестирована измерительная PIV система реального времени с регистрацией пар изображений VGA размера и одновременной GPU обработкой данных на частоте 25Гц. Разрешение получаемого поля скорости соответствует размеру входных изображений. Система может применяться для количественной визуализации течения в реальном времени, для целей обучения и как датчик скорости в системах активного управления потоками с характерными временами процессов не менее 0,1с. Созданная система протестирована на ряде течений в жидкости, в том числе в реальном эксперименте с пульсирующей затопленной струей, натекающей на плоскую горизонтальную нагреваемую стенку. Разработана континуальная модель для концентрации, скорости и напряжений Рейнольдса инерционных частиц в пристенной зоне для условий неупругого отскока и осаждения частиц. Модель учитывает степенную особенность концентрации частиц у стенки, связанную как с явлением кластеризации инерционных частиц, так и с явлением неупругого коллапса траекторий инерционных частиц. Разработанная модель имеет хорошее совпадение с данными стохастического лагранжева моделирования для турбулентного течения с взвешенными инерционными частицами в канале для условий неупругого отскока и осаждения частиц, адекватно воспроизводя пристенный пик концентрации частиц в вязком подслое у стенки. Проникновение импульсной струи в поперечный поток оказалось выше, чем в случае стационарной струи во всех случаях. Показано, что пульсирующая поперечная струя является эффективным смесителем. Управление частотой пульсаций и расходом импульсной струи показало возможность изменения (регулирования) подъема струи и эффективного перемешивания ее с поперечным потоком. В результате исследования влияния внешнего периодического возмущения на динамику поля скорости потока и положение фронта факела богатой смеси получена база данных PIV изображений и изображений спектрозональной визуализации пламени (изображения OH и CH). Применение метода главных компонент позволило получить количественную информацию об энергии когерентных пульсаций, вызванных периодическим движением тороидальных вихревых структур в потоке без горения и с горением. Впервые установлено, что для струйного факела с горением за фронтом пламени происходит резкое падение частоты следования вихрей практически в два раза. При этом скорость следования вихрей возрастает. Данный эффект ранее обнаружен не был и может быть объяснением того, что для повышения эффективности сжигания топлива в струйном факеле необходимо накладывать возмущения с частотой в два раза больше частоты основной гармоники без горения. С использованием изотропной низкорейнольдсовой k-эпсилон модели турбулентности Hwang and Lin (AIAA J., 1998), алгебраической модели турбулентности Girimaji (Theoret. Comput. Fluid Dynamics, 1996) и модели переноса рейнольдсовых напряжений Craft and Launder (AIAA J., 1992) выполнено исследование двухфазных нестационарных импактных струй. Было показано, что только модель Craft and Launder (AIAA J., 1992) дает неплохое согласие с данными измерений для одно- и двухфазного режимов. Были выполнены исследования импактных импульсных газокапельных струй с использованием эйлерова двухжидкостного и лагранжева траекторного подходов. Эйлерово описание движения и теплообмена в дисперсной фазе является более экономичным в вычислительном плане. В целом, оба подхода расчета дают близкие результаты. Основное отличие между эйлеровым и лагранжевым методами проявляется в профилях концентрации капель, и оно достигает 15%. Показано, что в центральной области теплообменника при натекании спрея на поверхность образуются застойные зоны со слабым разнонаправленным течением и области с интенсивным волновым течением, которое направлено от центра к периферии. Анализ данных о течении в центральной и периферийных областях поверхности теплообменника показывает, что в центральной области преобладает хаотичное сдвиговое волнообразование с разнонаправленным радиальным движением волн. С ростом средней толщины пленки возрастает амплитуда волн в горизонтальном движении к периферии поверхности, но скорость волн при этом остается низкой. В результате работ по анализу нестационарных явлений в модели камеры сгорания ГТУ создан и испытан оптический отсек диагностики поля скорости и формы фронта пламени с использованием методом PIV и OH PLIF. Стенд также обеспечивает контроль уровня пульсаций давления и содержание CO и NOx в продуктах сгорания. Проведена серия экспериментов при бедном сжигании метана с использованием модельного фронтового устройства для давлений до 4 атм. Акцент в исследовании сделан на анализе режимов нестационарного горения при сжигании газового топлива при значительном избытке воздуха. Отлажен метод численного моделирования методом LES. Установлено, что для нестационарных режимов горения с интенсивными пульсациями давления в камере сгорания характерны следующие процессы: периодический срыв (но не унос) фронта пламени и смещение вниз по потоку, накопление топлива в центральной зоне рециркуляции, резкое возрастание скорости распространения пламени, его продвижение вниз по потоку и быстрое сжигания топлива, накопившегося в центральной зоне рециркуляции. Последний процесс сопровождается быстрым ростом тепловыделения в камере сгорания, возрастанием давления и запиранием топливоподводящих каналов, что и обуславливает обратную связь системы. Аналогичный механизм термоакустических пульсаций имел место и для пламени при повышенном давлении. Влияние повышенного давления приводило к повышению сажеобразования в камере сгорания и повышению уровня NOx в продуктах горения. При помощи современных численных подходов в рамках метода крупных вихрей и моделей турбулентного горения была проведена серия параметрических расчетов модельной камеры сгорания при числе Рейнольдса 15000. Была проведена верификация результатов численного моделирования на данных эксперимента. Для изотермического и реагирующего случая наблюдается хорошее согласие с экспериментальными данными. Проанализировано распределение концентраций CO, CO2, NO и т.д. Показано, например, что CO2 образуется в зоне рециркуляции, в то время как высокая концентрация NO наблюдается уже в следе за рециркуляционной областью. Выполнена диагностика структуры факела распыла и характеристик спрея промышленной центробежной форсунки при воздействии акустического возмущения, вносимого посредством четырёх симметрично расположенных динамиков высокой мощности. Эксперименты проведены при суммарной мощности акустического воздействия до 1200 Вт в диапазоне частот возмущений от 100 Гц до 500 Гц. Показано, что акустическое возмущение в исследованных условиях не оказывает существенного влияния на осреднённые по времени характеристики факела. Идентифицированы собственные моды пульсаций в спрее, акустическое воздействие на частотах выделенных собственных мод способно приводить к их интенсификации. На основе разработанного ранее нестационарного эйлерово-лагранжева подхода для моделирования распыла, для промышленной форсунки получены результаты по структуре факела и дисперсности капель в режиме модуляции расхода в диапазоне частот возмущений от 20 Гц до 1000 Гц. Показано влияние модуляции расхода на динамику первичного распада струи. Проведены экспериментальные исследования характеристик горения керосина (марка ТС-1) при распылении высокоскоростной струёй перегретого водяного пара на лабораторной горелке мощностью 5-20 кВт. Впервые показана возможность сжигания керосина в струе водяного пара, достигнуто устойчивое воспламенение, найдены режимы, обеспечивающие низкие концентрации CO и NOx в конечных продуктах сгорания. Проведено сопоставление результатов для режимов с распылением керосина струей нагретого воздуха, показаны преимущества использования пара по сравнению с воздухом. Предложенный способ сжигания топлива в струе водяного пара может быть использован при проектировании малоэмиссионных газотурбинных двигателей. Проведено исследование эффекта наложенных периодических возмущений на волновую структуру пленки жидкости в дисперсно-кольцевом потоке. Управление дисперсно-кольцевым потоком при помощи наложения пульсаций расхода жидкости возможно в определенном диапазоне частот. Разработаны автоматические методы определения восприимчивости на основе спектрального подхода. Ширина диапазона восприимчивости составляет 15-20 Гц. Положение диапазона примерно соответствует частоте следования волн возмущения вдали от входа в канал. В этом диапазоне управление потоком заключается в значительной регуляризации структуры потока, повышении предсказуемости волновых характеристик, возможности изменять частоту, скорость и амплитуду волн возмущения, а также в повышении расхода дисперсной фазы. Проведено комплексное экспериментальное исследование влияния внешних возмущений на эволюцию кавитационных каверн. На основе измеренных пульсаций давления в следе за крылом были получены спектры мощности. Проведен первичный анализ спектров мощности пульсаций давления для нестационарных режимов кавитационного обтекания в случае внешнего возмущения. Продемонстрирована возможность задержки развития нестационарностей на облачных режимах обтекания модельного гидрокрыла. Разработан и апробирован новый метод извлечения информации о среднем распределении пара в кавитирующем потоке на основе обработанных PIV данных для жидкой фазы (Pervunin et al., Exp. Fluids, 2021). С использованием вихреразрешающих методов проведено численное моделирование кавитационного течения около гидропрофиля при больших числах Рейнольдса. Проведена верификация полученных данных с применением предложенной процедуры условного усреднения. Анализ безразмерного коэффициента подъемной силы, действующей на гидропрофиль, совместно с усреднением по характерным моментам времени показал, что коэффициент подъемной силы минимален при наличии наибольшего количества паровой фазы на поверхности гидропрофиля. В ходе реализации данного проекта в 2021 г. произведена модернизация разработанной ранее трехмерной численной модели расчета в эйлеровом приближении для расчета взаимодействия основного однофазного газового течения и двухфазного турбулентного пристенного потока, также выполнена реализация численного кода. Также было проведено моделирование тепловой эффективности газокапельной завесы при ее вдуве через наклонные цилиндрические отверстия в поперечную траншею. Получено значительное увеличение эффективности тепловой завесы при добавлении капель в поток охладителя (до 2-х раз в сравнении с подачей однофазного охладителя через отверстия в траншею). Основное увеличение тепловой эффективности пристенной двухфазной завесы наблюдается на расстоянии x/b = 15–20. Далее за счет испарения мелких капель происходит резкое снижение величины эффективности двухфазной завесы. Проведена оценка эффективности использования электрического поля для улучшения эффективности теплозащиты. В пакете моделирования сплошных сред OpenFoam была проведена модификация решателя для двухфазных течений по методу жидких границ для введения учета эффекта электростатического поля. Распределения электрического потенциала находились на каждой временной итерации солвера путем решения уравнения Пуассона (с учетом диэлектрической проницаемости жидкого охладителя). По найденным распределениям электрического потенциала строилось поле силы, действующей на охладитель (через поляризацию диэлектрика). Максимальное воздействие на диэлектрик (жидкий охладитель) будет оказано в области сильной неоднородности электростатического поля, при этом диэлектрик будет втягиваться в область максимальной концентрации силовых линий. С точки зрения увеличения эффективности теплозащиты данный эффект может быть использован для предотвращения отрыва пленки охладителя от охлаждаемой поверхности. Рассмотрена задача о пленочном охлаждении плоской пластины при подаче воды через цилиндрический канал под углом 35 градусов. Предложена модификация данной конфигурации, путем введения продольного выступа, идущего по нижней поверхности канала вдоль потока, с острой кромкой концентратором электростатического поля. При подаче постоянной разности потенциалов между верхней и нижней стенками канала электрическое поле, концентрирующееся на выступе стремится удержать струю охладителя на поверхности стенки, при этом не мешая ее продвижению в продольном направлении. Разработана установка по созданию газокапельной взвеси с целью управления потоком щелевой тепловой завесы с использованием электрического поля. Распределение дисперсной фазы по размеру исследовано с использованием лазерного допплеровского анализатора частиц. Проведены первые PIV-PLIF измерения по анализу изменения скорости движения частиц под действием постоянного электрического поля с целью оценки возможного влияния электрического поля на эффективность теплозащиты с учетом эффектов электрической поляризации капель.

 

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).

2. Бильский А.В., Гобызов О. А., Рябов М.Н., Инжеваткин К.Г., Маркович Д.М. . Способ определения окружного профиля относительной концентрации жидкой фазы в распыляемой дисперсной среде с использованием плоскостной лазерно-индуцированной флуоресценции. -, 2753961 (год публикации - ).

3. 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).

4. 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).

5. 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).

6. 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).

7. 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).

8. 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).

9. 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. 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).

11. 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).

12. 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).

13. 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).

14. 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).

15. 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).

16. 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).

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

18. 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).

19. 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).

20. 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).

21. 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).

22. 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).

23. 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).

24. 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).

25. 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).

26. 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).


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проведена серия экспериментальных исследований по активному управлению течением за цилиндром со щелевым вдувом в корму цилиндра с использованием пульсирующей струи. Показано, что интегральное сопротивление изменяется при вариации давления, создающего пульсирующую струю и слабо зависит от частоты пульсаций. При постоянном вдуве наблюдались снижение сопротивления по сравнению с пульсирующими режимами, вследствие большего расхода воздуха через щель при равных давлениях. Для исследования конфигурации течения применялся скоростной PIV и дальнейший корреляционный анализ изображений частиц для оценки мгновенных полей скорости в отрывной зоне за цилиндром. Hеализовано активное управление потоком при обтекании цилиндра на основе обратной связи по датчику термоанемометра, установленному в следе за цилиндром напротив щели. Поиск в пространстве функций выполнялся методом генетического программирования из класса эволюционных алгоритмов, где из поколения в поколение переходят наиболее приспособленные законы управления. Реализованный метод управления позволил снизить сопротивление на более чем 20%. В ходе работы по проекту разработана модель обучаемой нейронной сети на базе архитектуры PWC-Net для оценки полей скорости по изображениям частиц. Представлены результаты оценки мгновенного поля скорости нейросетевым алгоритмом и алгоритмами оптического потока и точным, но медленным алгоритмом Dual TV L1. На основе вихреразрешающего численного моделирования, верифицированного на основе экспериментальных данных проведен анализ влияния входных условий, закрутки потока и соотношения топлива-окислитель на распределение концентрации CO и NOx в ближней области модельной камеры сгорания. Показана эффективность снижения вредных выбросов и уменьшении пульсаций давления при подавлении естественных гидродинамических мод в модельной камере сгорания ГТУ при горении метана со значительным избытком воздуха и повышенном давлении на основе многомодового воздействия и применения машинного обучения, в том числе с использованием искусственных нейронных сетей. Для случаев наиболее эффективного управления проанализированы динамика потока и гидродинамические моды на основе панорамных оптических измерений и вихреразрешающего численного моделирования с использованием методов понижения размерности стохастических динамических систем. В результате получен научно-технический задел по интеллектуальному управлению смешением и горением в камерах сгорания реальных газовых турбин. Реализована методика внесения азимутально-неравномерного акустического возмущения при помощи системы из четырёх динамиков с фазовым сдвигом сигнала для каждого динамика. Выполнена диагностика структуры факела распыла образца промышленно производимой центробежной форсунки при воздействии указанного возмущения в различных конфигурациях. Получены данные о распределении скорости капель в факеле распыла, геометрии факела и распределении относительной концентрации жидкости в факеле при воздействии азимутально неравномерного возмущения. Отмечается, что акустическое возмущение в исследованных условиях не оказывало существенного влияния на структуру факела и распределение скорости капель в нём. Отмечается определённое влияние возмущения на распределение концентрации жидкости и траекторию движения мелкой фракции распыла. В целом можно заключить, что в исследовавшихся конфигурациях влияние на спрей акустического возмущения является слабым, и проявляется только в осреднённых характеристиках. Проведены экспериментальные исследования влияния параметров перегретого водяного пара, при сжигании газообразных (пропан-бутановая смесь) и жидких углеводородов (керосин) в условиях паровой газификации, на концентрацию токсичных продуктов сгорания (CO, NOx). Получено, что при подаче пара обеспечивается значительное снижение содержания монооксида углерода (в 1.7 раз для жидкого топлива и 1.6 раза для газообразного топлива) и оксидов азота в продуктах сгорания (в 2 раза для жидкого топлива и 1.8 раза для газообразного топлива) по сравнению с подачей вместо пара нагретого воздуха. Полученные результаты демонстрируют, что метод сжигания газообразных и жидких углеводородов в условиях паровой газификации оказывается предпочтительным для повышения экологических показателей. Предложенный способ сжигания топлива в струе водяного пара может быть использован при проектировании малоэмиссионных газотурбинных двигателей. В данном разделе проекта проведено численное моделирование импульсной импактной газокапельной струи для различных форм импульсов (прямоугольная, синусоидальная и треугольная). Для описания динамики и теплопереноса нестационарного осесимметричного течения была использована система нестационарных осесимметричных осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье–Стокса. Для описания турбулентности газа будут использованы модель переноса компонент рейнольдсовых напряжений, записанная с учетом двухфазности потока. Динамика и теплообмен в газокапельном потоке моделировались в эйлеровом приближении. Были проведены работы по созданию и обобщению базы данных численных исследований для нестационарных одно- и двухфазных турбулентных импактных струй. Проведен комплекс экспериментальных исследований нестационарного теплообмена при натекании импульсного двухфазного водно-воздушного спрея на вертикальную теплообменную поверхность. Проведена вариация параметров спрея в широких пределах: длительности импульса подачи жидкой фазы, частоты следования импульсов и скорости спутного потока воздуха, а также перепадов давления на жидкостных и газовых форсунках. Все опыты проведены в режиме постоянной температуры поверхности в 70 градусов Цельсия. Установлено, что спутный поток воздуха оказывает существенное влияние на интенсификацию теплообмена за счет турбулизации пристенного течения, разрушения жидкой пленки и возврата капель жидкости, отраженных от поверхности. Индивидуальный вклад импактный струи воздуха в суммарный теплообмен не велик и на балансе тепловой энергии практически не сказывается. Экспериментально продемонстрирована возможность расширения области существования волн возмущения и срыва капель в дисперсно-кольцевых потоках при помощи наложения низкочастотных пульсаций расхода жидкости. Осуществимо как уменьшение критических расходов жидкости при высоких скоростях газа, так и снижение критической скорости газа практически до нуля при высоких расходах жидкости. Проведено исследование истечения струи, генерируемой струйным осциллятором, в щелевой канал. Результаты исследования показали, что при равных значениях высоты канала и ширины горловины выходного сопла истечение струи в щелевой канал сопровождается формированием крупномасштабных квазидвумерных вихревых структур на основной частоте работы струйного осциллятора. Впервые при помощи 3D PIV измерений обнаружены крупномасштабные продольные вихревые структуры. Показано, что динамика этих структур связана с меандрирующим характером течения струи и развитием крупномасштабных квазидвумерных вихревых структур. Получена экспериментальная база средних и турбулентных характеристик течения для кавитационного обтекания гидрокрыла при наложенных внешних согласованных возмущениях. Проведен анализ результатов всего комплекса экспериментальных данных, полученных для модифицированного и оригинального гидрокрыла. Показана эффективность подавления нестационарности и кавитации реализованным методом. Для экспериментальных данных и данных численного моделирования кавитации проведен анализ POD и спектральных характеристик кавитационного течения около гидропрофиля. Для задачи завесного охлаждения пластины проведена многопараметрическая оптимизация формы поверхности на основе метода сопряженных полей и вихреразрешающего численного моделирования для получения максимальной эффективности теплозащиты. Получены результаты моделирования влияния нестационарности входной концентрации частиц на пристенную аккумуляцию частиц в турбулентном течении в плоском канале.

 

Публикации

1. 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).

2. 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).

3. 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).

4. 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).

5. 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).

6. 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).

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. 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).

9. 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).

10. 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).


Возможность практического использования результатов
Разработаны передовые методы диагностики потоков на основе анализа изображений частиц и на основе лазерно-индуцированной флуоресценции, а также методы анализа данных и методы активного управления потоками на основе машинного обучения. Данные методы диагностики и управления могут найти свое применение в широком спектре прикладных задач. По управлению кольцевым дисперсным газожидкостным потоком в трубе показано, что предложенные методы позволяют как избегать срыва капель, так и ускорять его появление в технологических аппаратах. При помощи наложенных колебаний можно повысить предсказуемость поведения средних и локальных характеристик дисперсно-кольцевых потоков, включая перепад давления, интенсивность отвода тепла от стенок канала, что облегчает эксплуатацию аппаратов химической, нефтегазовой, теплообменной и атомной промышленности. Кроме того, искусственные регулярные волны с теми же характеристиками, что и у естественных волн, значительно облегчат дальнейшее изучение дисперсно-кольцевых потоков благодаря возможности условного фазового осреднения. В работе предложено несколько способов управления (снижения) интенсивностью кавитации и высокоамплитудных периодических пульсаций при кавитационном обтекании гидрокрыла. Они основаны на модификации формы поверхности в области зарождения кавитации, а также на основе организации локального вдува в области отрыва потока. Достигнуто многократное снижение амплитуды пульсаций давления. Также предложены эффективные способы организации охлаждения поверхностей на основе пульсирующих жидкостных импактных струй и создания газовых завес вдуваемыми струями при обтекании лопаток турбины. Создан большой научно-технический задел по повышению эффективности распыла и сжигания различных видов жидкого топлива. Предложенный способ сжигания топлива в струе водяного пара может быть использован при проектировании малоэмиссионных газотурбинных двигателей. В рамках сотрудничества с индустриальным партнёром удалось применить разработанные методы диагностики и управления для решения конкретных задач оптимизации аэродинамики потока, распыла и горения топлива в камере сгорания ГТД. Разработаны математические методы анализа экспериментальных данных и численных расчетов с целью идентификации когерентных структур, возникающих в результате гидродинамической неустойчивости потока и приводящих к нестационарным режимам горения в камере сгорания. Также показана эффективность организации локальных возмущений в потоке для устранения данных нежелательных мод на основе анализа восприимчивости потока.