Исследование влияния конвективных и радиационных явлений и фазовых переходов на теплофизику строительных элементов

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 22-79-10341

НазваниеИсследование влияния конвективных и радиационных явлений и фазовых переходов на теплофизику строительных элементов

Руководитель Бондарева Надежда Сергеевна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" , Томская обл

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

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

Ключевые слова энергоэффективность строительных конструкций, математическое моделирование, тепломассоперенос, конвекция, теплопроводность, излучение, турбулентность, материалы с изменяемым фазовым состоянием, пористые среды, сопряженные эффекты

Код ГРНТИ30.17.35

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Потребление энергии становится одной из главных тем строительной отрасли. С каждым годом увеличивается спрос на недвижимость и количество выданных разрешений на строительство (в 2021 году рост составил 43% по сравнению с прошлым годом). Стремительный рост потребления энергии сопровождается тепловыми загрязнениями и выбросами. Основная часть энергозатрат уходит на поддержание климата в жилых помещениях и технических строениях. К 2035 году прогнозируется рост энергопотребления зданиями на дополнительные 30%. Принимая во внимание представленные масштабы энергопотребления зданий, очень важно разрабатывать и внедрять энергосберегающие технологии в строительный сектор для обеспечения долгосрочной энергетической безопасности. В условиях южного умеренного климата непрерывно работают системы кондиционирования, при этом суточные перепады температур могут иметь достаточно большую амплитуду, в северных регионах большое количество энергии уходит на отопление. Снижение тепловых потерь и умное использование возобновляемых источников энергии становится важной задачей современной строительной инженерии. Теплопотери в строительных конструкциях могут быть снижены за счет повышения теплового сопротивления элементов, а температурные колебания, связанные с суточными колебаниями температуры – за счет использования солнечной энергии для нагревания помещений и резервуаров воды, а также геотермальной энергии. Появление новых технологий и материалов в строительной сфере, ставит вопрос об их использовании в различных климатических условиях и их взаимодействии с другими компонентами конструкций. Основными направлениями исследований в рамках настоящего проекта являются снижение тепловых потерь и возможность использования возобновляемых источников энергии, таких как солнечное излучение. Численное моделирование с помощью современных численных методов позволяет более подробно изучить и прогнозировать термогидродинамические процессы в строительных элементах. Целью настоящего проекта является детальное изучение сложных строительных систем с учетом описания сложного теплообмена (теплопроводность, конвекция и тепловое излучение, фазовые переходы) в условиях как ламинарного, так и турбулентного режимов течения. В рамках проекта планируется проведение целой серии исследований терморегулирущих систем, в частности: – будут изучены возможности использования материалов с изменяемым фазовым состоянием с целью снижения температурных колебаний внутри строительной конструкции. Использование атериалов с изменяемым фазовым состоянием (парафины, воски, жирные кислоты и др. в зависимости от условий эксплуатации) является одним из перспективных направлений в строительстве. Такие материалы отличаются высокими значениями скрытой теплоты плавления и поглощают большое количество энергии при достижении температуры плавления. В то же самое время материалы с изменяемым фазовым состоянием высвобождают или аккумулируют энергию в процессе фазовых переходов, при этом теплоаккумулирующая способность таких материалов выше традиционных до 20 раз; – будут подробно изучены ламинарные и турбулентные режимы кондуктивно-конвективно-радиационного теплопереноса в отдельных элементах строительных конструкций, содержащих тепловыделяющие элементы и источники излучения. Данные исследования связаны с теплообменом за счет режимов естественной конвекции и теплового излучения при наличии тепловыделяющих элементов различной формы; систем остекления. Следует отметить, что режимы естественной конвекции и излучения наиболее оптимальны при плотности теплового потока до 0.1 Вт/см2 при определенных перепадах температур между поверхностью тепловыделяющего элемента и окружающей средой, начиная от 8°С при q = 0.01 Вт/см2; – Будет проведен подробный анализ влияния широкого спектра значимых факторов (нестационарность, теплофизические свойства ограждающих конструкций, наличие пористых вставок, толщина твердых ограждающих стенок, оптические свойства среды, интенсивность излучения и др.) на процессы тепломассопереноса в помещениях зданий и сооружений. Будут подробно изучены ламинарные и турбулентные режимы кондуктивно-конвективно-радиационного теплопереноса в замкнутых системах Исследования будут проводиться на основе численного и аналитического анализа совместно с зарубежными коллегами. Необходимо отметить, что для проведения численных исследований будут созданы собственные программные коды, ничем не уступающие известным прикладным пакетам в рамках решаемого класса задач. Появление таких собственных программных продуктов позволит в некоторой степени решить вопрос импортозамещения.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Бондарева Н.С., Шеремет М.А. Influence of metal foam and nanoparticles on convective melting in a rectangular cavity under heating of bottom wall International Journal of Thermofluids (год публикации - 2023)

2. Бондарева Н.С., Шеремет М.А. Numerical study of heat performance of multi-PCM brick in heat storage building Mathematics (год публикации - 2023)

3. Бондарева Н.С., Шеремет М.А. Численное исследование многостадийного плавления материалов с изменяемым фазовым состоянием в строительном блоке в нестационарных тепловых условиях Материалы Международной конференции "ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ЗАДАЧИ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА", стр. 14-15 (год публикации - 2023)

4. Астанина М.С. О режимах зарядки и разрядки в теплоаккумулирующей системе с пористой средой в прямоугольном открытом канале Сборник научных трудов XIX Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК" (год публикации - 2023)

5. Лоенко Д.С., Шеремет М.А. Влияние размера наночастиц на естественно-конвективный теплоперенос степенной наножидкости в плоскости с теплопроводной подложки и локальным нагревателем "МОЛОДЕЖЬ И СОВРЕМЕННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ" Сборник трудов XX Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (год публикации - 2023)

6. Догончи А.С., Бондарева Н.С., Шеремет М.А., Эль-Сапа Ш., Чамха А.Дж., Шах Н.А. Entropy generation and heat transfer performance analysis of a non-Newtonian NEPCM in an inclined chamber with complicated heater inside Journal of Energy Storage, выпуск 72(E), номер статьи 108745 (год публикации - 2023)
10.1016/j.est.2023.108745

7. Кириллова К.И., Бондарева Н.С. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОПРЯЖЕННОЙ ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ В ЗАМКНУТОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ОБОГРЕВАЕМОЙ ОБЛАСТИ Сборник статей Всероссийской молодежной научной конференции "ВСЕ ГРАНИ МАТЕМАТИКИ И МЕХАНИКИ", Стр.53 -64. (год публикации - 2023)

8. Ерошкина М.С., Бондарева Н.С. ЧИСЛЕННОЕ РЕШЕНИЕ ДВУХФАЗНОЙ ЗАДАЧИ ТАЯНИЯ ВЛАЖНОГО ГРУНТА В УСЛОВИЯХ ТЕПЛООБМЕНА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ Сборник статей Всероссийской молодежной научной конференции "ВСЕ ГРАНИ МАТЕМАТИКИ И МЕХАНИКИ", С. 35- 45 (год публикации - 2023)

9. Недоедко Е.П., Бондарева Н.С. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В КВАДРАТНОЙ ПОЛОСТИ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРЕВАНИИ НИЖНЕЙ СТЕНКИ Сборник статей Всероссийской молодежной научной конференции "ВСЕ ГРАНИ МАТЕМАТИКИ И МЕХАНИКИ", Стр. 77 -88. (год публикации - 2023)

10. Бондарева Н.С., Шеремет М.А. Numerical simulation of heat transfer performance in an enclosure filled with a metal foam and nano-enhanced phase change material Energy, Vol. 296, №131123 (год публикации - 2024)
10.1016/j.energy.2024.131123

11. Бондарева Н.С., Кириллова К.И. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРОЦЕССА ПЛАВЛЕНИЯ В СТЕНКЕ НА КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН В ЗАМКНУТОЙ ВОЗДУШНОЙ ПОЛОСТИ Известия вузов. Физика, T. 67, № 11, с. 13 - 24 (год публикации - 2024)
10.17223/00213411/67/11/2

12. Ерошкина М.С., Бондарева Н.С. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЗАРЯДКИ ФОРМСТАБИЛЬНОГО МАТЕРИАЛА С ИЗМЕНЯЕМЫМ ФАЗОВЫМ СОСТОЯНИЕМ В СТЕНКАХ КАНАЛА ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ФИЗИКА (год публикации - 2025)

13. Бондарева Н.С., Гибанов Н.С., Мирошниченко И.В., Озтоп Х.Ф., Шеремет М.А. Influence of an inclined thick partition on free convection heat transfer performance under surface radiation in a hollow block Numerical Heat Transfer; Part A: Applications, Transfer, Part A: Applications, 1–16 (год публикации - 2024)
10.1080/10407782.2024.2378382

Публикации

2. Бондарева Н.С., Шеремет М.А. Numerical study of heat performance of multi-PCM brick in heat storage building Mathematics (год публикации - 2023)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В результате реализации заключительного этапа проекта были разработаны новые вычислительные модели для решения ряда сопряженных задач сложного тепломассопереноса в строительных элементах и системах накопления и хранения скрытой энергии. Для решения задач были разработаны и применены вычислительные модели, описывающие нестационарные режимы естественной конвекции радиационного теплопереноса, а также процессов фазовых превращений в замкнутых системах при нестационарных внешних тепловых условиях с конвективным теплообменом, солнечного излучения и при наличии светопрозрачных границ. Численные алгоритмы для решения задач сопряженной естественной конвекции были реализованы и апробированы в пакете open foam. Задачи плавления материала в пористом пенометаллическом каркасе были сформулированы в преобразованных переменных «функция тока – завихренность – температура» и решены с использованием собственного разработанного кода. Разработана математическая модель на основе уравнений Навье-Стокса в приближении Буссинеска и системы уравнений для радиационного теплообмена, позволяющая анализировать теплоперенос в треугольных полостях. На основе разработанного численного кода исследовано влияние числа Рэлея и степени черноты поверхностей на теплоперенос. Установлено, что при высоких значениях Ra вклад радиационного переноса становится более значимым, а конвективный перенос слабо зависит от радиационных свойств поверхности. Также выявлена нелинейная зависимость радиационной составляющей от ε, что важно для проектирования энергоэффективных систем. В рамках плана проекта на 2024-2025 г. были построены вычислительные алгоритмы с распараллеливанием на графических процессорах для решения плоских и пространственных задач с применением классического метода конечных разностей, а также решеточного метода Больцмана. Такой подход позволил количественно оценить выигрыш в скорости вычислений при использовании параллельной архитектуры. Было показано, что на более подробных сетках можно получить десятикратное ускорение вычислений для задач теплообмена в объемах при использовании решеточного метода Больцмана по сравнению с методом конечных разностей. Проведено математическое моделирование нестационарной естественной конвекции в полости, заполненной лауриновой кислотой усиленной наночастицами оксида алюминия и металлической пеной. Показано, что с увеличением высоты пористой вставки температура нагреваемой поверхности уменьшается, а процесс плавления ускоряется. Из-за более интенсивного теплоотвода разница между максимальными температурами в полноразмерном радиаторе и в случае, когда металлическая пена занимает только третью часть полости, может превышать 16°С. Также установлено, что увеличение объема металлической пены от 1/6 части до половины высоты полости не оказывает существенного влияния на время плавления, однако изменение соотношения высоты заполнения от 0,5 до 1 сокращает время плавления на 68%, при этом температура источника равномерно увеличивается до полного расплавления материала. Показано, что ведение наночастиц, несмотря на ускорение процесса фазового перехода, не оказывает положительного влияния на теплопередачу. Разработана двумерная вычислительная модель для решения сопряженных задач плавления и затвердевания парафина в элементе ограждающей конструкции, состоящем из слоя теплоизоляции или бетона и слоя материала с изменяемым фазовым состоянием с пенометаллической прослойкой. В результате численного моделирования было оценено влияние свойств металлической пены и ее расположения на процессы конвективного теплообмена и сдерживание температурных перепадов системы. Было показано, что металлическая пена оказывает подавляющее действие на конвективный режим в расплаве, что связано с интенсификацией теплопроводности и снижением проницаемости среды. Также было проанализировано влияние пористости и плотности пор пенометалла, было показано, что плотность пор в пределах от 5 PPI до 15 PPI и пористость от 94 до 98% не оказывает существенного влияния на температуру в области. Согласно плану работ 2024 – 2025 гг. разработана вычислительная методика для решения задач трехмерного конвективно-радиационного теплообмена в замкнутых объемах при наличии светопрозрачных стенок в условиях прямого солнечного излучения и воздушной конвекции на одной из границ. Решена краевая сопряженная задача сложного теплообмена в трехмерной полости при наличии твердых стенок конечной толщины и системы остекления на левой границе. Численные данные показали формирование одноячеистой гидродинамической структуры внутри системы остекления, при этом внутри полости была обнаружена сложная гидродинамическая структура, с развитием вихревых структур, обусловленных развитием температурного поля.

Публикации

2. Бондарева Н.С., Шеремет М.А. Numerical study of heat performance of multi-PCM brick in heat storage building Mathematics (год публикации - 2023)

Возможность практического использования результатов
Полученные результаты могут быть применены при разработке и моделировании систем накопления и хранения энергии, а также систем пассивного регулирования температуры. Результаты анализа могут быть полезны для дальнейших исследований процессов теплопередачи с фазовыми переходами в закрытых системах.