Разработка методологии моделирования тепловых, гидро- и газодинамических процессов в пористых средах на основе трижды периодических поверхностей минимальной энергии

Исследование процессов переноса в пористых материалах (ПМ) представляет большой интерес как с научной, так и с прикладной точки зрения. ПМ получили широкое распространение в авиационном и космическом машиностроении, энергетике, строительстве, биологии и медицине и многих других отраслях промышленности. Вставки из пористых материалов используются в качестве фильтрующих элементов в фильтрах; теплоизоляционных материалов; как основа активной тепловой защиты техники; глушителей шума и др. Вне зависимости от назначения, эффективность разрабатываемой системы на основе ПМ существенно зависит от точности описания процессов переноса в поровом пространстве. Исследованием тепловых и гидродинамических процессов в телах с анизотропными свойствами занимались выдающиеся российские ученые: А.И. Леонтьев, Ю.В. Полежаев, А.Ф. Формалев, Э.М. Карташов, Г.Н. Кувыркин, В.С. Зарубин, С.В. Белов, Ю.А. Кирсанов и многие другие. Среди зарубежных исследователей стоит отметить труды Feng, Zhou, Wang, Yang, Zhu, Speirs и др. Однако считать теорию переноса в пористых структурах завершенной преждевременно. При вычислении полей искомых функций (температур, скоростей, давлений и др.) нередко используются грубые допущения, связанные со статистическим описанием геометрической структуры материала, пренебрежением пограничными эффектами на разделе сред и др. Таким образом, тема разработки и совершенствования методов исследования процессов переноса в пористых средах актуальна. В рамках проекта будут исследованы материалы с топологией трижды периодических минимальных поверхностей (ТПМП-материалы), состоящих из повторяющихся элементов – элементарных ячеек, некоторые из которых имеют строгое математическое описание. Комбинируя элементарные ячейки, изменяя их структурные параметры, могут быть получены ПМ с требуемыми теплофизическими свойствами, тепловыми и гидродинамическими характеристиками. Кроме того, минимальные поверхности и материалы на их основе не имеют самопересечений и делят пространство на два и более непересекающихся объема, что позволяет проектировать на их основе ТМО-оборудование поверхностного типа. Важно отметить, что при исследовании различных ТПМП-структур будут использованы, в том числе, неизвестные ранее типы элементарных ячеек, сгенерированные из атомных сеток цеолитов. В основу разработки методологии моделирования процессов тепломассопереноса в пористых средах на основе трижды периодических поверхностей минимальной энергии будут положены результаты как численных так и экспериментальных исследований. Численные исследования с использованием современных программных продуктов таких как Ansys Fluent/CFX, OpenFOAM, MathCad позволят исследовать широкий диапазон технологических параметров по гидрогазодинамике и тепломассообмену, а также различные ТПМП-структуры. Для верификации результатов численного моделирования будут использованы экспериментальные данные по гидро- и аэродинамическому сопротивлению, теплопроводности, температурным полям и др. Кроме того, LIF (Laser Induced Fluorescence)-изображения (контуры) совместно со Шлирен-изображениями (полученные методом оптических неоднородностей Шлирена) позволят получить точное представление о характере течения газов в каналах ТПМП-структур, что позволит разрабатывать новые и модернизировать существующие CFD-модели как для осредненных по Рейнольдсу моделей (RANS) так и для моделей диссипации крупных вихрей (LES). Результаты исследований будут обобщены и представлены в виде простых по форме аналитических характеристик. Предполагается, что полученные характеристики будут использованы широким кругом исследователей, занимающихся проектированием тепломассообменного оборудования, дизайном материалов с заданными физическими свойствами, проектированием тепловой защиты технологического оборудования и др. Полученные в аналитическом виде параметризованные характеристики (будут использованы при построении новых математических моделей переноса в пористых средах.