Исследование процессов тепло- и массообмена и оптимизация параметров перспективных тепловых труб для систем терморегулирования космических аппаратов и наземного транспорта методами обратных задач теплообмена

Для современной космической техники, машиностроения, теплоэнергетики 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, многофазность и сопряженный характер процессов тепломассообмена. Эти особенности ограничивают возможность использования многих традиционных методов проектирования и отработки систем терморегулирования теплонагруженных конструкций. Современные подходы к созданию таких конструкций 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 выходом из такой ситуации, 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. В проекте основное внимание уделяется именно разработке адекватных моделей теплопереноса в тепловых трубах, как элементах перспективных систем терморегулирования. При этом будут получены математическия модели позволяющие не только анализировать процессы теплопереноса в материалах с достаточной точностью, но и прогнозировать изменение характеристик труб при изменении параметров макро- и микроструктуры (разумеется в области непрерывности используемых зависимостей, то есть при достаточно малых изменениях параметров). При выполнении работ по проекту в 2024 году были достигнуты следующие результаты: 1. Математическая модель и программное обеспечение для моделирования теплопереноса через стенку пульсирующей тепловой трубы на адиабатическом участке на основе анализа исследуемых типов тепловых труб, определяющих механизмов теплопереноса и математических моделей теплообмена. 2. Методика и соответствующее программное обеспечение для определения плотности теплового потока на внутренней стенке пульсирующей тепловой трубы на основе генетического алгоритма оптимизации. Верификация методики и программного обеспечения с использованием модельных данных (вычислительный эксперимент). 3. Проектирования и изготовление экспериментальной тепловой трубы для последующих исследований на основе методологии обратных задач теплообмена, включая выбор материала, выбор модельного теплоносителя, разработку технологии изготовления. Результаты предварительных экспериментальных исследований процессов теплообмена в пульсирующих тепловых трубах.