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

В ходе реализации проекта в период с 01.07.2024 г. по 30.06.2025 г. выполнены следующие виды работ: 1. С помощью программы SurfaceEvolver сгенерированы 10 новых видов трижды периодических минимальных поверхностей, а именно: Schoen’s GW, Hybrid-1 P, F-RD, I-6, MantaGenus 19, Schwarz H, F-RD(r). На основе тополого-геометрического анализа кристаллической структуры природных кристаллов в программе ToposPro также были созданы совершенно новые виды ТПМП, которые получили названия ATN, BCT, MER и SAS. 2. Для новых видов ТПМП проведен вариантный анализ (сравнительный анализ симметрии, диапазона изменяемой пористости, среднего гидравлического диаметра, удельной площади поверхности и др.), на основании которого в группу оптимальных ячеек (ГОЯ) включены пять новых ТПМП. Результаты анализа занесены в обновленную базу данных ТПМП на портале Mendeley (https://data.mendeley.com/datasets/8h7sgbjcsg/2). 3. Разработаны CAD-модели ТПМП ячеек с заполнением порового пространства, состоящие из твердотельной стенки с заданной толщиной, внутреннего объема и внешнего объема. 4. Проведено численное моделирование процессов теплопроводности и фильтрационного течения в новых видах ТПМП из ГОЯ, по результатам которого определены зависимости коэффициентов эффективной теплопроводности и проницаемости от характерных параметров ТПМП (пористость, толщина стенки ячейки, размер ячейки). Результаты представлены в обновленной базе данных ТПМП на портале Mendeley (https://data.mendeley.com/datasets/8h7sgbjcsg/2). 5. Выполнено моделирование тепломассопереноса в рекуперативных теплообменных устройствах на основе ТПМП. Изучено влияние толщины стенок, пористости, скорости потока и числа Рейнольдса на безразмерные коэффициенты теплопередачи и потерь давления, а также определены значения коэффициентов Колберна и Нуссельта. 6. Разработано программное обеспечение для определения температурных полей в пористых ТПМП-материалах при фильтрационном течении несжимаемой жидкости с возможностью динамического изменения временного шага. Исходный код и исполняемый файл программы представлены на платформе Mendeley (https://data.mendeley.com/datasets/rkbpp6d5xv/2). 7. Построены CAE-модели теплопроводности в композиционных материалах, структура которых основана на ТПМП SchwarzGyroid, Diamond и Primitive. Для заполнения пространства пор использовались парафин и эпоксидная смола. Используя полученные значения коэффициентов эффективной теплопроводности были поставлены и решены соответствующие краевые задачи. 8. Проведена закупка расходных материалов, 3D-принтера AnycubicPhoton M3 и полимеризационной камеры AnycubicWashandCure 3 Plus со встроенной мойкой. 9. Изготовлено более 30 опытных образцов, включая образцы пористых материалов со структурой, основанной на ТПМП; образцы композиционных материалов с ТПМП-структурой, заполненной парафином и эпоксидной смолой; прототипы теплообменного устройства, конструкция которого основана на ТПМП из фотополимерной смолы и AlSi10Mg. 10. Спроектирована и изготовлена лабораторная установка для имитационного исследования тепломассопереноса в рекуперативных теплообменниках и пористых ТПМП-материалах. Также изготовлена герметичная капсула, куда помещаются образцы пористых материалов, для определения потерь давления. 11. Выполнено исследование теплопроводности в пористых материалах с ТПМП структурой с изменением направления теплового потока за счет заполнения отдельных ТПМП ячеек материалом с отличными от материала каркаса свойствами. Кроме того, проведено численное моделирование теплопроводности в пористом материале, структура которого основана на ортотропной ТПМП Schoen’s I-WP(R). Для данного материала получен тензор теплопроводности с учетом и без учета материала, заполняющего поры. Отмечено, что эффективная теплопроводность материала на основе Schoen’s I-WP(R) в ортогональных направлениях отличается на 30%. 12. С использованием устройства для измерения теплопроводности ИТП-МГ4 “100” проведена серия натурных экспериментов для верификации CAE-моделей разработанных в ходе реализации проекта. Расхождение значений коэффициентов эффективной теплопроводности, полученных по результатам численного моделирования и учитывающих воздух в межпоровом пространстве, и по результатам натурных экспериментов, не превышает 6%. На изготовленной лабораторной установке проведено экспериментальное исследование тепломассопереноса в теплообменном устройстве на основе ТПМП Schoen's I-WP, в результате которого определена тепловая мощность при различных режимах работы.