Термогидродинамическая структура дисперсных сред в процессах атомной и возобновляемой энергетики

Цели проекта: - определить фундаментальные закономерности тепловых, гидро- и газодинамических процессов в дисперсных средах в их приложениях к атомной и возобновляемой энергетике. Получение оцененных экспериментальных данных для обоснования проектных решений и верификации расчетных кодов, в том числе CFD методов, направленных на повышение эффективности энергоустановок. - разработать научные основы рафинирования поликристаллического кремния солнечного качества из металлургического кремния на основе плазмохимических технологий. - анализ и совершенствование термодинамических циклов с использованием низкокипящего теплоносителя в возобновляемой энергетике. Планируется проведение хорошо инструментированных экспериментальных исследований локальной гидродинамической структуры, теплообмена и межфазного взаимодействия дисперсных потоков в различных геометрических условиях, в том числе структурно – подобных моделях элементов реакторных установок ядерной энергетики (каналы различной геометрии, включая модель тепловыделяющей сборки). Получение данных по локальным параметрам течения: распределений скорости, касательных напряжений, газосодержания, гидравлического сопротивления, температуры, давления, развитию межфазного взаимодействия, исследование эффектов коалесценции и кластеризации дисперсной фазы. Принципиально важным является вопрос о локальной структуре дисперсных течений с построением карт режимов течения, поскольку наличие дисперсной фазы может, в зависимости от условий, приводить как к интенсификации, так и к демпфированию турбулентных пульсаций жидкости и изменению законов теплоообмена. Вследствие многообразия структур течений построение корректных математических моделей этих процессов требует исследования изменения локальных параметров течения. Для технических приложений важно знание характеристик таких течений в каналах сложной геометрии и при различных режимах течения (пузырьковом, снарядном, дисперсно – кольцевом). Не менее важно и создание экспериментальных баз данных, которые могут быть использованы для верификации расчетных кодов, в том числе CFD кодов. Планируется исследование дисперсно-кольцевого режима двухфазного течения, представляющего собой совместное течение пленки жидкости по стенкам канала и высокоскоростного потока газа вдоль оси канала. Изучение характеристик этих волн на поверхности как свободно стекающей пленки жидкости, так и пленки, увлекаемой газовым потоком, с целью совершенствования методов прогнозирования и управления режимами течения для интенсификации тепло- и массообменнных процессов. Планируется исследование влиянии вынужденного возмущения течения в каналах сложной формы на локальные гидродинамику и теплообмен, расчетно-экспериментальные исследования управления процессами тепло и массообмена при течениях с резкими поворотами, расширениями, взаимодействием потоков, в том числе течений с сильно различающейся плотностью среды. Детальное исследование трехмерной структуры течений. Численное моделирование таких явлений, верификация и модернизация моделей турбулентности для адекватного описания тепло и массопереноса. Выполнение измерений с высокой пространственным и временным разрешением, использованием комбинаций современных методов диагностики течений (ЛДИС, PIV, электрохимические и сеточные методы). Рафинирования поликристаллического кремния солнечного качества. Планируется исследование дисперсных систем в технологии рафинирования металлического кремния и его очистки с использованием отшлаковывания, выщелачивания, электронно-лучевых и плазменных процессов, направленной кристаллизации. Использование для этого одного устройства – холодного плазмотрона, с изменяемым режимом работы. Развитие технологии поэтапной очистки кремния: - использование электронно-пучкового переплава для удаления фосфора и легколетучих металлов; - использование кислород- и водородсодержащей плазмы для обработки кремния в газовом потоке кислорода, водорода, паров воды; - кристаллизация кремния, поддерживаемая электронно-пучковым нагревом, сегрегация примесей. В ходе выполнения проекта будет отработана технология рафинирования металлургического кремния до кремния солнечного качества. Полученный материал может быть передан изготовителю солнечного элемента на базе пластин поликристаллического кремния. На основе анализа характеристик солнечного элемента будет сделан вывод о применимости разрабатываемой технологии для применения в технологической цепочке производства солнечных модулей. Планируется анализ и совершенствование термодинамических циклов. Определение методов использования возобновляемой теплоты горячих пород земли с применением термодинамических циклов с низкокипящей рабочей жидкостью, установление энергетических показателей перспективных энергокомплексов.