Конвективная вентиляция воздуха в мультислойных тепловыделяющих пористых системах

Проект нацелен на решение вопроса эффективности конвективного тепломассопереноса и управления им в мультислойных тепловыделяющих пористых системах с учетом осложняющих факторов, таких как добавление прослоек воздуха, коррекция температуры на границах, принудительная активная вентиляция наружным воздухом, зависимость мощности тепловыделения от объемной доли твердой фазы среды. Решение проблемы планируется построить при переходе от более простых систем, содержащих два субслоя (воздушный субслой и тепловыделяющий пористый субслой), к системе N чередующихся субслоев воздуха и тепловыделяющей пористой среды. Заявленные в проекте задачи являются новыми и соответствуют мировому уровню. Обобщенная конвективная задача для системы N смежных субслоев воздуха и пористой среды ранее не рассматривалась. При этом, если говорить о конвекции в простых системах с двумя субслоями, то в литературе остается открытым вопрос о структуре конвективных течений и тепловых потоках при наличии зависимости тепловыделения пористой матрицы от ее фильтрационных характеристик (пористости и проницаемости). Например, уменьшая пористость, мы влияем на способность пористой матрицы пропускать воздух и снижаем интенсивность конвекции в пористом субслое. С другой стороны, увеличивается мощность тепловыделения за счет роста объемной доли твердой фазы, что имеет противоположный эффект. С этой точки зрения, задача представляет отдельный научный интерес. В рамках проекта планируется применить комплексный подход к решению поставленных конвективных задач, который содержит, как численное моделирование, так и проведение эксперимента. Численное моделирование будет выполнено в терминах критериев подобия (внутренних и внешних чисел Рэлея-Дарси, числа Пекле, числа Дарси и др.) и затронет большой класс пористых систем, характеризующихся различными мощностями тепловыделения и фильтрационными свойствами. В эксперименте в качестве тепловыделяющей пористой среды выбрана волокнистая среда (металлические волокна, по которым пропускается электрический ток), мощность тепловыделения которой можно контролируемым образом изменять при разных значениях пористости и проницаемости. Будет проведена верификация результатов численного моделирования при их сравнении с данными натурного эксперимента. При выполнении проекта будут получены данные о пороге возникновения конвективных течений, их структуре, режимах конвекции, профилях скорости и температуры с изменением относительной толщины воздушной прослойки, количества субслоев, их пористости и проницаемости, мощности внутреннего тепловыделения, перепада температур на внешних границах, скорости и направления вертикального сквозного течения и других управляющих параметров задачи, входящих в состав критериев подобия. Эти сведения позволят оценивать эффективность теплообмена и контролируемым образом устанавливать температурный режим внутри системы, выделяющей тепло, не допуская ее перегрева. Исследование носит фундаментальный характер и выявит основные закономерности управления интегральным тепломассообменом в многослойных тепловыделяющих пористых системах посредством коррекции температуры, размера воздушных прослоек, интенсивности и направления сквозного течения при активной вентиляции наружным воздухом, изменения мощности тепловыделения и фильтрационных характеристик пористой среды. Задача имеет широкий спектр приложений в различных технологических и природных процессах. Среди них можно назвать проблему охлаждения процессоров с многослойной архитектурой в вычислительной технике, вопросы оценки и предотвращения теплового загрязнения окружающей среды вокруг мусорных полигонов бытовых отходов, проблему теплового загрязнения при хранении радиоактивных отходов. В сельском хозяйстве результаты проекта могут найти применение при создании и поддержании оптимального температурного режима хранения растительного сырья и корнеплодов. Насыпи растительного сырья образуют пористую среду, выделяющую тепло за счет биологической активности. Мощность тепловыделения зависит от плотности насыпи. Для сохранения качества продукции на всем протяжении хранения необходимо поддерживать оптимальный температурный режим и не допускать перегрева отдельных участков среды. Конвективное течение усилит теплоперенос, что позволит уменьшить энергозатраты на принудительную вентиляцию наружным воздухом. Прослойки воздуха должны понизить порог возникновения конвекции, которая даст возможность естественным образом или дополнительно с наружными потоками воздуха обеспечить оптимальные температурные условия хранения растительного сырья.