Моделирование и исследование направленного формирования кластеров дисперсной фазы рабочего тела для перспективных технологий топливной энергетики

В настоящее время энергетика является ключевым фактором в мировой экономике и эффективность процессов производства и потребления энергии имеет значительные последствия для общества и окружающей среды. В соответствии с Шестым оценочным докладом Межправительственной группы экспертов по изменению климата, мир уже не способен обеспечить предотвращение экстремальных климатических изменений: эффективный сценарий IEA не выдерживается, а глобальное потепление превысит планируемые 2°C, если только в 2020-е годы не произойдет значительного сокращения выбросов двуокиси углерода и других парниковых газов. Реализация этого сценария возможна с совершенствованием существующих и разработкой новых энергоэффективных технологий производства и преобразования энергии на органическом и синтетическом углеводородном топливе. При этом ужесточающиеся экологические нормы уже привели к значительному увеличению и усложнению рабочих процессов, реализуемых в современных энергоустановках и комплексах, что в большинстве случаев сопровождается ухудшением их технико-тактических характеристик (включая мощность и кпд) и входит в противоречие с требованиями топливной эффективности. Ключевым звеном в разрешении этого противоречия и в научно-техническом обосновании перспективных технологий экологически чистой ресурсосберегающей энергетики является решение фундаментальной проблемы познания закономерностей процессов формирования кластеров дисперсной фазы, гидрогазодинамики, тепломассопереноса в потоках рабочего тела. Формирование этих кластеров происходит, как правило, в условиях интенсивных воздействий градиента давления, факторов тепловой и динамической нестационарности, фазовых переходов, химических реакций, и может осуществляться как пассивно, являясь сопутствующим процессом, так и активно (целенаправленно), когда добавки твёрдых частиц или капель жидкости специально вносят в поток рабочего тела в технологических целях. В обоих случаях присутствие дисперсного кластера в рабочем теле существенно осложняет процессы тепломассопереноса в потоке, а также тепловое и динамическое взаимодействие с обтекаемой поверхностью. Вместе с тем при движении дисперсного потока в каналах и около поверхностей сложной формы создаются условия для поперечного перемещения частиц дисперсного кластера в пограничном слое и их инерционного выпадения на отдельные участки поверхности, что многократно интенсифицирует обменные процессы и является значимым резервом повышения топливной эффективности и улучшения экологических показателей перспективной теплотехники. Заявленный проект направлен на получение решения сформулированной проблемы в виде создания теории, модели, базы знаний и программно-информационных средств, обеспечивающие в совокупности возможность для высокоточного моделирования, отработки и прототипирования в вычислительном эксперименте перспективных технологий устойчивой энергетики, основанных на оптимизации и направленном формировании кластеров дисперсной фазы. Для реализации проекта будет использован подход, сочетающий применение: (1) теоретических разработок (с использованием современных методов математического моделирования и оптимизации, базирующихся на основных положениях теплофизики и теоретической теплотехники, теории подобия, тепломассообмена, вычислительной гидрогазодинамики, математической химии и физики, численных методов решения систем дифференциальных уравнений, а также накопленных заявителем экспериментальных данных и оригинальных наработок, связанных с исследованиями пограничного слоя в потоках с интенсивными воздействиями) и (2) вычислительного эксперимента.