Математическое и физическое моделирование гидрогазодинамики и тепломассообмена в двухфазных и пористых средах на микро- и макромаштабах

В настоящее время одним из перспективных направлений развития транспорта считают увеличение параметров используемого рабочего цикла, что приводит к повышению тепловых и прочностных нагрузок на элементы конструкции двигателя и транспортного устройства в целом. Кроме того, многочисленные усилия по созданию новых образцов транспортных средств также сталкиваются с проблемой создания теплозащитных покрытий нового поколения, способных длительно работать при экстремально высоких значениях теплового потока, до ~500 МВт/м^2, и организации эффективной системы охлаждения. При этом несмотря на длительную историю исследований в области тепломассообмена теплозащитных покрытий, развитие методов аддитивной стереолитографии в последнее десятилетие позволяет создавать прототипы покрытий и пленок с программируемой микроструктурой и свойствами, к ним относятся и пористые среды на основе металлов и полимеров, которые могут обладать сверхвысокими параметрами теплоабсорбции и теплопроводности. Однако фундаментальной проблемой на пути создания подобных структур и материалов является необходимость построения математических моделей процессов тепло- и массообмена на микроуровне подобных пористых (и многофазных) сред и масштабирование результатов моделирования на макроуровень с получением заданных требуемых свойств материала/структуры. Таким образом, научной проблемой в рамках проекта является построение математических моделей, численное исследование и оптимизация процессов многофазного тепломассообмена в пористой (и многофазной) среде на микро- и макроуровне с учетом возможной химической неравновесности. Одной из главных проблем математического описания переноса в пористой среде является многомасштабность моделируемых физико-химических процессов и сложность геометрии пористой среды на микромасштабах, где могут наблюдаться явления, обусловленные молекулярным строением среды, а также доступность экспериментальных данных и жесткие требования к эффективности используемых для математического моделирования вычислительных алгоритмов. Актуальность решения планируемой к постановке в проекте проблемы обосновывается необходимостью создания теплозащитных материалов и конструкций нового поколения, а также систем охлаждения для транспортных устройств, энергетических и силовых установок. Круг технических приложений и технологий, для совершенствования которых могут быть использованы результаты решения фундаментальной задачи о моделировании тепломассообмена в пористой среде на микроуровне может быть существенно расширен - сюда могут быть отнесены актуальные задачи нефтедобывающей отрасли с разработкой технологий добычи углеводородных ископаемых, задачи нефтехимической промышленности, такие как фильтрационное горение, автомобильной и химической промышленности - создание и использование каталитических пористых фильтров и многие другие. Использование результатов, планируемой к рассмотрению в рамках проекта научной проблемы, позволит существенно улучшить характеристики используемых технологических процессов и устройств в приведенных областях, а в ряде случаев обосновать возможность создания новых более эффективных технических устройств. Научная новизна проекта определяется совместным микро- и макроописанием физико-химических процессов в пористой и многофазной среде для макромаштабной оптимизации теплозащиты теплонапряжённых элементов конструкции, энергетических и силовых установок, и других прикладных задач.