Поиск - новости науки и техники

Происшествия отменяются? Оригинальные разработки сибирских ученых помогают предотвращать аварии.

Объединенные усилия больших коллективов позволяют решать самые сложные мультидисциплинарные научно-технические задачи. Примером крупного и успешного альянса, создающего методы и приборы для оптической диагностики процессов в различных областях промышленности, транспорта и энергетики, служит сотрудничество ряда научных учреждений Новосибирского академгородка. О том, чего удалось добиться такому содружеству, рассказал заместитель директора Института теплофизики СО РАН член-корреспондент РАН Дмитрий МАРКОВИЧ.

– Вопросами, связанными с оптической диагностикой процессов, занимаются сообща несколько крупных коллективов специалистов, – объясняет Дмитрий Маркович. – Это наш Институт теплофизики СО РАН (группы – моя и профессора Владимира Меледина), Институт автоматики и электрометрии СО РАН (группа профессора Олега Потатуркина), коллектив Конструкторско-технологического института научного приборостроения СО РАН под руководством его директора профессора Юрия Чугуя. Мы взаимодействуем на протяжении многих лет не только друг с другом, но и с рядом внедренческих компаний. Интеграция позволила объединить оптические методы идеологически, информационно и практически на общей конструкторско-технологической платформе. Мы создали базу для эффективной диагностики многофазных и реагирующих потоков в научных и промышленных установках, контроля параметров горячего и холодного проката в металлургическом производстве и мониторинга колесных пар на железнодорожном транспорте в режиме реального времени.
– Что представляют собой ваши разработки и какими возможностями обладают?
– Невозмущающие оптические приборы, которыми мы занимаемся, используют электромагнитное излучение в разных диапазонах – от инфракрасного до ультрафиолетового и даже рентгеновского для определения параметров исследуемого объекта. В качестве основных физических принципов применяются законы рассеяния, которые “работают” либо на искусственно введенных в поток, либо на естественных трассерах. Обработка изображений созданными программно-алгоритмическими комплексами цифровой трассерной визуализации (международное название – Particle Image Velocimetry (PIV)) дает мгновенные распределения скоростей в потоке. Разработаны томографические измерительные системы, с помощью которых можно получать пространственные распределения скоростей и структур потоков жидкостей и газов с высоким разрешением. PIV-томография требует решения обратных задач с использованием огромных массивов данных, применения технологий параллельных вычислений и суперкомпьютеров, но получаемая экспериментальная физическая информация значима и уникальна.
Другой класс созданных оптических методов использует молекулярные трассеры. Благодаря им определяется широкий набор величин, включая химический состав и распределение температур в потоках жидкостей и газов в научных исследованиях и промышленных приложениях.
Все эти научные разработки реализованы нашим объединенным коллективом в виде “линеек приборов” и систем для бесконтактной и точной оптической диагностики. Наши измерительные системы серий “ПОЛИС”, “ЛАД-0”, “Корвет” для диагностики кинематики и структуры потоков используются для создания новых технологий в энергетике, аэрокосмической отрасли, для фундаментальной метрологии в Государственном первичном эталоне единицы скорости воздушного потока. Они внедрены на нескольких десятках предприятий, в НИИ, университетах.
– В каких отраслях ваши разработки наиболее востребованы?
– В частности, в одной из основных для России – энергетике. При диагностике процессов сжигания углеводородного топлива мы реализуем эффективные способы управления, обеспечивающие экономию, уменьшение загрязняющих выбросов, устойчивость и безопасность. Создание и реализация этих методов основаны на знании распределений скорости, температуры, концентрации компонентов в сложных динамических системах, например таких, как турбулентное пламя. Регистрация и анализ актуальных физических параметров позволили оперативно и выборочно управлять режимами горения, существенно повысив эффективность, экологичность и безопасность технологий сжигания углеводородного топлива.
Впервые в мире мы оснастили крупномасштабные лабораторные установки, моделирующие процессы в паровых турбинах, совместно с Московским энергетическим институтом. Сейчас обсуждается внедрение наших диагностических систем на предприятиях, производящих паровые турбины. Это крайне сложная задача в техническом плане.
Для успешного решения прикладных задач нужно пройти длинную цепочку лабораторных исследований, математического моделирования, прототипирования, испытаний в полупромышленных масштабах, реализации и внедрения. Из этой цепочки нельзя изъять ни одно звено. Сложность и многомасштабность физических эффектов, лежащих в основе промышленных технологий, часто не допускают прямого переноса результатов с лабораторных моделей на промышленные технологии.
Показательный пример – гидроэнергетика. С помощью лабораторных моделей гидротурбин, оснащенных средствами нашей диагностики, можно получить информацию о разных процессах, явлениях и закономерностях, таких, например, как зарождение кавитации, разрушающей турбины. Можно оценивать основные характеристики нестационарных турбулентных потоков, верифицировать математические модели и компьютерные коды.
Говоря о гидроэнергетике, не могу не поделиться нашими планами по восстановлению высоконапорной лаборатории на Красноярской гидроэлектростанции. Это уникальное сооружение, которое было введено в строй в 1970-е годы и представляет собой несколько гидродинамических каналов, в которых жидкость движется под действием естественного перепада воды (около 100 метров). Возможности этой лаборатории огромны, и в случае ее второго рождения начнется моделирование процессов в реальных масштабах в гидроэнергетике и в оборонных приложениях. Сейчас нашим институтом совместно с “ЕвроСибЭнерго” (это управляющая компания Красноярской ГЭС), а также с Сибирским федеральным университетом и некоторыми институтами Сибирского отделения РАН разрабатывается проект восстановления этой ценной лаборатории.
Отдельная важнейшая тема – транспорт. Оптические методы незаменимы для диагностики процессов в камерах сгорания газотурбинных двигателей и двигателей внутреннего сгорания. Наши способы диагностики обтекания лопаток в энергетических и транспортных турбоустановках и оптимизация с использованием математического моделирования позволяют повысить экономичность двигателей, существенно снизить уровень вредных выбросов и акустический шум турбин и самолетов.
Важная часть работы нашего коллектива – диагностика колесных пар железнодорожных вагонов. Крупным достижением в сфере практического использования наукоемких оптико-информационных методов, систем и технологий является впервые реализованный специалистами Конструкторско-технологического института научного приборостроения и Института теплофизики способ бесконтактной диагностики геометрии движущихся трехмерных объектов. На его основе создана и доведена до серийного производства совместно с Западно-Сибирской железной дорогой лазерная система “Комплекс” для автоматического контроля геометрических параметров колесных пар грузовых вагонов при движении поезда со скоростью до 60 км/ч. Нарушения таких параметров являются серьезным фактором риска схода поездов. Истирание даже одного колеса грозит катастрофой.
До последнего времени для решения этой задачи использовали в основном ручные контрольно-измерительные средства контактного типа на основе шаблонов, скоб. Такой контроль субъективен и непроизводителен, требует много времени на обслуживание и настройку измерительного инструмента, не позволяет контролировать колеса поездов в движении. Коллективом созданы принципиально новые бесконтактные и автоматические средства размерного контроля, способные производить диагностику колес при движении поезда. Программное обеспечение регистрирует параметры каждого колеса, и на первой же станции персонал получает четкие указания: в каком вагоне какую колесную пару требуется заменить. Измерение геометрии колесной пары производится с большой точностью – погрешность не более 0,5 мм.
Созданная сертифицированная всепогодная лазерная система “Комплекс” для автоматического контроля геометрических параметров колесных пар грузовых вагонов при движении поезда адаптирована к жестким климатическим условиям России. В отличие от зарубежных аналогов система работает и в жару, и в мороз, при снежных заносах и дожде. Более 10 лет системы успешно используются на всех железных дорогах России в качестве штатного средства контроля геометрии колесных пар, с 2002 года внедрено более 70 систем. Экономический эффект измеряется многими миллиардами рублей. “Комплекс” предотвращает аварии и обеспечивает безопасность перевозок, контролирует геометрию колесных пар 60 миллионов вагонов в год. Предотвращение схода с линии хотя бы одного состава-тяжеловеса с лихвой окупает затраты на эту систему.
Если говорить о конкуренции на мировом рынке, то, конечно, аналогичные разработки есть. Но наши системы имеют фундаментальную научную базу, ориентированы на специ­фику конкретных отраслей и климатические особенности России, имеют импортозамещающее значение и по ряду параметров превосходят лучшие мировые аналоги. Результаты работы коллектива представлены в полутора десятках монографий и глав в монографиях, более чем в 200 статей и патентов, награждены несколькими десятками медалей и дипломов. Получено 50 актов внедрения, экономический эффект от использования результатов работы на сегодня составляет более 19 млрд рублей. Созданные наукоемкие методы, системы и технологии соответствуют национальным научно-технологическим приоритетам в части решения актуальных задач повышения эффективности и безопасности в энергетике, промышленности и на транспорте.
Производство подобных систем связано с наукоемкостью процесса разработки, проектирования, изготовления. Не все производители в мире способны содержать штат разработчиков высшей квалификации, способных обеспечить решение фундаментальных и прикладных мультидисциплинарных задач. В Новосибирском академгородке благодаря традициям интеграционных работ и проектов такие возможности есть. Созданные методики и аппаратура проходят детальное тестирование на уникальных стендах институтов СО РАН и Новосибирского госуниверситета. Немаловажную роль играет кадровый состав – не только кандидаты, доктора наук, но и студенты, аспиранты. Именно молодые люди своей энергетикой вносят решающий вклад в качество создаваемых приборов, что позволяет нам занимать лидирующие позиции в мире.

Беседу вела Фирюза ЯНЧИЛИНА
Фото предоставлено Д.Марковичем

Нет комментариев