Стабильное развитие ведет к научным прорывам
Догадываетесь ли вы, читатель, сколько применений у теплофизики? Малоэмиссионная камера сгорания необходима и в энергетике, и в авиации, от особенностей режима кипения зависит безопасность атомных электростанций, а интенсивный теплоотвод помогает сжижать природный газ. Первый в мире специализированный Институт теплофизики был создан в Новосибирском Академгородке в июне 1957 года и с тех пор сохраняет лидерство по количеству ориентированных на скорейшее применение исследований.
— Мы стабильно наращиваем результаты по всем разделам фундаментальной науки, которыми занимаемся: тепломассообмен, теплофизические основы энергетических технологий, гидродинамическая устойчивость и турбулентность, вихревые течения, динамика разреженных газов и другие процессы, связанные с энергетическим машиностроением, химическими технологиями, аэрокосмической тематикой, — рассказывает директор Института теплофизики СО РАН им. С.С.Кутателадзе Дмитрий Маркович. — В рамках национального проекта «Наука» в ИТ СО РАН созданы три молодежных лаборатории: синтеза новых материалов; основ безопасности и эффективного использования реакторных установок; энергоэффективных технологий для наземных и космических приложений. Число работающих в институте молодых кандидатов и докторов наук стабильно растет, а студентов и аспирантов традиционно много. В ближайших планах — создание молодежной лаборатории суперкомпьютерного моделирования теплофизических процессов.
Есть чем гордиться институту и в плане фундаментальных исследований — Российским научным фондом поддержан проект лаборатории мирового уровня по разработке способов управления эффективностью процессов в энергетических установках. Руководит лабораторией член-корреспондент РАН Д.Маркович. Детально изучив структуру течений, горение различных топлив и другие процессы, можно их оптимизировать не требующими значительных энергетических затрат способами. Для исследований необходимо современное оборудование, и ИТ СО РАН рассчитывает, что Миннауки поддержит заявки на приобретение уникальных исследовательских комплексов. Стоит отметить: сибирские теплофизики активно создают и свои установки. В 2015 году коллектив под руководством Д.Марковича, включающий и специалистов из других институтов, удостоен премии Правительства РФ за разработку российских методов и приборов на оптических принципах. Например, панорамного метода измерения скоростей движущихся сред, так называемого PIV (Particle Image Velocimetry). Метод имеет ряд преимуществ по сравнению с зарубежными аналогами.
— Сейчас мы вместе с другими институтами начинаем цикл работ по созданию научно-технического задела для энергетических газотурбинных установок. В России стартовала программа их приоритетного развития, — продолжает Д.Маркович. — Страна заметно отстала в этом направлении. Сегодня концерн «Силовые машины» интенсивно восстанавливает свои компетенции, и роль Института теплофизики трудно переоценить. Одной из важнейших задач является создание эффективных и экологичных камер сгорания с длительным сроком эксплуатации. Коллектив, отвечающий за данное направление, возглавляет доктор наук Владимир Дулин, лауреат премии правительства для молодых ученых.
Под крылом циклолета
Создание малоэмиссионных камер сгорания актуально и для другого класса газотурбинных двигателей — авиационных. Институт теплофизики продолжает тесное сотрудничество с Объединенной двигателестроительной корпорацией. Запускается в серию российский авиационный двигатель ПД-14, где значителен вклад институтов СО РАН. Ведется разработка двигателя ПД-35 для широкофюзеляжного самолета российско-китайского производства.
К авиационной тематике относится и впервые полученный ИТ СО РАН грант Фонда перспективных исследований. За несколько лет институт должен разработать альтернативу малым вертолетам — циклолет. Благодаря отсутствию винта новая машина сможет подлетать к стенам домов, садиться на наклонную поверхность. Такой тип летательного аппарата требуется и Минобороны, и МЧС и даже может стать прообразом городского такси.
Перспективы института Д.Маркович связывает с развитием Новосибирского Академгородка:
— Как главный ученый секретарь СО РАН я занимаюсь инфраструктурными проектами. Кроме известного синхротрона «СКИФ», разработанного Институтами ядерной физики катализа, и другими, программа «Академгородок 2.0» включает 30 проектов развития научной инфраструктуры. Моим научным интересам близок проект Междисциплинарного исследовательского комплекса аэрогидродинамики, машиностроения и энергетики, подготовленный институтами теплофизики, теоретической и прикладной механики, гидродинамики, химической кинетики и горения. Запланировано создание ряда уникальных экспериментальных стендов. Например, строительство 200-метровой башни сбрасывания для моделирования процессов в условиях микрогравитации. Наши ключевые партнеры — «Роскосмос», «Ростех», «Росатом» — подтвердили свою заинтересованность в проекте.
И все-таки любому экспериментатору необходимы фундаментальные знания. Исследования теплофизических свойств веществ и материалов в институте начал первый директор академик Иван Новиков. Сегодня научная школа развивается под руководством заместителя директора Института теплофизики доктора физико-математических наук Сергея Станкуса. Оригинальные методики и уникальные установки позволили изучить свойства чистых металлов, полупроводниковых и лазерных материалов, фторорганических жидкостей, технически важных сплавов и соединений. Разработанные специалистами ИТ методики и таблицы исследованных свойств аттестованы Государственной службой стандартных справочных данных.
— Сейчас реализуем проект РНФ по очень интересным жидкометаллическим системам, — поясняет С.Станкус. — Удалось зафиксировать необычные явления: теплопроводность жидких сплавов висмута с цезием или рубидием в 10-20 раз ниже, чем у чистых компонентов. Чтобы разобраться в причинах парадокса, необходимо изучить все свойства материалов, выстроить модели, описывающие происходящие процессы. В дальнейшем такие сплавы можно использовать для теплозащиты устройств в экстремальных условиях.
Продолжает лаборатория С.Станкуса и изучение редкоземельных металлов — новые методики дают возможность измерить их теплопроводность в жидком состоянии. Исследованы практически все металлы цериевой группы. Теплопроводность таких редкоземельных металлов, как самарий и европий, измерена впервые в мире.
Не забудьте про реактор
В рамках проекта по развитию атомной энергетики «Прорыв» планируется построить два новых ядерных реактора — на натриевом и свинцовом теплоносителях. Причем если аналоги реактора на жидком натрии работают с 1970 года, то реактор на свинцовом теплоносителе будут строить впервые в мире. И безопасность его должна быть обоснована с привлечением научных знаний. Институт теплофизики является одним из «хранителей» таких знаний — здесь много лет работает филиал Института проблем безопасного развития атомной энергетики (ИБРАЭ) РАН, созданный при предыдущем директоре академике С.В.Алексеенко.
— Мы помогаем конструкторам и инженерам обосновать проектные решения с учетом локальных теплофизических и гидродинамических процессов, происходящих в элементах реактора, — рассказывает директор Новосибирского филиала ИБРАЭ РАН доктор технических наук Николай Прибатурин. — Получив задачу исследовать эти процессы для жидкометаллических теплоносителей (ЖМТ), за три года создали комплекс экспериментальных стендов с уникальными системами измерений (очень помогли специалисты из группы доктора технических наук Владимира Меледина), изучили теплофизические явления, происходящие в ЖМТ, в частности, в свинцовом теплоносителе. Уже 15 лет продолжается сотрудничество ИТ и ИБРАЭ РАН в области разработки и верификации расчетных кодов нового поколения, предназначенных для обоснования безопасности атомных реакторов. Совсем недавно с целью верификации CFD-кодов мы впервые выполнили экспериментальные исследования закономерностей смешения двух различных по температуре потоков жидкометаллических теплоносителей в Т-образном соединении.
Изучением процессов в реакторах занимается и лаборатория теплофизики многофазных систем. Речь идет о проточных реакторах-теплообменниках для водородной энергетики и химической промышленности.
— Новое перспективное направление в переработке природного или попутного нефтяного газа и биомассы — получение жидкого топлива из синтетического газа. Точнее, новым его назвать трудно, — улыбается заведующий лабораторией доктор физико-математических наук Владимир Кузнецов. — Эту технологию использовали еще немцы во время Второй мировой войны: нефти в Германии не было, и горючее для танков получали из угля путем газификации и процесса Фишера — Тропша. Мы предлагаем реализовать такую технологию для углеводородов в новом типе каталитических реакторов — в микроструктурных реакторах-теплообменниках.
Другое направление исследований лаборатории В.Кузнецова — разработка компактных испарителей и конденсаторов для систем сжижения природного газа.
— Мы обнаружили, что под действием капиллярных сил в каналах малого размера образуются сверхтонкие пленки жидкости, перемежаемые сухими пятнами, — рассказывает В.Кузнецов. — Как ни странно, выяснилось: именно сухие пятна улучшают теплообмен. В итоге смогли интенсифицировать процессы теплоотдачи при испарении и конденсации в три раза, используя микроструктурирование поверхности.
По мнению В.Кузнецова, повышать эффективность энергоустановок сегодня можно лишь за счет микроструктурирования поверхностей и применения наноматериалов. Для этого необходимы методы расчета гидродинамических и массообменных процессов в сложных канальных системах, которые и создает лаборатория, развивая новое направление, — теплофизику многофазных и многокомпонентных систем на малых и сверхмалых масштабах. Так, по заказу компании Hewlett Packard, сотрудничество с которой инициировал еще научный руководитель В.Кузнецова академик В.Е.Накоряков, обосновали теорию струйного принтера с помощью математической модели взрывного вскипания жидкости на микронагревателе. Интересно, что на столе у американских инженеров, разрабатывавших принтер, лежала книга академика Владимира Скрипова «Метастабильная жидкость».
В стремлении к чистоте
Более 25 лет продолжается сотрудничество ИТ СО РАН с американской компанией Air Products and Chemicals, с помощью к риогенной дистилляции получающей из воздуха чистые вещества: кислород, азот, аргон. Дистилляция происходит в огромных колоннах (на снимке). Чем больше диаметр колонны, тем больше выход продукта, но к чистоте его есть претензии. В лаборатории низкотемпературной теплофизики под руководством члена-корреспондента РАН Александра Павленко разработан принципиально новый способ повышения эффективности разделения смесей путем перераспределения потоков жидкости и пара в структурированной насадке. Исследования продолжились в рамках проекта РНФ уже с Тяньцзинским университетом — лидером Китая в области химических технологий.
— Также мы исследуем теплообмен при кипении и испарении — наиболее эффективных режимах отвода тепла, — рассказывает А.Павленко. — Этими процессами можно управлять, модифицируя теплоотдающие поверхности. Мы существенно продвинулись в области создания микроструктурированных капиллярно-пористых, гидрофильных/гидрофобных и других покрытий, интенсифицирующих теплообмен. Используем новые аддитивные технологии нанесения таких структур и 3D-принтер-технологии для их изготовления. Наработки пригодятся в системах охлаждения электронного оборудования, сжижении природных газов, холодильной технике. В исследованиях помогают методы диагностики нестационарных быстропротекающих процессов, разработанные в институте.
Неудивительно, что V Международный семинар по этой тематике IWHT (International Workshop on Heat-Mass Transfer) в 2019 году впервые проводился в России, в Новосибирском Академгородке, куда приехали более 130 иностранных ученых.
Экологически чистые технологии необходимы и традиционной для России угольной энергетике. Запасы угля превышают объемы остальных органических топлив, но технологии его сжигания устарели, к тому же многие сибирские ТЭЦ вынуждены использовать некачественное топливо, например, канско-ачинские бурые угли. Исследования процессов горения в вихревых топках пылеугольных котлов в Институте теплофизики ведутся в лаборатории доктора физико-математических наук Олега Шарыпова. Применяя физическое и математическое моделирование, удалось разработать способы управления аэродинамикой вихревого сжигания и значительно снизить эмиссию токсичных веществ.
— Другое направление работ нашего коллектива — утилизация некондиционного жидкого углеводородного топлива и опасных производственных отходов, — рассказывает заместитель директора ИТ О.Шарыпов. — Мы разработали ряд горелочных устройств, в которые со сверхзвуковой скоростью подается струя перегретого пара. Такой способ сжигания позволяет достичь экологических показателей, намного превосходящих самые строгие европейские нормативы. Перспективная технология основана на решении ряда сложных задач, относящихся к механике многофазных реагирующих сред. За эти работы молодежный коллектив под руководством академика С.В.Алексеенко был удостоен престижной премии «Энергия молодости». А один из молодых участников (мой ученик Игорь Ануфриев) подготовил по этой тематике докторскую диссертацию.
Ольга КОЛЕСОВА
Нет комментариев