Задумывались ли вы когда-нибудь о том, что объединяет нашу Вселенную, торнадо и, например, огромный котел Березовской ГРЭС? А вот что: в основе происходящих там процессов лежит вихревое движение. Изучением вихрей, волновых эффектов, других явлений, влияющих на тепломассоперенос в самых разнообразных средах и состояниях, занимается Институт теплофизики им. С.С.Кутателадзе (ИТ) Сибирского отделения РАН. Теплофизика — основа всех энергетических технологий, поэтому ее можно смело назвать наукой XXI века…
Укрощение торнадо
Сибирские ученые используют полученные знания для разработки оборудования и технологий, которые достаточно быстро находят применение в энергетике, авиастроении, космической технике и даже электронике, что, по мнению руководства института, максимально стимулирует исследователей. Неудивительно, что сотрудники ИТ три года подряд получали премии Правительства РФ в области науки и техники.
— Эти почетные награды как раз отражают важнейшие направления деятельности нашего института, — не скрывает гордости директор ИТ член-корреспондент РАН Сергей Алексеенко. — Первая премия, полученная три года назад, связана с применением в энергетике вихревых технологий. Она присуждена за цикл работ, выполненных под руководством академика Александра Леонтьева. Правильно организуя вихри, можно максимально перемешать любой объем топлива в движущейся среде, что позволяет интенсифицировать теплообмен и обеспечить высокоэффективное и экологически чистое сжигание органического топлива в теплоэнергетике. Другой цикл исследований, удостоенных премией правительства, направлен на разработку тепловых насосов. Руководит этим направлением академик Владимир Накоряков. Тепловые насосы — основа энергосбережения во всем мире. Несмотря на наличие подобных передовых разработок, в настоящее время Россия по показателям энергоэффективности занимает, к сожалению, далеко не лидирующие позиции. Тепловые насосы дают возможность экономить при производстве энергии до 50% органического топлива, осуществляя передачу тепла от низкопотенциального источника (например, теплых подземных вод) на высокопотенциальный уровень (система теплоснабжения). Институт теплофизики (совместно с представителями промышленности — выходцами из ИТ) — единственный в России разработчик такого оборудования, так что получение награды за эти исследования вполне закономерно.
И наконец, премия последнего года присуждена за разработку и внедрение оптико-информационных методов, систем и технологий бесконтактной диагностики для повышения эффективности и безопасности в энергетике, промышленности и на транспорте. В этих исследованиях (работа представлена под руководством члена-корреспондента РАН Дмитрия Марковича) принимали участие сотрудники нашего института, Института автоматики и электрометрии, Конструкторско-технологического института научного приборостроения. Конечно, разработанный метод диагностики бесконтактного контроля геометрии колесных пар у движущихся поездов, принесший РЖД экономический эффект, оцененный в 10 миллиардов рублей, впечатляет. Однако я хотел бы подчеркнуть принципиальную важность этой работы для фундаментальных исследований в теплофизике и гидродинамике. Например, одним из важнейших объектов гидродинамики является вихревая нить. Концентрация вихревого движения в таких торнадоподобных структурах происходит вблизи оси, вихрь проявляет свойства упругости. И если ввести любой зонд в лабораторный вихрь, можно полностью исказить картину. А методы оптической диагностики позволяют проводить как точечные, так и панорамные измерения с очень высокой точностью, не возмущая поток.
Особенность нашего института — широкий спектр решаемых научных задач. ИТ является признанным лидером в исследованиях многофазных потоков. При изучении волновых явлений в двухфазных средах обнаружен и нашими сотрудниками описан ряд новых физических явлений. Показано влияние волновых явлений на процессы тепломассопереноса. Получены новые данные и по свойствам веществ — расплавов натрий-свинец и калий-свинец, которые планируется использовать в ядерных энергетических установках нового поколения. Среди перспективных направлений — процессы переноса в разреженных газах (уникальный комплекс газодинамических стендов “ВИКИНГ” и “ВИКА” дает возможность испытывать элементы космических аппаратов), наноразмерные системы (новые технологии получения солнечного кремния и бактерицидных покрытий), низкотемпературная плазма (наши плазмотроны установлены на нескольких десятках российских и зарубежных ТЭЦ, а также используются в электрометаллургическом производстве не имеющих аналогов изделий).
Институт теплофизики вошел в десятку российских научно-образовательных организаций, лидирующих по количеству проектов, поддержанных Российским научным фондом, — 11 грантов приносят теплофизикам до 75 миллионов рублей в год. Удельная доля контрактов как зарубежных (с американской компанией Air Products, например), так и российских (с ОАО “Силовые машины”, “Транснефтью”, Роскосмосом, организациями “Росатома”) в бюджете института снизилась, однако ценность практического внедрения научных результатов только возросла. В институт охотно идет талантливая молодежь, нет даже возможности трудоустроить всех желающих. ИТ является базовым для семи выпускающих кафедр вузов Новосибирска, Томска, Кемерова, Барнаула и Красноярска. Работы молодых тоже получают признание — достаточно упомянуть, что в Институте теплофизики трудятся три лауреата премии “Энергия молодости” — молодежного аналога “Глобальной энергии”. А старшие коллеги регулярно подкидывают молодежи перспективные темы исследований: так, совсем недавно Сергей Алексеенко, будучи на конференции в Бразилии, обнаружил неизученные волновые эффекты в бразильском темном пиве Brachma (по сути, удачный пример двухфазной пузырьковой среды).
Логично, что в ИТ разработана Комплексная программа фундаментальных исследований “Фундаментальные основы энергетики и энергоэффективных технологий”. Она затрагивает практически все аспекты современных направлений в энергетике, энергосбережении и энергоэффективных технологиях. Планируется, что к работе по этой программе будут привлечены ведущие научные организации и крупнейшие компании России и мира…
Без дыма и пыли
Представим себе котельную будущего: чистота, никакой пыли, никаких выбросов, а угольное топливо привозят… в цистернах. Разработки Института теплофизики позволяют переоборудовать таким образом все угольные котельные, КПД которых сегодня не превышает 30% (а их — десятки тысяч). Первая из этих разработок касается водоугольного топлива, которое действительно можно возить в цистернах и перегонять по трубопроводам. Разработав инновационную форсунку, ученые справились с проблемой износа оборудования при использовании высокоабразивной смеси воды и угольного порошка. Водоугольное топливо помогает сделать шаг к внедрению важнейшего типа глубокой переработки угля — его газификации.
За счет угля генерируется 42% электроэнергии в мире. Обычно уголь сжигают стандартным способом — в пылевидном состоянии (размер частиц — порядка 100 микрон). Однако если осуществить микропомол угля в специальных мельницах — дезинтеграторах — до частиц размером менее 40 микрон, то такой микроуголь можно, во-первых, использовать вместо дорогостоящего мазута для поджига пылеугольной смеси в крупных котлах, во-вторых, непосредственно сжигать в малогабаритных котлах. Наконец, уменьшив размер частиц до 6 микрон, микроуголь допустимо сжигать даже в газовых турбинах (!), что может найти применение в распределенной энергетике.
Институт теплофизики долгие годы возглавлял работу по программе “Энергосбережение СО РАН”, поэтому здесь имеются наработки и в других традиционных областях. Так, с участием ИТ налажено заводское производство вентилируемых фасадов, разработан ряд вариантов энергосберегающих ламп. Директор ИТ мечтает сделать Академгородок зоной внедрения энергоэффективных технологий.
— Инновации — больной для России вопрос: у нас совершенно отсутствует подобная инфраструктура, — сокрушается Сергей Владимирович. — Чтобы научные разработки находили применение, необходимо изготовление пилотных образцов и пилотных линий, которые можно продемонстрировать потребителю или инвестору не на бумаге, а в “железе”. Мы многое делаем за счет собственных ресурсов, например пилотный проект котельной на водоугольном топливе, реализуемый сейчас в Кемерове. Однако хотелось бы иметь комплексную площадку для демонстрации энергоэффективных и энергосберегающих технологий. Поэтому мы разработали проект под условным названием “Технопарк энергоэффективности”, где можно и продемонстрировать применение таких технологий, и наладить обучение молодых специалистов. К сожалению, пока наша мечта реализована… в Казахстане: технопарк энергоэффективных технологий в сфере ЖКХ построен в Астане. Но мы не теряем надежды на поддержку этого проекта со стороны ФАНО, правительства Новосибирской области или частного инвестора.
Капля в полете
Какое отношение испаряющиеся пленки жидкости имеют к современному электронному оборудованию? Самое прямое: компактный и мощный суперкомпьютер всегда будет нагреваться, а испарение пленки жидкости под действием потока газа позволяет предложить новый принцип охлаждения электронного оборудования. Мировой лидер в изучении испарения пленок жидкости — лаборатория интенсификации процессов теплообмена Института теплофизики: в 1993 году здесь были открыты регулярные структуры в пленках жидкости при локальном нагреве. А в 1995-м сотрудники лаборатории вместе с коллегами из Института гидродинамики приступили к работе над первым космическим проектом, получив грант НАСА на изучение двухфазных систем в условиях космического пространства.
— Двухфазные системы являются наиболее легкими, малогабаритными и интенсивными системами для термостабилизации электронного оборудования, — поясняет заведующий лабораторией доктор физико-математических наук Олег Кабов. — Например, разработанная нами для экспериментов на Международной космической станции конденсационно-сепарационная система позволяет не завозить на орбиту огромное количество газа и жидкостей, а регенерировать их и снова использовать. Также перспективными для энергетических систем в космических аппаратах будущего являются капли жидкости и ручейковые течения. Наше многолетнее сотрудничество с Брюссельским центром по микрогравитации, а затем и с Европейским космическим агентством (ЕКА) позволяет исследовать процессы, происходящие в пленках, каплях и ручейковых течениях в условиях, максимально приближенных к космическим. В Бордо проводятся параболические полеты на специально переоборудованном самолете А-300. Он разгоняется и совершает параболический маневр — “горку”. Самолет находится в свободном полете, двигатели компенсируют только трение. На самом верху параболы на 22 секунды можно смоделировать космические условия микрогравитации. Например, мы выполнили несколько параболических полетов, исследуя воздействие поля силы тяжести на каплю жидкости — в результате силу гравитации удалось изменить в 6000 (!) раз. Подобные эксперименты возможно проводить только в тесном международном сотрудничестве. И ЕКА максимально стимулирует его развитие — заявку на грант можно подать, только обеспечив участие международных партнеров. Желательно и нам в России иметь больше интеграционных проектов разного рода. Это может быть колоссальным ресурсом для повышения эффективности научных исследований в стране. Достаточно упомянуть, что за годы работы с Европейским космическим агентством ИТ СО РАН стал соорганизатором международной конференции “Двухфазные системы для космического и наземного применения”: в 2017 году она вновь пройдет в России. Кроме того, мы входим в редколлегию международного журнала “Microgravity Science and Technology”, а два года назад начали издавать свой журнал “Interfacial Phenomena and Heat Transfer”. И наконец, наша лаборатория принимает участие в подготовке семи экспериментов на МКС, два из которых предполагается осуществить уже в следующем году.
Арифметика разрыва
События, происходящие в атомной энергетике, традиционно привлекают внимание мировой общественности. Серьезная авария способна вызвать отказ от применения атомных электростанций в масштабах страны (вспомним пример Германии). Между тем атомная энергетика — одна из самых безопасных и экологически чистых отраслей, в том числе в России. И здесь есть заметный вклад Института теплофизики.
— Над теплофизическими проблемами первых советских атомных реакторов работал еще основатель нашего института академик Самсон Семенович Кутателадзе, — рассказывает заместитель заведующего лабораторией проблем тепломассопереноса ИТ, директор Новосибирского филиала Института проблем безопасного развития энергетики РАН (ИБРАЭ РАН), доктор технических наук Николай Прибатурин. — Кроме того, в институте в 1970-х годах был выполнен цикл работ по волновой динамике многофазных сред, поясняющий причины возникновения мощных импульсов давления при течении кипящей жидкости, что и привело к нашему сотрудничеству с ОКБ “Гидропресс”, а потом и с другими предприятиями атомной отрасли в области безопасности реакторных установок.
Так, важнейшей задачей является теплогидравлическое обоснование и расчет процессов, которые могут произойти при гипотетической аварии с разрывом главного циркуляционного трубопровода. В ходе такого происшествия из трубопровода во внешнюю среду выбрасываются с высокой скоростью огромные массы вскипающей воды. Мы помогли здесь провести масштабные модельные эксперименты и расчеты. Другая интересная работа — исследование теплофизических процессов, приводящих к конденсационному гидроудару — “мгновенной” конденсации водяного пара в потоке холодной воды. Такие процессы могут происходить в трубопроводах реакторной установки с водо-водяным теплоносителем и даже в трубопроводах обычных тепловых станций. Мы провели модельные эксперименты и соответствующие расчетные обоснования для определения возможных мест возникновения конденсационных гидроударов в реакторной установке. Основные результаты решения этих двух задач вошли в соответствующие документы и программные комплексы, обосновывающие безопасность работы атомных реакторов.
Еще один результат, которым можно гордиться, — интенсификация процессов теплообмена в тепловыделяющей сборке (ТВС) самого распространенного реактора типа ВВЭР. Выполненные в содружестве с ОАО ТВЭЛ и ОАО НЗХК модельные эксперименты по гидродинамике и теплообмену так называемых перемешивающих решеток ТВС внесли свою лепту в масштабную задачу увеличения мощности действующих водо-водяных реакторов на 8-10%. Десять лет назад началось наше сотрудничество с ИБРАЭ РАН по созданию и верификации интегрированных систем кодов нового поколения, предназначенных для разработки и обоснования безопасности ядерных реакторов, проектирования атомных электростанций и новых технологических процессов ближайшего будущего. Поскольку работа велась с нуля, потребовалось вовлечение специалистов из других институтов Академгородка, включение молодежи и даже открытие в Институте теплофизики филиала ИБРАЭ РАН.
Совместно с предприятиями Роскосмоса и “Росатома” мы также трудимся над созданием атомного ректора для космических приложений, — добавляет Дмитрий Маркович. — Для дальних космических полетов сейчас разрабатывается транспортно-энергетический модуль с ядерной энергодвигательной установкой. Теплоносителем в нем является смесь инертных газов гелия и ксенона, обладающая уникальными теплофизическими свойствами. Изучение особенностей теплообмена в таких системах — задача нетривиальная, ее решением мы занимаемся уже несколько лет…
Под напором
Вихри не всегда играют положительную роль в энергетике. Есть в высоконапорных гидротурбинах неприятное явление: на неоптимальных режимах работы в отсасывающей трубе за турбиной образуется так называемый прецессирующий вихревой жгут, который вызывает сильную вибрацию. Ученые считают, что именно подобные нестационарные явления привели к аварии на Саяно-Шушенской ГЭС. На борьбу с такими проблемами, а также на нивелирование процессов кавитации и эрозии направлено многолетнее сотрудничество Института теплофизики с одним из четырех мировых лидеров по производству гидротурбин — Ленинградским металлическим заводом (ЛМЗ), структурным подразделением ОАО “Силовые машины”.
— Исследования в области гидроэнергетики ведутся в нашем институте почти 25 лет, и все эти годы мы выполняем заказы ЛМЗ, — рассказывает ученый секретарь Института теплофизики доктор физико-математических наук Павел Куйбин. — В последние годы создали несколько новых установок для изучения проблемы кавитации. В вышеупомянутом вихревом жгуте может образовываться кавитационная полость, где при низком давлении холодная вода вскипает. На специализированном гидродинамическом стенде мы исследуем процессы кавитации и эрозии поверхности уменьшенных прототипов лопаток турбины Саяно-Шушенской ГЭС. Эти данные используются для разработки математических моделей, их верификации и совершенствования. Расчетная группа в нашем красноярском филиале разработала для этих целей специальный софт. Такие работы позволяют прогнозировать и оптимизировать процессы в реальных гидротурбинах, например улучшать форму отсасывающей трубы или устанавливать специальные ребра, уменьшающие пульсации, как сейчас сделано на Саяно-Шушенской ГЭС.
Но есть у Института теплофизики и более масштабный проект — создание международного научно-исследовательского и образовательного центра по гидроэнергетике на базе Высоконапорной гидравлической лаборатории (ВГЛ) при плотине Красноярской ГЭС. Эта уникальная лаборатория на реальной воде с реальным напором, но с модельными гидротурбинами, встроенная в плотину в 1975 году, проработала 20 лет. В ВГЛ даже подводные аппараты испытывались. Но с 1995 года лаборатория законсервирована и постепенно ветшает. Хотя на ее базе можно проводить уникальные эксперименты с участием международных исследовательских групп, обучать студентов, что готов делать Сибирский федеральный университет, и даже решать оборонные задачи. Для работ ИТ по гидротурбинам ВГЛ особенно важна тем, что даст возможность установить рабочие колеса диаметром в 1 метр (в экспериментах используются колеса в 100-400 мм, в реальных турбинах — 6-8 м). Промежуточный масштаб необходим для точности экспериментов. Однако для восстановления лаборатории требуются существенные финансовые средства — порядка полутора миллиардов рублей в сегодняшних ценах. Первую поддержку, хотя и символическую, два года назад оказала администрация Красноярского края, выделив небольшой грант Сибирскому федеральному университету совместно с Институтом теплофизики на аудит лаборатории и создание концептуального проекта ее реконструкции. Сейчас уже необходимо федеральное вмешательство, и ИТ вырабатывает предложения по масштабной программе восстановления лаборатории. Заинтересованных сторон несколько — “Русгидро”, ЛМЗ, ряд оборонных научно-технических центров. К сожалению, кризис опять отложил решение этого вопроса на неопределенное время, между тем уникальная лаборатория приходит в негодность…
Зеленое пламя
Область, в которой Россия все еще сохраняет конкурентоспособность, — авиационное двигателестроение. Некоторое время назад ряд конструкторских бюро и предприятий, занимающихся разработкой и производством авиадвигателей, вошли в Объединенную двигателестроительную корпорацию (АО “ОДК”), которая стала перспективным партнером для Института теплофизики СО РАН.
— Одним из наиболее перспективных звеньев, с точки зрения получения качественно новых технических решений, в авиационном двигателе является камера сгорания, — рассказывает заместитель директора ИТ по научным вопросам член-корреспондент РАН Дмитрий Маркович. — Разработка новых подходов организации смешения, горения топлива в камерах сгорания, а также температурных режимов требует глубокого научного сопровождения. Современные математические модели, позволяющие адекватно описывать процессы в камерах сгорания, предполагают использование гигантских компьютерных мощностей. Их в распоряжении российских двигателестроителей пока нет, в отличие от западных партнеров-конкурентов. В этом смысле интеграция с научными и образовательными центрами, где в настоящее время концентрируются вычислительные мощности и группы разработчиков методов моделирования, крайне важна. Параллельно необходимо расширять экспериментальную базу для верификации моделей, развития методов управления процессами в камерах сгорания.
Здесь ИТ занимает лидирующие позиции: такого уровня экспериментальных методов и оборудования для исследования процессов горения в России больше нет. Много уникального дорогостоящего оборудования мы приобрели в рамках программы поддержки Новосибирского национального исследовательского государственного университета для нашего совместного научно-образовательного центра. Удалось существенно продвинуться и в математическом моделировании: в рамках мегагранта Правительства РФ заведовать совместной лабораторией ИТ и НГУ был приглашен профессор Кемал Ханъялич (Дельфтский технологический университет) — один из ведущих мировых специалистов по компьютерному моделированию турбулентности и тепломассообмена.
Тема авиации для нас не новая — в прошлом году завершилась работа над международным проектом в рамках раздела Green aircraft (“Зеленый самолет”) 7-й Рамочной программы Евросоюза по научным исследованиям и технологическому развитию. Речь шла о применении оптических методов для диагностики обтекания элементов летательных аппаратов и оптимизации процессов в камерах сгорания двигателей. Чем эффективнее мы сжигаем топливо, тем меньше его тратим на каждый километр полета и тем меньше выбросы в атмосферу. Можем управлять и шумовыми характеристиками. Словом, экономия и экология одновременно. В этом проекте ИТ участвовал совместно с рядом европейских партнеров. Еще один пример интеграции, но уже с другими институтами СО РАН: интеграционный проект Сибирского отделения по изучению процессов горения и развитию оптических методов их диагностики. Удачные контракты с нашими институтами убедили представителей АО “ОДК” в необходимости создать в Новосибирском академгородке исследовательский центр по авиадвигателестроению. А для того, чтобы понять потребности КБ и предприятий и продемонстрировать имеющиеся в институтах разработки, в начале лета проведем совместно с АО “ОДК” специализированную конференцию по процессам аэродинамики и горения…
Спецвыпуск подготовила
Ольга Колесова
Фото предоставлено
Институтом теплофизики
ПОЛНОСТЬЮ МАТЕРИАЛ ДОСТУПЕН В ФОРМАТЕ PDF
Нет комментариев