Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН получил мегагрант на развитие и изучение перспективных методов управления теплопереносом в средах с фазовыми и химическими превращениями в энергетике, химической, электрохимической технологиях и микроэлектронике. Вести проект будет крупнейший в мире специалист в области термодинамики, механики жидкости профессор из Швеции Бенгт Сунден. Под его руководством планируется создать лабораторию управления тепломассообменом при фазовых и химических превращениях, специализирующуюся на решении передовых задач в области энергетики.
Фазовое превращение в термодинамике — это переход вещества из одной термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий.
Основная цель проекта — получение новых знаний мирового уровня и обмен опытом научных исследований, а также объединение ученых разных групп ИТ СО РАН, Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета и Сибирского федерального университета для получения общих результатов. «С одной стороны — это консолидация наших усилий, с другой — привлечение крупного специалиста для передачи научных наработок, идей и технологических приемов для их реализации. К тому же это еще получение взгляда со стороны на нашу многолетнюю работу, что всегда полезно. Есть пласт задач, которые для нас являются новыми, а у профессора Бенгта Сундена накоплен определенный опыт их решения. Совместно с ним мы и будем стараться этот опыт реализовать», — говорит заведующий лабораторией термогазодинамики ИТ СО РАН доктор физико-математических наук Владимир Викторович Терехов.
Спектр предполагаемых исследований ученых очень широк: от разработки энергоэффективных элементов конструкции зданий и сооружений до нанотехнологий в электронике смартфонов и компьютеров. Все эти задачи объединены общей идеей энергоэффективности. То есть специалисты занимаются вопросами экономии ресурсов, созданием более экологичных энергетических установок, интеллектуальным управлением теплообменом в сложных условиях с фазовыми, химическими превращениями. «Работа направлена на то, чтобы добиться меньшего потребления ресурсов, снизить уровень загрязнения окружающей среды с учетом специфики и методов, которые мы умеем применять к решению таких проблем», — подчеркивает заведующий лабораторией термохимической аэродинамики кандидат технических наук Владимир Владимирович Лукашов.
«Мегапроект включает в себя большое число задач по изучению аэродинамики и тепломассопереноса в различных процессах при вариации условий в турбулентных конвективных потоках, при наличии фазовых и химических превращений, в гетерогенных системах с фазоизменяемыми материалами, в средах с макро- и наномасштабами. Но, несмотря на кажущиеся разнообразия и отличия данных проблем, все они связаны между собой единой целью — поиском методов интенсификации обменных процессов и разработкой перспективных способов регулирования и управления этими процессами», — поясняет Владимир Терехов.
Вся работа делится на пять больших блоков. Один из них ориентирован на исследования в области интенсификации теплообмена в турбулентных течениях. Это основное направление для создания эффективных теплообменных аппаратов.
Второй блок — изучение вихревых реакторов как одного из перспективных способов организации горения и каталитических процессов. В проекте ученые будут заниматься исследованиями получения водорода из воды с использованием таких технологий.
Третье направление связано с рассмотрением вопросов кипения на структурированных поверхностях. «Когда плоскость покрыта жидкостью, которая закипает, происходит отвод тепла от этой поверхности. При этом возникает много разных проблем. Например, самая очевидная: при высоких температурах и при больших перегревах появляется паровая пленка, в этом месте жидкость перестает касаться поверхности. Теплообмен резко ухудшается, и она перегревается и разрушается», — поясняет Владимир Терехов. Подобные сложности возникают при работе электронного оборудования. Ученые работают над тем, чтобы исключить это. В частности, они создают не гладкие поверхности, а со специальной структурой — микрорельефами. Такая поверхность интенсифицирует процесс кипения и при этом не разрушается. «Современные аппараты с модифицированными поверхностями способны выдерживать тепловые потоки, которые можно сравнить с потоками на поверхности Солнца», — добавляет Владимир Лукашов.
Большой тепловой аэродинамический стенд ИТ СО РАН
Цель четвертого блока заключается в разработке новых фазоизменяемых материалов и исследовании их теплообменных характеристик. Использование теплоты фазовых переходов — основная функция таких материалов. Они наиболее часто применяются с переходом жидкая-твердая фаза. Так как теплота фазового перехода для ряда веществ имеет значительную величину при узком температурном интервале фазового перехода, то такие вещества можно использовать при создании композитных материалов для различных технических приложений с целью аккумулирования тепла или холода. Особенно эффективно их применение в циклических тепловых процессах. В настоящее время фазоизменяемые материалы уже используются в электронных устройствах для стабилизации тепловых режимов, в автомобильных аккумуляторах для увеличения срока их службы, в элементах строительных конструкций для повышения комфортности жилых помещений. При выполнении проекта будут проведены исследования, направленные на разработку методов интенсификации теплообменных процессов в фазоизменяемых материалах, и созданы на основе этих исследований новые композитные фазоизменяемые материалы с высокими теплообменными характеристиками.
Последний блок задач проекта связан с вопросами течения жидкостей в микро- и наноканалах. «Разработки могут применяться в электронике, медицине и материаловедении. Так, например, за счет добавления нанопорошка меняются свойства материалов, при этом цвет и запах исходного материала остается прежним. Как результат — это позволит улучшить процесс доставки лекарств, — объясняет Владимир Терехов. — У нас фундаментальный подход к исследованиям, основанный на численном моделировании. Как результат — это ускорит процесс поиска таких материалов с новыми свойствами».
Теплофизика — наука в основном экспериментальная, поэтому созданию новых опытных стендов, оснащенных современными диагностическими методами и средствами автоматизации измерений, в институте всегда уделялось большое внимание. Экспериментальные установки могут сильно отличаться по своим масштабам. Например, изучение процессов интенсификации турбулентных потоков, в том числе и фазовыми переходами, будет проводиться на большой тепловой трубе ИТ СО РАН и колонне с метровыми масштабами. В то же время для исследований в области микрофлюидики (науки, рассматривающей закономерности поведения жидкостей и газов, движущихся по узким каналам внутри герметичных миниатюрных устройств — микрочипов) требуются чрезвычайно миниатюрные установки с хорошим пространственным разрешением.
В новой лаборатории будут размещены самые современные установки и различные измерительные системы мирового уровня. «Среди методов измерения, используемых в лаборатории, — лазерная доплеровская анемометрия, полевые 2- и 3D-измерители скоростей и турбулентности, визуализация течений. Важно, что ИТ СО РАН — производитель высокотехнологичного оборудования. Мы ищем и используем все мировые наработки в области тепловых измерений», — говорит Владимир Терехов. Также в программе проекта предусмотрен этап как обновления некоторых экспериментальных стендов, так и приобретения новых измерительных приборов, систем автоматизации сбора опытных данных, вычислительных комплексов.
В проекте задействованы 50 специалистов, среди них 25 — молодые ученые. Главный научный сотрудник лаборатории термогазодинамики доктор технических наук Виктор Иванович Терехов — идейный вдохновитель и организатор этого проекта. Он давно знаком с профессором Бенгтом Сунденом», — утверждает Владимир Лукашов.
Бенгт Сунден — известный мировой ученый. Он занимается вопросами испарения, горения, газовыми турбинами и нанотехнологиями, то есть всеми задачами, которые вписаны в проект института. Кроме того, у шведского профессора есть богатый опыт обучения большого количества аспирантов. «Бенгт Сунден часто привлекается шведским правительством в качестве технического эксперта по вопросам экологии и энергетики. Он поделится с нами советами по организации больших сильных команд, личным опытом взаимодействия с крупной промышленностью, как ему удавалось доводить фундаментальные научные знания до того, что будет работать на практике», — комментирует Владимир Терехов.
«Каждый год в течение двух месяцев иностранный ученый будет посещать Россию, чтобы обменяться научными знаниями со специалистами новой лаборатории. Он привнесет новые идеи, даст оценку нашей работе со стороны. Мы рассчитываем, что молодые аспиранты получат возможность научиться у него культуре научного мышления», — подчеркивает Владимир Терехов.
В планах исследователей ИТ СО РАН — получение практических результатов по всем направлениям проекта, а также внедрение разработок.
Анастасия Федотова
Фото предоставлено исследователями
