ИСТИНА

Проект направлен на решение фундаментальной проблемы теплофизики - снижение негативного влияния диссипативных процессов на эффективность теплоэнергетического оборудования за счет использования вызываемых ими эффектов энергоразделения. Объектом исследования является эффект энергоразделения, возникающий в подветренной области плохообтекаемого тела в поперечном высокоскоростном газовом потоке. В ходе реализации Проекта также предполагается исследование способов воздействия на его величину, а также разработка новых и повышение эффективности существующих методов и устройств безмашинного энергоразделения.

Increasing the efficiency of power equipment is an urgent scientific problem associated with the transition to a competitive power engineering, reducing basic costs and freeing up resources. One of the directions for its solution is the heat transfer enhancement processes in order to increase heat fluxes per unit area. However, often the heat transfer enhancement (increase in heat transfer coefficient) is accompanied by an increase in the drag of heat exchange surfaces. Therefore, the main effort of researchers is aimed at finding methods that allow increasing the heat flux with a moderate increase in drag. This can be achieved by increasing the temperature difference, which, along with the heat transfer coefficient, determines the value of the specific heat flux. This approach is especially relevant in systems operating at low temperature difference, where standard methods for heat transfer enhancement are not applicable. An increase in the temperature difference between two gas flows is possible by using the effect of energy separation, which consists in redistributing the stagnation enthalpy (stagnation temperature) in the gas flow without performing external work and heat transfer with the environment. Due to internal dissipative gas-dynamic processes in the gas flow, it becomes possible not only to increase the temperature difference, but also to carry out heat transfer between flows that have the same initial stagnation temperature. The most common effects of machineless energy separation include vortex and resonance, and the devices for their implementation are Ranque-Hilsch vortex tubes and Hartmann-Sprenger resonance tubes, respectively. There are several dozen scientific groups and companies in the world that research and study these phenomena and devices. The advantages of such devices are: ease of manufacture, high reliability, low inertia, absence of moving parts and lubrication systems, the ability to operate in a wide range of gas temperatures. However, they also have a significant drawback - low efficiency, which limits their use in power plants. Such devices require a large pressure drop, and the additional temperature difference is associated with high stagnation pressure losses. It is obvious that in order to be able to widely use energy separation devices in power equipment, new approaches, new methods and new types of devices are needed. The solution to the scientific problem proposed in the Project is to implement a new method of energy separation that maintains the stagnation pressure of the cold coolant and is significantly less demanding on the required stagnation pressure drop compared to known methods and devices (Ranque-Hilsch, Hartmann-Sprenger, Leontiev tubes). In view of the noted features, a combination of the proposed method with known ones to increase their overall efficiency looks promising. The method is based on the effect of aerodynamic cooling on the back surface of a bluff body in a transverse high-speed subsonic compressible gas flow (Eckert-Weise effect). Despite the long history of the development of knowledge about the Eckert-Weise effect, the existing data is clearly insufficient to answer the question of the relationship between geometry, relative position of bluff bodies and flow parameters on the energy separation. The authors of the Project are not aware of any experimental or computational work devoted to the implementation of the proposed method in an energy separation device. The scientific novelty of the project lies in the development and experimental study of new promising methods of energy separation, which can find wide application in industry. Solving the Project’s tasks will lead to progress on a number of unresolved problems of increasing the efficiency of power equipment, heat exchangers, cooling systems and machineless energy separation devices.

В результате выполнения работ по Проекту будут получены следующие научные результаты: – систематические экспериментальные данные по влиянию основных параметров потока (числа Рейнольдса, Маха) на параметры энергоразделения на поверхности одиночного плохообтекаемого тела и упорядоченной компоновки плохообтекаемых тел. Будут исследованы распределения адиабатной температуры стенки по поверхности плохообтекаемого тела, распределение коэффициентов давления и восстановления температуры в широком диапазоне режимных параметров; – систематические экспериментальные данные по влиянию геометрии плохообтекаемого тела и компоновки плохообтекаемых тел на параметры теплообмена и энергоразделения. На основании экспериментальных исследований будут получены условия наиболее эффективной работы предлагаемого метода энергоразделения; – экспериментальные результаты исследования способов повышения эффективности исследуемого метода энергоразделения (внешний градиент давления, наложенные внешние вихревые структуры, вихреобразующие поверхности и т.п.); – рекомендации по возможности практического использования данного метода для повышения эффективности энергетического оборудования; – оценка эффективности работы предлагаемого метода совместно с традиционными (труба Ранка-Хилша, Леонтьева и т.п.) методами энергоразделения. Полученные экспериментальные данные создадут основу для валидации результатов, получаемых численными методами, и позволят обоснованно говорить об интенсификации теплообмена за счет использования эффекта энергоразделения в следе плохообтекаемого тела. Расширение знаний об эффективных способах управления процессами энергоразделения в следе плохообтекаемого тела позволит сформировать основные концепции разработки и создания новых схем энергетического оборудования. Результаты Проекта послужат научной основой для создания новых систем энергоразделения и позволят предложить схемы теплообменного оборудования, использующие эффекты температурного разделения (энергоразделения). Это, в свою очередь, позволит повысить эффективность существующего и перспективного энергетического оборудования. Все запланированные исследования являются оригинальными, а используемые методы физического эксперимента (диагностическое оборудование, обработка полученной информации и т.п.) соответствуют мировому уровню. Полученные результаты будут опубликованы в рецензируемых отечественных и международных научных журналах.

У авторов Проекта имеется существенный научный задел по данному направлению – полученные в 2022/2023 гг. экспериментальные данные на аэродинамических установках НИИ механики МГУ подтверждают Достижимость решения поставленной задачи. Также авторы Проекта обладают многолетним опытом выполнения теплофизических экспериментов по исследованию теплообмена и эффектов энергоразделения в сжимаемых до- и сверхзвуковых газовых потоках. Можно отметить следующие основные работы: экспериментальные исследования процессов энергоразделения в сверхзвуковых потоках; экспериментальные исследования процессов интенсификации теплообмена на вихреообразующих поверхностях, в том числе в следе за цилиндром; экспериментальные исследования влияния градиента давления на турбулентные сжимаемые и несжимаемые пограничные слои; экспериментальные исследования влияния второй фазы на параметры сверхзвукового потока. У коллектива имеется большой опыт участия в различных научных конференциях как в России (Российская национальная конференция по теплообмену, Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, международная конференция «Теплообмен и гидродинамика в закрученных потоках», школы-семинары молодых специалистов под руководством акад. Черного Г.Г., акад. Леонтьева А.И. и др.), так и за границей (International Heat Transfer Conference 2010, 2014, 2018, 2023), International Symposium “Turbulence Heat and Mass Transfer”, Минский международный форум по тепломассообмену и др.), а также публикации в рецензируемых российских (Известия РАН - МЖГ, Энергетика, ТВТ, Метрология и др.) и ведущих международных журналах (Experimental Thermal and Fluid Science, International Journal of Thermal Science, Energy, International Journal of Heat and Fluid Flow).