Главная страница

Использование или копирование происходящих в природе энергоэкономичных движений и процессов в интересах совершенствования технических решений не подвергается сомнению, т. к. оптимальные решения природы стали результатом многовековой эволюции. Среди многочисленных энергоэкономичных решений природы (ЭРП), пожалуй, самым неожиданным стало использование шероховатостей на поверхности тел для экономии энергии при их движении. На первый взгляд, создание шероховатой поверхности для уменьшения сопротивления при их обтекании может показаться неожиданным или даже абсурдным. Тем не менее, ЭРП во многих случаях основаны именно на этих принципах. Шкалы шероховатости могут варьироваться между мили ~ 10^-3, микро ~ 10^-6 и нано ~ 10^-9 м. К самым крупным относятся наросты – прообразы вихревых генераторов, средним – соответствует риблетные структуры, а самые мелкие состоят из наноструктур и пикселов.

Таким образом, лаборатория ставит перед собой задачу изучить искусственно смоделированные природные «шероховатости» для оптимизации движения и процессов в более широких аэрогидродинамических условиях, чем те, что реализуются в природе, развить, апробировать данные «решения», а также выявить оптимальные условия для их применения в современных энергетических технологиях.

Вихреразрешающее численное моделирование влияния шероховатости и гидрофобных свойств поверхности на характеристики макропотоков в канонических геометриях проводится при помощи валидированных программных кодов TFlows и Nek5000. Прямое численное моделирование (Direct numerical simulation, DNS) уравнений Навье-Стокса или же использование метода крупных вихрей (Large-eddy simulation) в зависимости от параметров течения позволит получить характеристики потока с высокой точностью. Дальнейший анализ и оптимизация будет производиться при помощи линейного анализа (гидродинамической) устойчивости и восприимчивости (ЛАУиВ), который позволяет идентифицировать типичные возмущения (когерентные структуры), а также наиболее восприимчивые области течения к внешним возмущениям. Этот комплексный подход может оказаться эффективным при поиске оптимальных конфигураций расположения вихрегенераторов и решении сопряженных задач.

Разработка научных основ бесплотинной гидротурбины становится особенно важной, так как рост потребления мировой экономикой традиционного углеводородного сырья (уголь, нефть, газ), суммарная доля которого в мировом производстве энергии составляет более 80%, ведет как к истощению его запасов, так и непрерывному росту цен на него. Доля альтернативных видов энергии таких как солнечная, ветровая, гидроэнергетика и т. д., хотя и растет, но составляет пока значительно меньший объем в общем энергетическом балансе. В связи с этим в последнее время большой интерес именно к гидроэнергетике, в том числе и малой, объясняется тем, что малые ГЭС могут работать как автономно, так и могут быть включены в общую энергосистему региона. Например, в настоящий момент доля производства электроэнергии малыми ГЭС составляет в Китае около 18-20%, в Австрии – 10%, в Швейцарии – 8.3%, в Швеции – 3%, а в России только 0.31% (информация взята из Коновалова и Иванова, 2013). При этом Россия обладает огромным энергетическим потенциалом малых рек, представляющим более 357.1 млрд кВт∙ч/год, что соответствует мировым лидерам в области малой распределительной гидроэнергетики, но требует серьезных научно-исследовательских изысканий. Гидроэнергетика при использовании свободнопоточных (бесплотинных) гидротурбин станет одним из наиболее «экологичных» способов производства электроэнергии. Основное преимущество по сравнению с обычными ГЭС – это отсутствие водохранилищ, из-за которых затапливаются большие плодородные территории и перекрываются пути миграции рыб. Такие ГЭС не восприимчивы к погодным условиям, в отличие от солнечной и ветроэнергетики, а также не представляют серьезной опасности в случае аварийных ситуаций на станции и отличаются короткими сроками ввода в строй и невысокими эксплуатационными затратами. В проекте планируется использовать ЭРП для оптимизации размещения отдельных установок свободнопоточных гидротурбин в гидрофермах, с целью оптимизации их конфигурации для максимального извлечения мощности.

Еще одним направлением проекта станет определение условия стабилизации мощности в линейном ряду свободнопоточных (бесплотинных) гидротурбин, чтобы изучить и объяснить эффект стабилизации мощности. Результаты могут быть использованы для разработки макетов новых типов гидроэлектростанций-гидроферм в реках без строительства плотин, которые уменьшают навигацию и оказывают сильное негативное воздействие на окружающую среду. Объединение этих двух фундаментальных задач в данном проекте представляется естественным еще и потому, что они характеризуются одним аэродинамическим параметром – изменением толщины вытеснения импульса в пограничном слое и следе, анализ которого будет объединяющим при теоретическом моделировании обоих задач.

Разработка научных основ бесплотинной гидротурбины становится особенно важной, так как рост потребления мировой экономикой традиционного углеводородного сырья (уголь, нефть, газ), суммарная доля которого в мировом производстве энергии составляет более 80%, ведет как к истощению его запасов, так и непрерывному росту цен на него. Доля альтернативных видов энергии таких как солнечная, ветровая, гидроэнергетика и т. д., хотя и растет, но составляет пока значительно меньший объем в общем энергетическом балансе. В связи с этим в последнее время большой интерес именно к гидроэнергетике, в том числе и малой, объясняется тем, что малые ГЭС могут работать как автономно, так и могут быть включены в общую энергосистему региона. Например, в настоящий момент доля производства электроэнергии малыми ГЭС составляет в Китае около 18-20%, в Австрии – 10%, в Швейцарии – 8.3%, в Швеции – 3%, а в России только 0.31% (информация взята из Коновалова и Иванова, 2013). При этом Россия обладает огромным энергетическим потенциалом малых рек, представляющим более 357.1 млрд кВт∙ч/год, что соответствует мировым лидерам в области малой распределительной гидроэнергетики, но требует серьезных научно-исследовательских изысканий. Гидроэнергетика при использовании свободнопоточных (бесплотинных) гидротурбин станет одним из наиболее «экологичных» способов производства электроэнергии. Основное преимущество по сравнению с обычными ГЭС – это отсутствие водохранилищ, из-за которых затапливаются большие плодородные территории и перекрываются пути миграции рыб. Такие ГЭС не восприимчивы к погодным условиям, в отличие от солнечной и ветроэнергетики, а также не представляют серьезной опасности в случае аварийных ситуаций на станции и отличаются короткими сроками ввода в строй и невысокими эксплуатационными затратами. В проекте планируется использовать ЭРП для оптимизации размещения отдельных установок свободнопоточных гидротурбин в гидрофермах, с целью оптимизации их конфигурации для максимального извлечения мощности.

Разработка вихревых аппаратов для улучшения тепло-массообменных процессов в химических, биологических и энергетических технологиях является важнейшим практическим направлением исследования закономерностей массообменных процессов.  С помощью закрученных потоков здесь решается одна из фундаментальных проблем: как наиболее эффективно смешивать разные жидкости или получать равномерные распределения добавленных в них реагентов. При этом важным аспектом изменения режимов этих процессов в вихревых аппаратах становится снижение трения о его боковые стенки с одной стороны или увеличение передачи углового момента от формирующего вихревое движение элемента (мешалки) к рабочей жидкости с другой. В связи с этим особый интерес в исследованиях массопереноса вызывает применение уже сформированных самой природой решений и закономерностей. 

Работ по интенсификации смешения в микроканалах представлено достаточно много. Stroock et al. 2004 первыми представили свою работу по увеличению эффективности перемешивания в микроканале нанесением на стенки канала последовательных прямоугольных ячеек и показали увеличение смешения для малых чисел Рейнольдса (Re≤10). Aubin et al 2005 исследовали влияние геометрических параметров: ширина и глубина ячеек, их частоты, используя метод PTV, на смешение в канале. Yang et al. 2005 и Kwak et al. 2016 изучали влияние ячеек, расположенных «елочкой» под различными углам. Lin et al. 2013 численно показал влияние волнистости стенок канала на смешение, однако в литературе до сих пор не представлена структура и геометрия потока для различных чисел Рейнольдса. Таким образом, изучение возникающих в потоке структур в случае регулярной шероховатости, обусловленной гидрофобной наноструктурированной поверхностью, является крайне актуальной задачей, как с точки зрения эксперимента, так и численного моделирования.

• Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН
• Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН
• University of Calgary in Alberta
• Technical University of Denmark | DTU
• Компания Inmold©, Denmark
• The Arctic University of Norway | UiT
• Technical University of Berlin | TU Berlin