Год издания: 2019
Ключевые слова: Повышение эффективности энергетических технологий, камеры сгорания газотурбинных установок, турбулентность, горение топлива, гидроэнергетика, математическое моделирование, Rans, les, оптические методы исследования потоков, piv, LiF, управление с обратной связью, машинное обучение, нейронные сети, двухфазные течения
Аннотация: Проект посвящен развитию методов интеллектуального управления многомасштабными термогидродинамическими и физико-химическими процессами, лежащими в основе современных энергетических технологий и оборудования, с целью повышения их эффективности, надёжности и экологичности. Объектами управления будут являться как ряд канонических одноПоказать полностью- и двухфазных турбулентных течений (струи, следы, факелы, пристенные завесы, течения в трубах и каналах и др.), так и сложные турбулентные течения в моделях реальных энергетических устройств или их важнейших узлов (камеры сгорания, форсунки для диспергирования топлива, лопатки турбин и др.). Объединяющим для всех этих течений является нелинейное и многомасштабное явление турбулентности, осложнённое присутствием дисперсной фазы и/или химическим реагированием. Пространственно-временная многомасштабность явления турбулентности, в которой наблюдается взаимосвязь и взаимовлияние вихревых структур с заметно различающимися пространственными и временными масштабами через каскадные процессы передачи энергии, затрудняет использование стандартных подходов теории систем управления главным образом из-за отсутствия универсальной физико-математической модели турбулентности, создание которой остаётся одной из нерешённых проблем науки. При наличии сопутствующих процессов, таких, как движение дисперсной фазы, горение, фазовые переходы (кавитация), возникают дополнительные сложности, связанные со сложностью понимания механизмов взаимодействия этих процессов с турбулентностью и отсутствием математических моделей, необходимых для синтеза эффективных управляющих систем. В этой ситуации становятся перспективными современные методы интеллектуального управления, использующие исскуственный интеллект, нейросети, машинное обучение, которые в ряде случаев позволяют адаптивно подбирать, подстраивать и регулировать определяющие параметры «чёрного ящика» турбулентности, априори неизвестные из-за отсутствия её полной математической модели. ?Развитие интеллектуальных подходов к управлению термогидродинамическими и физико-химическими процессами будет проводиться с использованием активно развивающихся в последнее время современных адаптивных методов управления с обратной связью и машинного обучения в сочетании с углублённым физико-математическим и численным моделированием и новейшими методами физического эксперимента, позволяющими детально понять механизмы исследуемых явлений. ?Основные направления (блоки работ):?1)?Разработка методов адаптивного управления каноническими турбулентными течениями (струи, следы, факелы, пристенные завесы и др.) с целью более глубокого понимания механизмов взаимодействия турбулентности и управляющих воздействий (модуляция расхода, локальный вдув/отсос, акустические возмущения, переменное электрическое поле)?2)?Экспериментальное исследование и численное моделирование нестационарных процессов при смесеобразовании и горении в модельной камере сгорания газовой турбины, в том числе при повышенных давлениях и температурах и больших числах Рейнольдса, близким к натурным, с целью оптимального управления горением на основе обратной связи?3)?Экспериментальное исследование и численное моделирование процесса адаптивного управления диспергированием жидкого топлива в форсунках с помощью модуляции расхода топлива, воздействия акустического поля и добавления перегретого водяного пара с целью повышения полноты сгорания топлива и надёжности работы энергетических установок, а также снижения экологически вредных выбросов.?4)?Экспериментальное исследование механизмов процессов переноса и эффективности управления в турбулентных двухфазных и кавитационных течениях, таких, как газокапельное течение в каналах и трубах, в том числе при наличии жидкой плёнки на стенках, и кавитационное обтекание тел (модельных лопаток гидро- и приливных электростанций) с целью разработки эффективных методов управления пространственным распределением и составом дисперсной фазы и её влиянием на процессы переноса.?5)?Адаптивное управление используемой для тепловой защиты лопаток газовых турбин пристенной тепловой завесой с целью повышения её эффективности путём воздействия на крупномасштабные вихревые структуры пограничного слоя, ??Первый и основной блок подразумевает разработку и отладку методов управления на модельных объектах, в том числе на основе панорамных оптических измерений и верифицированного численного моделирования. Результаты, получаемые в результате выполнения работ по первому блоку, будут использованы при проведении исследований в рамках остальных четырех блоков, которые посвящены апробации методов управления в условиях, приближенных к реальным энергетическим технологиям. При этом результаты, полученные в процессе апробации, будут использованы для выделения наиболее актуальных проблем в рамках рассмотрения модельных задач в рамках первого блока.?В результате выполнения проекта будут созданы научные основы для разработки малоэмиссионных камер сгорания для энергетических и транспортных газотурбинных установок, соответствующих современным требованиям по экологичности и энергоэффективности. Существенная часть полученных в проекте результатов будет использована для улучшения технологий разработки наиболее сложных для проектирования узлов ГТУ и ГТД в сотрудничестве с индустриальным партнером - АО «ОДК-Авиадвигатель».