ЭНЕРГЕТИКА

В области проблем теплообмена, создания теплофизических основ перспективных энергетических технологий, а также соответствующих методов диагностики в Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе получен ряд результатов, среди которых можно выделить следующие.

При применении методов лазерной доплеровской анемометрии до сих пор пренебрегали влиянием светодинамического воздействия зондирующих лазерных пучков на кинетику рассеивающих частиц. В Институте впервые обнаружены влияние фотодинамических эффектов на величину скорости газовых сред, измеренной этими методами, и явление светодинамической пространственной локализации частиц в зондирующем оптическом поле (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Изображения частиц, одна из которых светодинамически фиксирована в лазерном пучке, а другая движется под воздействием светового поля. Мощность излучения гелий-неонового лазера 15 мВт; радиус перетяжки лазерного пучка 25 мкм.

Захват и фиксация макрочастиц дыма в конвективном потоке осуществлялись в лазерном пучке, ориентированном ортогонально направлению силы тяжести. Временные интервалы, в течение которых частицы удерживались в лазерном пучке, были достаточно длительными и достигали десятков минут. Влияние зондирующего поля может проявляться через световое давление и фотофорез, причина которого — неоднородный нагрев лазерным лучом поверхности частицы и прилегающей среды. Отсюда следует, что в лазерной анемометрии встречаются ситуации, особенно при измерении малых скоростей, когда возмущением исследуемой среды под влиянием зондирующего поля нельзя пренебрегать и положение о "невозмущающем" характере измерений нарушается.

На основе решения полной системы уравнений Навье—Стокса проведено численное моделирование течения газа в вихревой трубке Ранка—Хилша. Алгоритм основан на применении гибридной сетки и метода расщепления по физическим процессам и пространственным переменным при неявном решении системы разностных уравнений. Отличительной особенностью алгоритма является низкая схемная вязкость, что существенно расширяет доступную для моделирования область чисел Рейнольдса. Проведено моделирование течения в вихревой трубке Ранка—Хилша при числах Рейнольдса приблизительно на два порядка ниже реальных. При моделировании выхода закрученного потока в затопленное пространство решена проблема постановки соответствующих граничных условий. Получена структура потока (рис. 2.2), определен эффект температурного разделения.

Рис. 2.2. Типичная картина линий тока осредненного течения в вихревой трубке Ранка—Хилша в окрестности "холодного" выхода (а — внутри трубки, б — снаружи, r, Z — радиальная и осевая координаты, R — радиус трубки).

Обнаружен автоколебательный режим течения, типичный для экспериментов. При отсутствии трения и теплообмена на стенках трубки имеет место консервативность величины температурного разделения по отношению к числу Рейнольдса. Для более полного понимания природы эффекта Ранка методом прямого статистического моделирования исследовано течение разреженного газа в вихревой трубке с зеркальными стенками. Анализ результатов показал, что разница в температурах торможения потоков газа, выходящих через "холодный" и "горячий" выходы, обусловлена, в основном, различием в моментах количества движения этих потоков. На основе этой закономерности разработана простая модель эффекта Ранка, которая обеспечивает предсказание величины температурного разделения в хорошем согласии с имеющимися экспериментальными результатами и может использоваться для оптимизации реальных устройств.

Проведено комплексное исследование теплоотдачи и кризисных явлений в стекающих по вертикальной поверхности пленках криогенной насыщенной жидкости в широком диапазоне изменения числа Рейнольдса (Re~10—2000). Экспериментально обнаружены регулярные структуры в докризисных режимах при кипении и испарении в стекающих пленках этой жидкости (рис. 2.3).

Предложены методы расчета условий возникновения "сухих" пятен и критического теплового потока в режимахс различными механизмами развития кризиса теплообмена в пленках жидкости. Экспериментально определены параметры режимов с интенсивным осаждением (вымораживанием) высокотемпературных растворимых примесей на теплоотдающей поверхности при кипении и испарении в стекающих пленках криогенной жидкости. Показано, что интенсивное вымораживание примесей происходит в зонах полного испарения жидкости на границах подвижных "сухих" пятен. Этот эффект будет приводить к существенному изменению смачивающих свойств теплоотдающей поверхности и к возникновению низкотеплопроводных покрытий на ней. Результаты исследований применяются при расчете теплообменников, парогенераторов в криогенной, холодильной и теплонасосной технике.

С помощью оригинальных, вибрационных методов проведены комплексные систематические исследования фазовых равновесий (рис. 2.4) в ряде щелочно-боратных систем: Li₂O—B₂O₃; K₂O—B₂O₃; Rb₂O—B₂O₃; Cs₂O—B₂O₃; Cs₂O—Li₂O—B₂O₃. Они используются, в частности, для выращивания монокристаллов и получения керамик и стекол. Установлено, что все изученные системы обладают "памятью" к термовременным воздействиям, проявляющейся в изменении температуры начала кристаллизации и составе кристаллизующихся в процессе эксперимента фаз и соединений. Определен состав кристаллизующихся фаз. Показано, что линии (поверхности) ликвидуса продолжаются как выше, так и ниже температуры нонвариантного равновесия. Впервые детально установлены условия, в которых перитектически плавящиеся соединения могут быть расплавлены конгруэнтно. Уточнен характер плавления некоторых соединений изученных фазовых диаграмм (например, впервые установлено, что диборат цезия плавится конгруэнтно). Обнаружено существование неизвестных ранее соединений, например, 2Rb₂O· 5B₂O₃ и 2Cs₂O· 5B₂O₃. Впервые установлено, что соединения Rb₂O· 2B₂O₃ и Rb₂O· 3B₂O₃ имеют по две точки конгруэнтного плавления, соответствующие α- и β-фазам. Предложен квазиизотермический метод для высокоточного определения температуры плавления склонных к стеклованию соединений.

Рис. 2.5. Результаты измерения параметров уходящих газов (температуры T, концентрации кислорода O₂, монооксида углерода CO и оксида азота NO) в течение цикла горения угля в слое.

В Институте систем энергетики им. Л.А.Мелентьева совместно с Лимнологическим институтом и НИИ биологии при Иркутском университете завершен цикл экспериментальных и теоретических исследований образования вредных веществ в периодических процессах слоевого сжигания твердых топлив (рис. 2.5). Выявлены и изучены закономерности образования оксидов серы и азота, а также продуктов неполного горения топлива: СО, сажи, 11 соединений полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), включая бенз(а)пирен; получены соответствующие количественные оценки. Выполнен химический анализ летучей золы; определено содержание в ней сажи, ПАУ, серы и азота; с помощью электронного микроскопа определен дисперсный состав летучей золы. Показано влияние фракционного состава топлива и длительности стадии пиролиза на состав и количество образующихся вредных веществ. С помощью разработанной в институте термодинамической модели экстремальных промежуточных состояний изучено влияние основных факторов (температуры и избытка воздуха в слое и объеме топки) на образование монооксида углерода, ПАУ, соединения серы и азота. Получено хорошее согласование теоретических и экспериментальных данных. Теоретически объяснены наблюдаемые в экспериментах пики выбросов ПАУ в течение цикла горения. Определены условия (режимы горения, требования к качеству топлива и конструкции топки), при реализации которых можно значительно сократить выбросы вредных веществ в атмосферу и повысить эффективность использования твердого топлива мелкими теплоисточниками. Эксперименты проводились на действующих котлах мощностью 1 МВт и домовых печах, в которых сжигались пять основных углей Восточной Сибири и дрова. Результаты работы используются при модернизации мелких теплоисточников в Иркутской области.

Рис. 2.6. Визуализация на экране дисплея схемы ЭЭС, где длина связей между узлами пропорциональна показателям их слабости.

В том же институте разработана новая технология анализа сложных электроэнергетических систем (ЭЭС), основанная на применении спектрального, сингулярного анализов и других аналитических методов для выявления слабых звеньев в ЭЭС (рис. 2.6) и наиболее чувствительных к внешним возмущениям элементов — сенсоров. На основе полученной информации о локализации собственных (сингулярных) значений и элементах собственных (сингулярных) векторов решаются задачи, трудоемкость которых без применения новой технологии исключительно велика, в том числе: оперативный (в темпе процесса) контроль надежности ЭЭС без проведения громоздких статистических испытаний; оптимальное размещение и настройка средств управления режимом ЭЭС, в том числе накопителей энергии, гибких устройств регулирования; синтез равнопрочной по отношению к возмущениям электрической сети; синтез измерительных систем для информационного обеспечения автоматизированных систем диспетчерского управления. Разработанные программно-вычислительные комплексы переданы в проектные и эксплуатационные энергетические организации.

Выполнен цикл исследований в области создания научных основ и механизмов реализации энергетической политики России и ее регионов. В Институте систем энергетики им. Л.А.Мелентьева по заданию Минтопэнерго РФ разработаны научно-методические основы и модельно-расчетный инструментарий для исследования и обоснования мер обеспечения энергетической безопасности (ЭБ) страны и ее регионов при чрезвычайных ситуациях социально-экономического, политического, природного и техногенного характера. Исследованы место, взаимосвязи и значение ЭБ в системе национальной безопасности страны (рис. 2.7), определен состав задач ЭБ и разработаны методы их решения. Систематизированы угрозы ЭБ, обоснован и ранжирован по уровням управления состав показателей — индикаторов ЭБ и разработаны методы определения их пороговых значений. Разработаны: принципы организации системы мониторинга и индикативного анализа уровня ЭБ страны; прототип геоинформационной системы для исследования ЭБ. Создана система моделей для оптимизации территориально-производственной структуры топливно-энергетического комплекса (ТЭК) страны с учетом требований ЭБ и выполнен анализ стратегий развития ТЭК России до 2010 г. с обоснованием мероприятий по обеспечению ЭБ. Результаты переданы в Минтопэнерго РФ и Совет безопасности РФ.

Рис. 2.7. Место и взаимосвязи энергетической безопасности в системе национальной безопасности страны.

В том же институте исследована концепция развития нефтегазовой промышленности восточных регионов России с учетом экспорта углеводородных ресурсов в страны Северо-Восточной Азии (СВА). Показано, что возможные приросты запасов природного газа и нефти крупных месторождений Сибирской платформы и сахалинского шельфа позволяют создать в восточной части России крупномасштабную нефтегазодобывающую промышленность с ежегодной добычей в 2015—2020 гг. нефти — 60—70 млн т, природного газа — 70—80 млрд м³. Это позволит не только удовлетворить внутренние потребности восточных регионов в углеводородном сырье, но и поставлять ежегодно на экспорт в страны СВА нефти 35—40 млн т, природного газа 55—70 млрд м³. Получены оценки экономической эффективности различных вариантов экспорта нефти и природного газа восточных регионов России в страны СВА. В частности, показано, что при прогнозируемых в странах СВА (Китай, Корея) ценах на природный газ в 150—220 долл./1000 м³ в 2015—2020 гг. российские проекты экспорта восточносибирского и дальневосточного природного газа в эти страны оцениваются как экономически эффективные: они позволяют получить "прибыль" от 20 до 40 долл. с каждой 1000 м³ природного газа при его экспорте в Китай и до 10—15 долл. за 1000 м³ — при экспорте в Корею.

Предложены схема и этапность формирования единой газотранспортной системы на востоке России:

Этап 1 (2000—2010 гг.): формирование региональной газотранспортной системы в Восточной Сибири и сооружение экспортного магистрального газопровода Иркутская область—Монголия—Китай—Корея. Ресурсная база: Ковыктинское газоконденсатное месторождение (Иркутская область), месторождения природного газа Западной Якутии и Красноярского края.

Этап 2 (2010—2015 гг.): формирование региональной газотранспортной системы в Западной Сибири и сооружение экспортного магистрального газопровода Западная Сибирь—Восточная Сибирь—страны Северо-Восточной Азии (Китай, Корея). Ресурсная база: месторождения природного газа Западной Сибири. Формирование региональной газотранспортной системы на Дальнем Востоке и сооружение экспортных магистральных газопроводов в Японию и другие страны Северо-Восточной Азии (Северная, южная Корея). Ресурсная база: месторождения природного газа сахалинского шельфа и Центральной Якутии.

Этап 3 (2015—2020 гг.): создание на Востоке России и в Северо-Восточной Азии Единой газотранспортной системы, основные контуры которой показаны на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Формирование газотранспортной сети и системы экспортных газопроводов на Востоке России.

В Институте физико-технических проблем Севера завершен цикл исследований по определению энергоэффективности применения атомных станций малой мощности (АСММ) в условиях Крайнего севера в зависимости от сроков строительства, развития и периода снятия их с эксплуатации. Установлено, что приведенные расчетные затраты на АСММ в зависимости от типа назначения и ядерного реактора, топливной загрузки изменяются в широком диапазоне (от 25 до 45%). Показаны существенное влияние на эффективность применения АСММ периода снятия их с эксплуатации и необходимость оценки данного фактора рационального использования АСММ уже на начальной стадии их технико-экономического обоснования.

ИНФОРМАТИКА

В области информатики институты Отделения преимущественно работают по двум основным направлениям: математические и численные проблемы физики и механики, энергетики, геофизики, экологии и динамики систем; научные основы создания систем информатики и информационно-телекоммуникационных технологий.

В Институте вычислительной математики и математической геофизики продолжены работы по развитию многодисциплинарной модели подготовки землетрясений, которая учитывает пространственно-временную эволюцию аномалий различных геофизических факторов (сейсмическое и гравитационное поля, электропроводность, уровень напряжений, деформаций, грунтовых вод и т.д.) и оценивает изменение объемной плотности числа трещин, принимаемой за дополнительный "интегральный" предвестник. Методом эквивалентных сил решена задача определения поля напряжений и формы зон "дилатансии" в земной коре по измеренным перемещениям точек земной поверхности (например, по данным Географической Позиционной Системы GPS-мониторинга). Выполнен сравнительный анализ разного типа предвестников землетрясений. В частности, показано, что интегральный фактор, выведенный из закона Арчи (скорость изменения консолидации среды, т.е. числа трещин), реагирует на событие за несколько суток (для указанного на рис. 2.9 примера — за 10 суток) до землетрясения, остальные (индивидуальные) реагируют лишь в момент его начала.

Рис. 2.9. Система точек в сети мониторинга провинции Хэбей (Китай) и изолинии поля смещений, восстановленные введением двух фиктивных эквивалентных источников землетрясения в ThangShang, 1976 г. (М=7,2).

В Институте вычислительных технологий разработана математическая модель процесса взаимодействия сверхзвуковой струи кислорода с поверхностью расплавленного металла в сталеплавильном конвертере, учитывающая образование газовой полости в толщине металла, протекание в ней химических реакций и диспергирование частиц металла с поверхности раздела фаз. Эта модель использовалась для численного моделирования газодинамики верхней продувки сталеплавильного конвертера с дожиганием СО до СО₂ (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Моделирование процесса дожигания СО при верхней продувке конвертера.
I — конвертер: 1 — фурма, 2 — конвертер, 3 — жидкий металл, 4 — центральная сверхзвуковая струя, 5 — боковые дозвуковые струи. II — концентрация О₂ (1) и СО₂ (2).

На основе результатов численного моделирования предложена новая технология торкретирования стенок сталеплавильных конвертеров (рис. 2.11), основанная на использовании струи низкотемпературной плазмы в качестве источника тепла для нагрева частиц магнезита, что позволяет отказаться от использования кокса, регулировать процесс размягчения частиц магнезита и повысить эффективность и качество формирования торкретслоя.

Рис. 2.11. Математическое моделирование струйного торкретирования сталеплавильных конвертеров.
I — технологическая схема процесса в конвертере: — колонна, 2 — двухфазные струи; II — динамика толщины торкретслоя (δ) вдоль стенки.

В том же институте разработана трехмерная численная модель воздушного потока в окрестности разветвления бронха человека, основанная на решении уравнений Навье—Стокса (рис. 2.12). Она позволяет определять поля закрученных потоков воздуха в окрестности ветвления, что является важной задачей при исследовании условий осаждения частиц в бронхах, а также при создании искусственных органов человека.

Рис. 2.12. Геометрическая модель участка разветвления бронха человека и распределение давления по его поверхности.

Разработан локальный многосеточный метод с ускоренными внутренними итерационными процессами для решения задач трансзвуковой аэродинамики. Его особенностями являются сочетание адаптивной многосеточной технологии и алгоритма ускорения сходимости внутренних итераций по методу наименьших квадратов, а также явная реализация. Построение приближения для вектора погрешности на последовательности вложенных сеток позволяет контролировать точность получаемых численных решений. Вычислительная схема использована для численного исследования трансзвукового обтекания эллипсоидов вращения (рис. 2.13). Многосеточная технология, с алгоритмом ускорения итераций, позволила сократить время получения приближенного решения на порядок.

Рис. 2.13. Распределение давления при сверхкритическом обтекании эллипсоида идеальным газом и топология вложения сеток: общая композиция и ее составные части (20x20x20, 30x19x38, 52x19x74).

В Институте вычислительного моделирования построена разностная схема решения двухмерных динамических задач механики деформируемого твердого тела, которая служит развитием идей С.К.Годунова в интегрировании гиперболических систем. Схема основана на итерационной процедуре решения одномерных задач, на которые расщепляется двумерная задача, и позволяет получать разрывные решения двумерной упругой задачи (рис. 2.14) с предельно высокой точностью. В частности, алгоритм точно описывает распространение разрывов в слоисто-упругих средах.

Рис. 2.14. Волны напряжений, возникающие в упругом цилиндре при ударе по его торцу.

В Институте динамики систем и теории управления для исследования проблем сложных управляемых движущихся объектов предложены два новых класса моделей решения задачи планирования вычислений на основе систем булевых уравнений. В первой модели условия задачи представляются в виде системы матричных логических уравнений автоматного типа. Логические векторно-матричные операции имеют эффективную реализацию на ЭВМ, что обеспечивает высокую эффективность алгоритмов планирования. Во второй модели условия задачи описываются в виде систем больших разреженных логических уравнений. Разработаны эффективный метод и алгоритм решения таких уравнений, приведены оценки сложности вычисления решений. Интегрированная среда выполнения ориентирована на конечного пользователя и поддерживает его действия по диалоговому формированию постановок исследовательских задач и работе с базами расчетных данных, обеспечивает на основе знаний о проблемной области планирование схемы решения задач, их конкретизацию и дальнейшее исполнение в режимах диалоговой интерпретации и генерации кода из системных спецификаций для ресурсоемких расчетных программ, включает средства обработки исключительных ситуаций и контрольных точек.

В Конструкторско-технологическом институте вычислительной техники создан программно-технический комплекс АСУ ТП энергоблока Сургутской ГРЭС-1 (рис. 2.15). Он позволил реализовать полный состав функций контроля и управления основным и вспомогательным оборудованием энергоблока, включая сбор и обработку информации о состоянии энергоблока и системы; вычисление обобщенных параметров и анализ логических условий; представление, регистрацию и документирование данных; принятие управляющих решений и выдачу команд на их реализацию; автоматическое регулирование, автоматическое управление при исполнении регулировок защит; оперативное изменение режимов работы оборудования энергоблока и формирование алгоритмов управления.

Рис. 2.15. Комплекс АСУ ТП.

В научных центрах Отделения продолжаются работы по созданию и поддержке информационно-телекоммуникационной среды. Так в Институте вычислительных технологий создана комплексная технология построения информационных ресурсов Отделения, базирующаяся на использовании WWWсервиса доступа к информационным ресурсам. Разработанная технология направлена на задачи создания и поддержки информационных ресурсов Отделения и информационную поддержку научных исследований, обеспечение использования информационных ресурсов мирового научного сообщества, предоставляемых сетью Internet, распространение своих достижений в виде электронных коллекций, атласов и информационных систем, а также в виде электронных публикаций и электронных библиографических ресурсов. Разработанная технология позволяет оперативно управлять и актуализировать информацию, хранящуюся в разнородных и распределенных по сети базах данных. По данной технологии разработана информационная система "Интеллектуальный потенциал Сибирского отделения РАН" и ведутся работы по созданию полнотекстовых баз данных (рис. 2.16) и электронных атласов Отделения в рамках проекта "Электронная библиотека СО РАН".