ЭНЕРГЕТИКА

Успешно продолжаются работы в области фундаментальных и прикладных проблем физики тепловых процессов, создания и развития новых энергетических технологий, систем энергетики и механизмов реализации энергетической политики. Среди результатов в этой области можно выделить следующие.

В Институте теплофизики им. С. С. Кутателадзе разработан мощный источник оптического излучения на основе безэлектродного низкочастотного разряда трансформаторного типа в парах серы и ртути. Источник представляет собой газоразрядную камеру, выполненную в виде тора и являющуюся вторичным витком трансформатора. Для возбуждения разряда используется магнитопровод, что позволяет перейти на сравнительно низкие частоты (10 ÷ 100 кГц) и увеличить при этом коэффициент связи между нагрузкой и источником питания. Отсутствие электродов в индукционном разряде трансформаторного типа позволяет создавать устройства с "неограниченным" ресурсом работы. Ресурс работы газоразрядного источника ограничен ресурсом работы материала колбы индукционной лампы и составляет величину более 10000 часов. Другим преимуществом такого источника света, по сравнению с дуговыми лампами, является простота и дешевизна изготовления, как самой лампы, так и источника питания. Низкочастотный индукционный разряд в парах ртути (Р_Ar = 200 Па, P_Hg ~ 10000 Па) при полной мощности разряда ~ 43 кВт сопровождается интенсивным свечением в линиях, из которых большая часть лежит в УФ-области спектра. Световой поток в видимой области достигает 2,5·10⁶ лм (рис. 2.1), что превышает значения лучших ртутных дуговых и ксеноновых ламп высокого и сверхвысокого давления. Источник имеет значительную протяженность светящегося объема и высокий общий световой поток, что позволяет применить данное устройство в разнообразных технологиях, требующих высокие световые потоки ультрафиолетового излучения.

В том же Институте методом гамма-просвечивания впервые измерены температурные и межфазные изменения плотности десяти фторидов редкоземельных элементов (ФРЭ) в интервале температур 293–1700 K твердого и жидкого состояний. Определены объемные изменения при полиморфных превращениях и плавлении-кристаллизации, а также коэффициенты теплового расширения (КТР) всех фаз. Установлено, что для тяжелых ФРЭ перестает выполняться линейная зависимость молярного объема расплава от радиуса редкоземельного иона (рис. 2.2), наблюдается уменьшение КТР жидких фаз и увеличение скачков плотности при плавлении. Это указывает на постепенное изменение структуры жидких фаз фторидов в ряду GdF₃ – LuF₃, связанное, по-видимому, с уменьшением координационного числа редкоземельного иона в расплаве по мере уменьшения его радиуса.

Создан новый комплекс программ численного моделирования пространственных двухфазных турбулентных течений при факельном сжигании угля в топочных камерах ТЭС. С его использованием впервые проведено всестороннее численное исследование вихревой топки Центрального котлотурбинного института, получены детальная информация о структуре пространственного течения в топке (рис. 2.3), распределения основных теплотехнических и экологических характеристик. Результаты расчетов соответствуют опытно-промышленным данным и свидетельствуют об экологической перспективности технологии вихревого сжигания.

Проведено экспериментальное исследование локальных турбулентных характеристик опускного пузырькового течения в вертикальной трубе в области докритических и переходных чисел Рейнольдса. Впервые показано, что в случае течения с малыми числами Рейнольдса наличие газовой фазы оказывает существенное влияние на характеристики течения даже при очень малых объемных газосодержаниях (рис. 2.4).

Проведено комплексное физическое и численное моделирование гидродинамики расплавов и конвективного теплообмена в системе тигель–расплав–кристалл для разномасштабных вариантов метода Чохральского (диаметры тиглей от 80 до 660 мм) (рис. 2.5). Экспериментально исследованы свободная, вынужденная и смешанная конвекции от ламинарных до турбулентных режимов течения жидкостей – имитаторов расплавов. Получена уникальная информация о пространственных и амплитудно-частотных характеристиках основных и вторичных течений. Определены пороги неустойчивостей различного типа, следствием которых является несовершенство монокристаллов. Определены области существования течений различного типа. Численно исследованы структуры и теплообмен при ламинарном термокапиллярном, термогравитационном и гравитационно-капиллярном течении жидкости в классическом варианте метода Чохральского и в методе горизонтальной направленной кристаллизации; исследованы свободная, вынужденная и смешанная конвекции в классическом варианте метода Чохральского и в его варианте, используемом для получения кристаллов диаметром 300–600 мм. Полученные результаты позволяют: 1) оценить относительную роль сил плавучести, термокапиллярного эффекта и центробежных сил в формировании структуры течения; 2) объяснить связь локальных особенностей структуры течения с локальными тепловыми потоками; 3) систематизировать закономерности локального и интегрального теплообмена.

В Институте систем энергетики им. Л. А. Мелентьева в развитие теории гидравлических цепей применительно к трубопроводным системам энергетики (системы тепло-, водо-, нефте- и газоснабжения) созданы новый методический и модельный аппарат и информационно-вычислительные базы для исследования проблем управления и развития таких систем. В том числе разработаны основы новой межотраслевой теории сетевой идентификации трубопроводных систем (ТПС) как относительно самостоятельного раздела теории гидравлических цепей (ГЦ). Предложен уникальный аппарат статистического оценивания ГЦ с сосредоточенными, переменными и распределенными параметрами, обладающий свойствами инвариантности к составу и характеру исходной информации, типу математического описания ТПС. Впервые на единой методической основе выполнена дифференциация и разработаны подходы и методы решения задач: расчета режимов по данным измерений; статического, квазидинамического и динамического оценивания состояния; прогнозирования состояний; ретроспективной, текущей, динамической и адаптивной параметрической идентификации; анализа адекватности моделей и структурной идентификации; системной диагностики и др. С комплексных позиций раскрыто содержание и предложена система методов анализа и синтеза идентифицируемости как одного из основных свойств ТПС, обеспечивающих эффективность решения задач развития, реконструкции и оптимального управления функционированием ТПС (рис. 2.6).

В том же Институте разработаны новые методические принципы, методы и модели исследования и обеспечения надежности систем энергетики в условиях либерализации экономики. Либерализация и дерегулирование отношений в энергетике существенно усложнили проблему обеспечения надежности энергоснабжения потребителей. При этом использование зарубежного опыта оказывается ограниченным вследствие специфики структуры энергетики России и особенностей ее организации. Для решения этой проблемы выполнено коренное совершенствование методических принципов, методов и моделей исследования надежности систем энергетики, главным образом, в части экономических механизмов, в том числе с учетом множественности субъектов отношений, новых возможностей обеспечения надежности через цены на энергоресурсы, страховые фонды и др. Получены конкретные рекомендации в части: а) наиболее рационального соотношения средств на обеспечение надежности через цены на энергоресурсы и страховые фонды; б) учета различных требований к надежности энергоснабжения в ценах на энергоресурсы; в) реализации рыночных принципов и механизмов управления резерва для обеспечения надежности энергоснабжения потребителей. Реализация этих рекомендаций требует вполне определенных затрат, включающих постоянную и оптимизируемую составляющие (рис. 2.7).

Постоянные (системообразующие) затраты обеспечивают базовый уровень надежности за счет структурных решений системного характера, реализующих взаимопомощь, взаиморезервирование подсистем. Дополнительные средства повышения надежности необходимо выбирать из минимума суммы затраты на мероприятия + ущерб от недостаточной надежности.

Выполнен системный анализ современного состояния отраслей топливно-энергетического комплекса России, показана необходимость реализации так называемой восточной энергетической политики и выявлены основные ее приоритетные направления:

ускоренное вовлечение в хозяйственный оборот нефтегазовых ресурсов Сибирской платформы и Сахалинского шельфа с доведением к 2015–2020 гг. ежегодной добычи в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке нефти до 60–65 млн т, природного газа до 70–80 млрд м³;

формирование энерготранспортной инфраструктуры на Востоке России с первоочередными экспортными магистралями: газопровод Иркутская область – Китай – Корея (30–35 млрд м³ в год); ЛЭП постоянного тока Братск – Пекин (16–28 млрд кВт·ч в год); газопровод о. Сахалин – Хабаровский край – Приморский край – Китай – Корея (18–20 млрд м³ в год);

реструктуризация угольной промышленности за счет комплексности переработки и использования углей – их облагораживания и обогащения, глубокой переработки в метанол, организации производства гуминовых удобрений из бурых углей, строительных материалов из угольных отходов и пр.;

широкомасштабное вовлечение в хозяйственный оборот местных и природных возобновляемых энергетических ресурсов с целью надежного энерго-, топливоснабжения изолированных и труднодоступных потребителей.

Реализация этих приоритетов позволит ускорить экономический и геополитический прорыв России на Восток и обеспечить развитие экономики восточных регионов страны с темпами, позволяющими вывести большинство макро-экономических показателей этих регионов на уровень 1990 г. в ближайшие 8–10 лет.

В Институте теоретической и прикладной механики на основе рациональной организации термогазодинамических процессов тепловых машин с целью повышения их энергетической и экологической эффективности развита концепция роторных машин трения многофункционального назначения от малошумящих бытовых вентиляторов до химических аппаратов и автономных источников энергообеспечения с применением элементов прямого преобразования энергии. Созданы инженерные методы расчета данных машин и проведена их экспериментальная проверка. Создан опытный образец автономного источника энергообеспечения, работающий на газе. Источник позволяет получить подогретый воздух, горячую воду и электроэнергию для питания электромотора дискового вентилятора и передачи внешним потребителям. Тепловая мощность источника до 5 кВт с превращением в электричество около 2 % и распределением тепла треть воздуху, две трети – воде. В конструкции использовано шесть газовых горелок с нержавеющими сетками в качестве излучателей и сбросом продуктов сгорания в атмосферу. Развитие этого направления стимулирует создание дешевых термоэлектрических преобразователей для малой энергетики.

В Конструкторско-технологическом институте вычислительной техники создана система по обслуживанию от одного до шести газопроводов одновременно для автоматизированного измерения расхода и количества природного газа, расчета его теплотворной способности по полному компонентному составу. Система применяется для коммерческих расчетов между поставщиками и потребителями природного газа.

В Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе разработан широкодиапазонный ультразвуковой теплосчетчик "Тритон" (рис. 2.8). В приборе применены оригинальный фазовый метод измерения скорости распространения звука в среде, схемотехнические решения с применением микропроцессора и математическая обработка информации. Теплосчетчик предназначен для измерения и коммерческого учета тепловой энергии и позволяет регистрировать информацию о температуре, давлении, расходе теплоносителя. Область применения теплосчетчиков – автономные и автоматизированные системы коммерческого и технологического учета отпуска и потребления тепловой энергии, контроля параметров теплоносителя ТЭЦ, городских теплосетей и энергохозяйства промышленных предприятий и других организаций. Внедрение теплосчетчиков в систему учета позволяет экономить энергоресурсы в объемах от 10 до 50 %. На прибор получен сертификат RU.C.32.007.A № 6499, и теплосчетчик "Тритон" внесен в Государственный реестр средств измерений под регистрационным № 18557–99.

ИНФОРМАТИКА

В научных центрах Отделения продолжаются работы по созданию и поддержке информационно-телекоммуникационной среды.

В ННЦ завершено строительство канала связи пропускной способностью 4 Мбит/с сети Новосибирского научного центра NSC-Net с ТЦМС-8, где расположены узел сети RbNet – "Российская сеть передачи данных для науки и образования" и Новосибирский региональный узел обмена IP-трафиком. Пользователи сети получили выход на все новосибирские сети, входящие в систему обмена трафиком, и в научно-образовательные сети Кемерова, Красноярска, Омска и Томска. С использованием данного канала были произведены подключения организаций ННЦ, расположенных в городе (рис. 2.9).

Локальная инфраструктура сети NSC-Net базируется на кабельной сети Отделения, имеющей звездообразную топологию с центральным узлом, расположенным в Институте вычислительных технологий. Для подключения организаций, находящихся в ближайшем окружении Академгородка (Центральный сибирский ботанический сад, институты СО РАМН и ряд других), арендованы у НГТС четырехпроводные соединения. Кроме приводных соединений в сети NSC эксплуатируются RadioEhternet каналы для связи с институтами СО РАМН, СО РАСХН, ГНЦ "Вектор" и лазерный канал для связи с ИХТТМ СО РАН. Проведены необходимые работы по коррекции схем кабельных коммуникаций сети ННЦ и обеспечено их соответствие с имеющими место реалиями. Выход во внешний мир в глобальный и российский Интернет обеспечивается двумя каналами. Первый – спутниковый канал связи с Гамбургом (DESY-DFN) через станцию спутниковой связи. Суммарная емкость канала 960 кбит/с. В настоящий момент этот канал в основном используется для передачи международного трафика. В соответствии с существующей договоренностью с DFN немецкая сторона согласна принять до 2 Мбит/с трафика со стороны NSC-Net, в том числе для транзита в другие страны, такое расширение планируется организовать в следующем году. Для передачи данных в пределах России используется инфраструктура сети RbNet. В настоящее время для сети NSC-Net предоставлен канал передачи данных с емкостью 512 кбит/с (в ближайшее время, в соответствии с достигнутой договоренностью, возможно увеличение его емкости до 1,5 Мбит/с).

Институт вычислительного моделирования активно работает над созданием интегрированной сети информационного центра в Красноярске. Оборудованы и функционируют линия (14,4 кбайт/с) Красноярск–КНЦ СО РАН и линия с Территориальным центром междугородней связи (2 Мбит/с). Ведутся работы по выходу в сеть Интернет через Ростелеком (64 кбит/c).

В рамках Иркутского регионального научно-образовательного комплекса (ИРНОК) реализована согласованная по пропускной способности (10–100 Мбит/с) открытая звездообразная структура Интегрированной информационно-вычислительной сети (ИИВС), которая имеет три узловых точки: ИДСТУ СО РАН, ИСЗФ СО РАН, территориальный центр связи (Ростелеком). В узлах созданной сети используются интеллектуальные маршрутизаторы. Такая архитектура позволила, во-первых, снизить объем трафика в сети за счет упорядочения выхода наружу внутрисегментного трафика, во-вторых, разграничить права доступа, в-третьих, предотвратить распространение широковещательного трафика и повысить суммарную производительность путем организации виртуальных локальных сетей (VLAN). Введен в эксплуатацию новый канал ИСЗФ – Ростелеком (на основе одномодового оптоволоконного кабеля вместо ранее использовавшегося медного канала). Это обеспечило выход ИИВС до Ростелекома на скорости до 100 Мбит/с, а также значительно повысило надежность передачи информации. Создана первая версия интегрированной информационной системы институтов ИНЦ СО РАН для информационного обеспечения мультидисциплинарных фундаментальных исследований в области геоэкологии и природопользования. Разработаны оригинальные средства публикации геоинформации в Интернет

В ГПНТБ СО РАН разработан и внедрен в эксплуатацию программно-информационный комплекс, основным назначением которого является предоставление возможности работы конечного пользователя сети Интернет с информационными ресурсами библиотеки. Это единственный в России программный продукт, позволяющий осуществить весь комплекс работ с базами данных с использованием Интернет (поиск, ввод, корректировка информации), что дает возможность решать основные библиотечные задачи. С помощью этого комплекса обеспечен доступ ученых СО РАН к 85 базам данных общим объемом более 15 млн записей (рис. 2.10). Введен в эксплуатацию сервер, обеспечивающий доступ к базам данных (по протоколу Z39.50), разработанный сотрудниками ОИГГиМ СО РАН. В настоящий момент это единственный в России сервер, который позволяет работать с русскоязычными базами данных в любых кодировках и на любых платформах (Windows NT, семейство OC UNIX). Под управлением этого сервера обеспечен доступ по протоколу Z39.50 к единственному крупному ресурсу в России – электронному каталогу ГПНТБ СО РАН (около 300 тыс. записей).

В Институте вычислительных технологий СО РАН разработана технология создания распределенных электронных коллекций в среде Интернет, базирующаяся на созданной концепции динамической системы формирования электронных документов. Разработка технологии связана с задачами создания и поддержки информационных ресурсов Отделения и направлена на создание полнотекстовых баз данных, электронных атласов и электронных коллекций Отделения в рамках программы "Электронная библиотека Сибирского отделения РАН". В основе концепции лежит представление документа, содержащего информацию о конкретных фактах, в виде набора объектов со своими характеристиками и атрибутами (наподобие структур в объектных языках программирования). Технология, поддерживаемая стандартами CORBA, реализована на основе трехуровневой модели представления данных и метаданных. С использованием данной технологии совместно с ЦСБС СО РАН создан интернет-каталог растений Сибири (рис. 2.11).

В Институте вычислительной математики и математической геофизики предложена экономичная методика решения прямых динамических задач акустики и сейсмологии, которая основана на комплексировании интегральных преобразований Лагерра по временной координате с высокоточными разностными методами по пространственным переменным. Решение задачи по временной переменной представляется в виде ряда по ортонормальным функциям Лагерра. В отличие от классических преобразований Фурье и Лапласа, применение интегрального преобразования Лагерра приводит к решению системы уравнений, не зависящей от параметра разделения. После применения высокоточных конечно-разностных аппроксимаций по пространственным переменным решается система линейных алгебраических уравнений со многими правыми частями с использованием быстрых алгоритмов по схеме Холецкого. Программный комплекс позволяет проводить с высокой точностью расчеты волновых полей в неоднородных, в том числе анизотропных, средах (рис. 2.12).

В том же Институте на основе вариационного принципа предложен и численно апробирован (рис.2.13) новый метод динамико-вероятностного численного моделирования климата в атмосфере, представленного ансамблем возможных независимых реализаций комплексов пространственно-временных полей гидрометеоэлементов. По доступной статистически значимой реальной климатической информации, заданной в виде соответствующих статистических характеристик (распределений, норм, дисперсий, корреляционных связей и т.д.), методами статистического моделирования строится ансамбль реализаций климатических случайных полей гидрометеоэлементов с заданной статистической структурой. Для каждой реализации из этого ансамбля решается задача вариационного усвоения с помощью математической модели гидротермодинамики атмосферы, в результате чего получается ансамбль новых реализаций, отличающихся от исходных с точностью решения задачи усвоения и удовлетворяющих свойствам, присущим математической модели. На этапе усвоения информации осуществляются необходимое восполнение ее недостающих фрагментов, фильтрация в соответствии с теми физическими законами, которые заложены в математическую модель, и взаимное согласование полей метеоэлементов в каждой из реализаций.

Разработана объектно-ориентированная система машинной графики SmogDX для создания динамических графических приложений в среде Microsoft Windows (рис. 2.14). Предложена оригинальная расширяемая система классов, реализующая оболочку под множеством интерфейсов MS DirectX. Система проста в освоении, но обладает функциональной мощностью, достаточной для создания широкого класса приложений.

В Институте вычислительных технологий на основе модифицированного метода частиц в ячейках с применением нового сеточного ядра созданы многомерные численные модели взаимодействия лазерных импульсов петаваттной мощности с плазмой докритической и сверхкритической концентрации. Проведено распараллеливание созданных алгоритмов для ЭВМ Cray T3E. Вычислительные эксперименты позволили найти условия формирования вакуумного канала (рис. 2.15, а, б) и возбуждения квазистатического магнитного поля и сильных продольных электрических полей в плазме (рис. 2.15, в, г), ускоряющих как электроны, так и ионы до релятивистских энергий. Полученные результаты имеют важное значение для теории и практики новых методов ускорения заряженных частиц и концепции быстрого поджига в лазерном термоядерном синтезе.

В Институте вычислительного моделирования по результатам статистического моделирования процессов деформирования и разрушения в зонах конструктивных концентраторов напряжений построены вероятностные модели напряженно-деформированных состояний конструкций с технологическими дефектами и эксплуатационными повреждениями. Проведены численные исследования процессов разрушения конструкций в условиях аварийных ситуаций (рис. 2.16). Получены оценки силовых и энергетических параметров разрушения стохастически дефектных элементов конструкций при упругом и упругопластическом нагружениях. Показано, что эффекты вариаций нагрузок не оказывают существенного влияния на вид закона распределения тензора напряжений в опасных сечениях конструкций. Разработаны алгоритмическое и программное обеспечение конечно-элементного и гранично-элементного моделирования напряженно-деформированных состояний конструкций, оценки показателей конструкционного риска и безопасного остаточного ресурса в аварийных ситуациях.

В том же Институте для построения дифференциальных связей разработан подход, основанный на вспомогательных линейных уравнениях. Эти уравнения обобщают классические определяющие уравнения, используемые для нахождения допускаемых инфинитезимальных операторов Ли. В ходе исследований получено уравнение, которому должны подчиняться все инвариантные дифференциальные связи, совместные с произвольным эволюционным уравнением второго порядка. Этот результат послужил основой для введения новых линейных определяющих уравнений. Данный метод позволил найти неклассические симметрии для уравнения вращательно-симметричного течения идеальной жидкости, выделить уравнения нелинейной теплопроводности и эволюционные уравнения третьего порядка, обладающие дифференциальными связями высоких порядков. Построены неинвариантные решения нелинейного уравнения "быстрой диффузии" (рис. 2.17).

В Институте систем информатики разработан многоязыковый комплекс средств анализа программ, нацеленных на решение проблемы 2000 г. В частности, получила широкое распространение и была применена на практике настраиваемая, языково-независимая система Scan2K, которая позволяет выявлять фрагменты программ, представляющие потенциальную опасность с точки зрения манипулирования датами, и прослеживать информационные и структурные зависимости от таких фрагментов.

Современное состояние информатики и программирования нельзя представить себе без применения теоретико-графовых методов. В том же Институте впервые выпущен в свет толковый словарь по теории графов (рис. 2.19).