Научная работа

НАУЧНАЯ РАБОТА

 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

В рамках данного научного направления разрабатываются следующие темы:

1. Анализ, компьютерное моделирование, оптимизация работы аппаратов и устройств, в которых происходит течение жидкости или газа (химических реакторов, теплообменных аппаратов, смесителей, градирен и т.д.), а именно:

 Расчет, разработка и создание эффективных фильтров для различных технологических циклов с возможностью 3D печати (с учетом специфики процесса и геометрии области);

Расчет, разработка и создание пористых теплообменников с повышенной энергоэффективностью;

Расчет, разработка и создание гравитационно-динамических сепараторов для разделения эмульсий, в том числе с близкими плотностями с возможностью промышленной 3D печати, либо сварки;

Регулирование температурно-влажностного режима в помещениях сложной геометрии (анализ, расчет, рекомендации);

Используемые пакеты прикладных программ: ANSYS, SolidWorks, AuthoCAD и другие.

2. Создание программных комплексов на языке Python, прогнозирующих работу устройств и аппаратов при различных изменениях (конструкции, расходов сырья, вида сырья);

3. Создание электронных моделей тепловых сетей городов с использованием программного комплекса ZuluGIS.

Пример численного моделирования технологического процесса – работы реактора кипящего слоя (картина объемного содержания частиц)

Исследование теплообмена в высокопористых ячеистых структурах: (слева) – образцы пеноматериала, применяемые в качестве теплообменников, (справа) – численное моделирование процесса теплообмена в программном комплексе ANSYS.

Моделирование изменения параметров микроклимата в зданиях сложной геометрии: (слева) – компьютерная модель внутреннего пространства собора, (справа) – рассчитанное температурное поле при установке обогревателей

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ИМПОРТОЗАМЕЩАЮЩИХ АППАРАТОВ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

Научным направлением является разработка математического описания и выполнение численного моделирования гидромеханических и тепло- и массообменных процессов в пленочных и барботажных контактных устройствах различных конструкций- хаотичных и регулярных насадках; блоков оросителей градирен;  тепло-и массообменных тарелках; очистки газов в барботажном слое и в насадках; десорберах и деаэраторах;  в вихревых аппаратах.

Регулярная насадка «Инжехим»

В различных отраслях промышленности  и энергетике для проведение тепло –и массообменных и сепарационных процессов с газо(паро) жидкостными средами самое широкое применение получили способы взаимодействия фаз в пленочных и барботажных системах: ректификация, абсорбция (десорбция), охлаждение газов и жидкостей, конденсация, испарение, мокрая очистка газов от дисперсной фазы и др. В большинстве перечисленных процессов происходит одновременный переход теплоты и вещества (компонента)  из одной фазы в другую в условиях подвижной межфазной поверхности и не всегда известной площадью контакта фаз. Кроме  этого такие процессы характеризуются значительными энергатратами (особенно ректификация) и сложностью конструкций контактных устройств, неравномерностями  распределения фаз при масштабном переходе, что является одной из основных причин снижения эффективности тепло- и массообмена. Описание явлений переноса импульса, массы и энергии в газожидкостных средах осуществляется с применением приближенных и численных методов на основе нелинейных систем дифференциальных уравнений с учетом взаимодействия фаз.

Экспериментальный  стенд «Тепломассообменная  колонна»

В связи с повышением требованием к энергосбережению, замена импортного оборудования на новое отечественное актуальной проблемой является развитие методов математического моделирования тепломассообменных  процессов и экспериментальные исследования новых конструкций  контактных устройств, а также внедрение научно-технических разработок на промышленных предприятиях и ТЭС.

Рамках научного направления получены стипендии Президента РФ 2012-2019гг, получена премия молодым ученым РТ 2019г, получен грант РНФ 18-79-10136 (2018-2024).

ПУЛЬСАЦИОННЫЙ МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ

ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Суть пульсационного метода интенсификации теплообмена заключается в том, что на поток теплоносителя накладываются принудительные колебания (пульсации) с учетом технических характеристики теплообменного оборудования. Интенсификация теплообмена достигается за счет увеличения локальных скоростей, дополнительной турбулизации и выравнивания температурных полей потока.

Известно, что теплопроизводительность теплообменного оборудования может снизиться ввиду ряда причин (загрязнение поверхности теплообмена, изменение температуры охлаждающего теплоносителя и т.д.). В то же время имеющиеся пассивные методы интенсификации теплообмена трудно применить для интенсификации теплообмена существующего теплообменного оборудовании, поскольку они требуют изменении конструкции. К преимуществам можно отнести, то что пульсационный метод интенсификации позволяет восстановить теплопроизводительность существующего теплообменного оборудования без его разбора и замены конструкции. С другой стороны пульсационных методов воздействия на потоки теплоносителей приводит к снижению скорости образований отложений и увеличению межремонтного периода работы теплообменных аппаратов за счет увеличения скорости потока и его турбулизации.

Вариант пульсатора. Общий вид

На примере маслоохладителей осуществляющих охлаждение масла подшипников насосных агрегатов насосно-перекачивающих станций, показано, что наложение колебаний на поток масла в межтрубном пространстве приводит к интенсификации теплообмена и повышению эффективности процесса охлаждения за счет снижения расхода охлаждающей воды. Разработаны технические решения для реализации метода. Имеются патенты на полезную модель. Дальнейшие исследования направлены на адаптацию полученных результатов для широкого класса теплообменного оборудования, различных теплоносителей и режимов течения.

Экспериментальная установка для исследования пульсационных методов повышения эффективности теплообменного оборудования

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ  ПУЛЬСАЦИОННЫЙ ЭКСТРАКТОР НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДОФАЗНОГО СЫРЬЯ

Пульсационный экстрактор непрерывного действия для получения водных, водно-спиртовых и водно-пропиленгликолевых экстрактов из сырья растительного, животного, минерального или техногенного происхождения. Экстрактор является новым классом тепломассобменного оборудования и единственной перспективной альтернативой периодически-действующим и непрерывным экстракторам. Отличительными преимуществами экстрактора являются: повышенная эффективность процесса экстракции в непрерывном,  противоточном режиме при нестационарных условиях взаимодействия; низкий расход экстрагента, повышенная конечная концентрация и высокое качество экстрактов; низкие эксплуатационные затраты, производственная безопасность, наилучшая энерго- и ресурсоэффективность. С помощью экстрактора можно повысить мощность переработки действующих производств или создать на его основе новые энергоэффективные технологические линии. Реализация прорывных аппаратурно-технологических решений на базе пульсационного экстрактора позволяет повысить конкурентоспособность производств и обеспечить лидирующие позиции на рынке.Перспективный принципиально новый пульсационный способ технологического транспортирования твердых дисперсий в виде плотного слоя. Предназначен для разработки эффективных непрерывно-действующих тепломассообменных аппаратов для твердожидкофазных систем. Альтернатива традиционным механическим способам транспортирования.

Физические основы - движение твердых дисперсий в виде плотного слоя за счет несимметричных колебаний жидкой фазы и специальных конструктивных приемов.

Макет энергосберегающего  пульсационного экстрактора непрерывного действия для переработки твердофазного сырья

Экспериментальное исследование процессов переноса в гетерогенных системах и оптимизация аппаратурного оформления на базе цифровых двойников методами вычислительной гидродинамики

ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

Экстрагирование биологически активных веществ из березового гриба чага, производительность 3-4 т/сут, аппарат “ГАСПАКА-1”

Экстрагирование этиловым спиртом ароматических смол из хмеля, произ-водительность 8-10 т/сут,  аппарат “ГАСПАКА-2”

Для повышения энергоресурсоэффективности сахарных производств разработан диффузионный пульсационный аппарат (ДПА), конструкция которого получила высокую оценку зарубежных и отечественных специалистов. ДПА предназначен для проведения процесса диффузионного извлечения сахара из свекловичной стружки в непрерывном противоточном режиме.

Отличительные преимущества

• Отсутствие в аппарате металлоемких транспортирующих устройств
• Полное использование активной поверхности контакта фаз и объема ДПА
• Интенсификация процесса диффузии и теплообмена  благодаря периодически-нестационарному движению фаз
• Оптимальный коэффициент заполнения аппарата; отсутствие застойных зон; исключение контакта жидкой фазы с воздушной средой
• Технологическая  очистка сит и фильтров в рабочем режиме
• Устойчивость рабочих режимов и управляемость, функциональность
• Отсутствие механического разрушения стружки и снижения ее фактора
• Стабильность работы при изменениях физического состояния стружки
• Повышенная энергоресурсоэффективность

ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ПУЛЬСАЦИОННАЯ ОБРАБОТКА НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН

Для повышения эффективности ремонта нефтяных скважин разработан оригинальный способ пульсационной обработки с применением мобильной пульсационной установки (МПУ). МПУ – новое, автономное, многофункциональное оборудование для реализации водной, реагентной и комплексной обработки продуктивной зоны нефтяных скважин. Обработка скважин осуществляется в «щадящем» режиме обработки (давление до 80 атм.) и без применения внутрискважинных устройств. При этом  повышение проницаемости и увеличение глубины проработки пластов обусловлено созданием вынужденных, циклически повторяющихся гидроимпульсных  воздействий и формированием устойчивых режимов депрессии-репрессии в зоне обработки.  Эффективность применения пульсационной обработки подтверждена  рядом опытно-промышленных испытаний в различных функциональных и технологических режимах.  МПУ является полностью российской разработкой и обеспечивает инновационное импортозамещение  технологий ремонта скважин и является инструментом для ее реализации.

Полевые испытания МПУ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЁТА СТЕРЖНЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ АРМИРОВАННОГО БЕТОНА НА ОСНОВЕ ДИАГРАММ ДЕФОРМИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ И С УЧЁТОМ НАКОПЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ

На кафедре активно развивается научное направление по решению практических проблем строительной отрасли. Проводятся теоретические и экспериментальные исследования, большее значение придаётся численным расчётам и компьютерному моделированию, что обеспечивает высокие современные требования по цифровизации научной и инновационной деятельности.

Актуальность тематики обусловлена отсутствием единой целостной теории рассматриваемых типов расчёта, несмотря на широкое использование в строительных нормах частных диаграммных методик, имеющих при этом ряд выявленных недостатков и несовершенств. Результатами исследований по этому направлению являются: новая математическая модель деформирования железобетонного стержня; система разрешающих уравнений диаграммного метода в матричном виде, описывающих предложенную модель; ряд частных расчётных методик и алгоритмов, поддающихся относительно простой автоматизации на ЭВМ; несколько методик и результаты компьютерного моделирования стержневых элементов из армированного бетона с учётом физической нелинейности материалов, образования и развития трещин, а также контактного взаимодействия компонент сечения – в программных комплексах Лира-САПР и Ansys; рекомендации по усилению железобетонных балок сталефибробетонными «рубашками» – результат решения частной прикладной задачи на основе предложенной теории и т.д. В планах широкое внедрение полученных результатов в строительные нормы РФ, в частности в СП 63.13330, СП 430.1325800 и др.

Получение диаграмм деформирования бетона бетона при сдвиге на основе компьютерного моделирования

Испытание железобетонной балки, усиленной «рубашкой» из сталефибробетона

Новые диаграммы деформирования бетона при одноосном сжатии и растяжения. Полученные с использованием положений теории накопления повреждений

Описание процесса нагружения и разрушения бетонной призмы при сжатии: I – работа растянутой зоны призмы, II – работа сжатой зоны призмы, III – работа всесторонне сжатого клина под грузвойо площадкой на сдвиг

Усиление железобетонной балки «рубашкой» из сталефибробетона

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЁТА И ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ВЫСОТНЫХ СООРУЖЕНИЙ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ

Высотное сооружение рассматривается, как единая строительная система «тонкостенный стержень-оболочка замкнутого профиля/решётчатая стержневая конструкция – железобетонный фундамент – грунт основания». Пот этому направлению рассмотрены некоторые ранее нерешённые фундаментальные проблемы теории тонкостенных оболочек в части учёта касательных напряжений и сдвиговых деформаций. На этой основе разработаны авторские методики расчёта рассматриваемой конструктивной системы. Для подтверждения теоретических и расчётных результатов проведены масштабные эксперименты, для чего изготовлены «в металле» и запатентованы две опытные установки. Проведенные исследования позволили получить оптимальные формы конструкций сооружений башенного типа (полнотелых, решётчатых) и их узлов сопряжения. Эффективность и новизна предложенных технических решений подтверждена 25-ю патентами РФ.

Результаты исследований будут интересны научным сотрудникам, лицам, задействованным в учебном процессе по строительному профилю, инженерам-проектировщикам и конструкторам, а также практикам (заказчикам) для экономии средств путём возведения конструкций и сооружений минимального веса, что обосновывается расчётом и подтверждается патентами.

На основе полученных в результате исследований алгоритмов и методик уже создано около пяти прикладных компьютерных программ (AutoRSS.01…05) для инженерных расчётов, на которые получены необходимые сертификаты. Это направление активно развивается, что повышает уровень цифровизации деятельности кафедры в целом.

Научные работы членов кафедры отмечены двумя медалями (золотой и серебряной) Российской академии архитектуры и строительных наук (РААСН) за 2019 г.

Моделирование НДС в зоне стыка вертикальных элементов опор ВЛ в виде трбчатых стержней

Моделирование совместной работы системы «опора ВЛЭП-фундамент-грунт основания» в ПК Ansys

Общий вид испытательного стенда для определения статической, циклической и динамической прочности опор ВЛЭП

Схема испытательного стенда для определения статической, циклической и динамической прочности опор ВЛЭП. Патент RU 2 654 897 C1

ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ В ЭНЕРГЕТИКЕ

Для контроля производственных процессов в энергетике используются следующие методы: газо-жидкостная хроматография, восходящий вариант жидкостной колоночной хроматографии, тонкослойная хроматография, высокоэффективная жидкостная хроматография.

Контролируемые объекты: трансформаторы и турбинные масла, продукты горения газообразного топлива, питательная и сточная вода, состав органического топлива, строительно-отделочные материалы. Разработка методик анализа в трансформаторном масле свободной и связанной воды, фурановых соединений, антиокислительной присадки ("Ионол"), газовыделения,  асфальтенов, смол, парафинов, анализ газовыделений из строительно-отделочных материалов, разработка методики анализа для санитарно-гигиенической сертификации качества строительной продукции по газовыделению токсичных примесей.

Центральная аналитическая лаборатория хроматографических методов анализа КГЭУ