ИМСС УрО РАН

Details: Category: Конкурсы Российского научного фонда (РНФ); Published: 15 December 2022; Hits: 823

Проект направлен на решение проблемы, заключающейся в том, что эффективность и надежность систем охлаждения ядерных энергоустановок, использующих жидкометаллический теплоноситель, может снижаться при продолжительной эксплуатации. Негативные явления возникают на фоне загрязнения металла. В проекте выполняется исследование фундаментальных основ характерных магнитогидродинамических процессов, с конечной целью создания методов анализа и прогнозирования, а также разработки конкретных технологических решений.

Проведено математическое моделирование процесса сепарации непроводящих частиц в ячейке. Использован комбинированный лагранжевый-эйлеровый подход. Показано, что при фиксированной величине внешнего магнитного поля и размерах частиц скорость течения жидкости на входе в ячейку оказывает относительно малое влияние на эффективность сепарации. Построены зависимости коэффициента сепарации от времени при различных значениях внешнего магнитного поля и диаметрах частиц. Определены зависимости эффективности раздела фаз от параметров различных конфигураций, создающих электромагнитные силы в исследуемой ячейке, а также от параметров межфазного взаимодействия.

При наложении внешнего магнитного поля на электропроводящую среду, по которой течет ток, возникает электромагнитная сила, приводящая в движение среду. Структура течения определяется топологией растекания электрического тока, которая, в свою очередь, определяется количеством и формой примесей в электропроводящей среде. Получены зависимости электромагнитной силы от отношения размеров частиц и мезообъема, для разных способов создания электромагнитных сил, а также параметров процесса и двухфазной среды.

Выполнены эксперименты на сепарационной ячейке, представляющей собой вертикально расположенную плоскую прямоугольную кювету из оргстекла с рядом аккумулирующих перегородок, задерживающих сепарированную примесь в области между ними, с двумя электродами для пропускания тока вдоль кюветы. Ячейка помещена в магнитное поле. Измерения проводились при помощи ультразвукового доплеровского анемометра (УДА). Для верификации расчетов гидродинамических процессов было проведено экспериментальное исследование процесса МГД-воздействия на включения. Средой являлся раствор электролита, а второй фазой и трассерами - частицы сажи. В верификационном эксперименте была специально создана неоднородность электромагнитной силы, которая привела к генерации достаточно интенсивного вихревого течения. Результаты расчетов демонстрируют неплохое согласие с экспериментом. В экспериментах по процессу электромагнитного осаждения, пространстве между перегородками возникают паразитные вторичные течения. Интенсивность таких течений невелика, но этого оказывается достаточно для постепенного вымывания примеси из области аккумуляции и затруднения анализа изучаемого процесса. Все указанные трудности приводят к тому, что моделируемый процесс хоть и демонстрирует свою работоспособность, но имеет низкую эффективность на электролите. Для работы с химически активными расплавами жидких металлов наиболее подходит индукционный метод измерений электропроводности. В ходе выполнения проекта был разработан и изготовлен портативный индукционный датчик электропроводности металлов. Было определено, что датчик способен различать между собой образцы металлов и сплавов с разной электропроводностью, а также регистрировать изменение концентрации меди в оловянно-свинцовых цилиндрах. Таким образом, выполнено экспериментальное исследование индукционной методики определения электропроводности на твердых цилиндрических образцах металлов и их сплавов с известными электрическими проводимостями.

Исследованы магнитогидродинамические процессы, возникающие в коаксиальном канале индукционного электромагнитного насоса для жидкого металла. Численно и экспериментально исследованы расходно-напорные характеристики индукционного насоса бегущего магнитного поля. Результаты, полученные при решении данной задачи позволяют утверждать, что проблему оперативного определения электропроводности можно преодолеть с помощью анализа характеристик электромагнитного насоса, который всегда присутствует в подобных системах очистки теплоносителя и контроля его свойств. Обнаружено, что расчетное значение частоты электрического тока, обеспечивающее экстремум напора, совпадает с экспериментальным, если в расчетах взята электропроводность галлиевой эвтектики. Таким образом, с помощью математического моделирования и физических измерений можно определять неизвестное текущее значение электропроводности. Это позволяет разработать еще одну методику определения электропроводности, основанную на измерении характеристик насоса.

Численно и экспериментально изучался процесс взаимодействия движущейся в канале электропроводной среды с внешним магнитным полем. Получены безразмерные уравнения, описывающие динамику жидкости с неоднородными свойствами под действием внешнего магнитного поля, которые решались в некотором диапазоне параметров. Показано, что линейное распределение неоднородности приводит к появлению несимметрии профиля течения. Выявлено, что начиная с некоторых значений управляющих параметров в профилях скорости появляются точки перегиба. Для учета явления переноса поля выполнено исследование, в котором определялась степень смещения магнитного поля относительно исходного положения в зависимости от скорости потока электропроводной среды при числах Рейнольдса больше единицы. Исследование переноса локализованного магнитного поля потоком движущейся электропроводной среды показало, что при существенных скоростях среды происходит относительно небольшое смещение максимума магнитного поля относительно исходного положения. Экспериментальное исследование проводилось с использованием галлиевого контура. В случае приварки контактов к стенке, измерительная система показала полную неспособность определять расход. В случае использования электрической изоляции между жидким металлом и измерительными контактами, эдс показывает практически линейную зависимость от расхода. В данном случае очевидны преимущества использования электрической изоляции для контактов для повышения как способности измерения, так и чувствительности.

Разработана эскизная схема размещения МГД комплекса с условием компоновки существующего натриевого испытательного стенда: силовой каркас, на котором будут монтироваться все устройства комплекса. Выполнена предварительная планировка размещения сепарационной ячейки для разделения фаз электропроводной среды. Изготовлены элементы лабораторной установки. Наиболее сложным для разработки и изготовления является канал для электромагнитного насоса, который будет осуществлять циркуляцию духфазной среды в лабораторной установке разделения фаз. На следующем этапе начатые работы по изготовлению электромагнитного насоса и сепарирующей ячейки будут полностью завершены.

Таким образом, все поставленные на первый этап задачи были решены. В ходе выполнения первого этапа проекта были опубликованы две запланированные статьи. Трое участников проекта сделали четыре доклада о результатах работ по проекту на трех конференциях. Результаты выполнения первого этапа проекта заложили основу для выполнения второго этапа проекта, обеспечив хорошие возможности для достижения поставленных целей.

Этап 2

С использованием комбинированной лагранжевой-эйлеровой модели выполнены расчеты сепарации в цилиндрических каналах различного диаметра (А1.2). Построены зависимости коэффициента сепарации от частоты внешнего переменного магнитного поля для частиц различного размера при течении в каналах различного диаметра. Также определена зависимость коэффициента сепарации от расхода при фиксированной частоте внешнего магнитного поля. С использованием многоскоростной модели проведены расчеты эволюции распределения примеси во вращающемся течении с целью дальнейшей верификации. Определены зависимости коэффициента гомогенизации от времени для различных топологий электромагнитной силы.

Изучено течение жидкого металла вблизи частицы, с отличающейся электрической проводимостью (А2.2). Линии электрического тока искажаются вблизи частицы; возникают электромагнитные силы, генерирующие в жидкости течение в виде полоидальных и азимутальных вихрей. Энергия течения быстро растет при отклонении проводимости частицы от проводимости металла и выходит на асимптоту, когда различие проводимостей оказывается существенным. Во всем диапазоне исследованных параметров электромагнитного воздействия течение неустойчиво, имеют место пульсации скорости.

Рассмотрено течение жидкого металла вблизи нескольких электропроводящих частиц различной формы (А2.3). При коллинеарном направлении внешнего магнитного поля и электрического тока электромагнитная сила возникает за счет искажения линий тока вблизи частиц. Характер и структура течения зависит от топологии растекания электрического тока, которая определяется электропроводностью частиц, их количеством, расположением, формой. В течении генерируются интенсивные пульсации.

Изучен один из способов генерации электромагнитной силы в электропроводной среде с помощью индукционного механизма (B1.2). В данном случае переменное магнитное поле действует на среду, в ней индуцируется вихревой электрический ток и силы. В эксперименте с помощью ультразвукового доплеровского анемометра исследована скорость жидкой галлиевой эвтектики. Получены профили скорости для разных значений питающего индуктор тока. Численно изучена интенсивность, топология и характер поведения вихревого течения, вызванного электромагнитной силой, в транзитном потоке канала сепаратора. Получены поля скорости электропроводной среды для разных соотношений электромагнитной силы и скорости транзитного течения.

Определены кривые эволюций концентрации примесных частиц в ходе циклической прокачки двухфазной жидкометаллической среды через область электромагнитного воздействия (B1.3). Основными варьируемыми параметрами процесса разделения фаз были: форма канала, в котором осуществляется вытеснение примесных частиц из основного потока, а также интенсивность электромагнитного воздействия, определяемая напряженностью электрического и магнитного полей, создающих объёмные силы. Изучена топология течения в области электромагнитного воздействия.

Изучена неинвазивная методика воздействия на проводящие среды с помощью переменных магнитных полей в конфигурации пинча в цилиндрической ячейке (B2.2). Методика приводит к генерации вихревых течений. Магнитное поле генерируется коротким соленоидом, подключенным к источнику переменного тока. Численное исследование вихревого течения в цилиндрической ячейке показало, что в изучаемом диапазоне параметров возникают колебательные режимы. Применение Фурье анализа позволило обнаружить наличие выделенной частоты, а вейвлет-анализ позволил надежно оценить ее значение.

Рассмотрена электропроводящая цилиндрическая ячейка и индукционный датчик, помещенный вблизи (продолжение B2.1). При помощи численного моделирования исследована зависимость отклика датчика от электропроводности объема. Полученные результаты позволяют сделать вывод о допустимости использования индукционного датчика для контроля электропроводности сред.

Изучено поведение двухфазной среды в щелевом канале цилиндрического насоса бегущего поля (B3.2). Расчеты выполнены с помощью математической модели блока задач А. Эксперименты проведены на натриевом стенде. Получены зависимости перепада давления электропроводной среды, представляющей собой натрий с растворенными окислами, от частоты питающего тока, по методике аналогичная изложенной в задаче В3.1. С ее помощью оценена реальная эффективная электропроводность исследуемой среды.

Исследованы характеристики и эволюция поля скорости (экспериментально с помощью ультразвукового доплеровского анемометра), а также поля концентрации примесей (численно) в плоском слое с различным аспектным отношением электропроводной двухфазной среды, находящейся под действием бегущего магнитного поля с вариацией углов между тремя фазами питания линейной индукционной машины (B3.3). Результаты этого исследования послужили для верификации численной схемы, с помощью которой были получены требуемые эволюции поля концентрации примесной фазы.

Исследован кондукционный способ генерации электромагнитной силы (B4.1). С помощью математического моделирования получены величины интенсивности течения, формы профиля и пульсационные характеристики для различных значений интенсивности электромагнитной силы. Предложен и реализован кондукционный способ измерения зависимости эффективной проводимости ограниченного объёма металлического расплава. Полученная зависимость эффективной проводимости от концентрации примеси имеет существенно нелинейный характер в области малых концентраций.

Выполнена численная и экспериментальная проверка кондукционного способа регистрации скорости на реальной среде путем сравнения с имеющимся эталонным расходомером (В5.2). Калибровка производилась на натриевом стенде в температурном диапазоне 140-210 градусов. Среднее значение относительной погрешности составило 1.3%, максимальное – 3.2%. Расчеты и эксперименты, в целом, показали, что наличие растворенных примесей не оказывает существенного влияния на показания расхода в данном способе.

Разработана и создана электромагнитная система (B6.2), которая генерирует объемные силы в сепарирующей ячейке. Анализ показал, что индукционная система азимутального пинча является наиболее рациональной с технологической и конструкционной точек зрения. Разработанное и изготовленное электромагнитное устройство проверено и готово к внедрению в участок очистки.

Для лабораторной установки по электромагнитному разделению фаз в электропроводной среде изготовлен насос, обеспечивающий циркуляцию жидкого металла (B6.3). Это индукционный электромагнитный насос с цилиндрическим коаксиальным каналом. Насос имеет 12 катушек. Расчетное давление в стопорном режиме – 0.25 МПа; расход жидкого металла – 3 куб.м/ч.

Разработан и изготовлен новый вид индуктора, который бесконтактно создает электромагнитные силы в расплавленном металле, вызывающие его перемешивание (B6.6). Расчеты показали, что выбранного количества ампер-витков и умеренного значения электрического тока в обмотках достаточно, чтобы в жидком металле создалось развитое перемешивающее течение во всей рабочей ячейке.

В ходе выполнения второго этапа проекта были опубликованы либо приняты к печати три запланированные статьи. Всего сделано 17 докладов на 7 конференциях. Результаты выполнения второго этапа проекта заложили основу для выполнения третьего этапа проекта.

Details: Category: Конкурсы Российского научного фонда (РНФ); Published: 09 December 2022; Hits: 1383

Аннотация проекта:
Турбулентная конвекция в замкнутых и открытых системах – сложное многомасштабное явление, актуальность изучения которого традиционно обосновывается тем, что именно она определяет динамику множества природных систем, включая недра звезд и планет, океаны и атмосферу. Конвективные системы являются базовым объектом исследования специалистов по нелинейным системам, путям зарождения и развития хаоса, взаимодействия крупномасштабной циркуляции с мелкомасштабной турбулентностью и имеют многочисленные практические приложения как в гео- и астрофизике, так и в технологической теплофизике и гидродинамике. Новым направлением исследований турбулентной конвекции является турбулентный тепломассообмен в системах с неоднородными в пространстве и во времени граничными условиями, а также в системах с дополнительными внутренними степенями свободы (например, свободно плавающими объектами, влияющими на тепломассоперенос). Именно на решение таких задач в контексте климатологических и метеорологических приложений направлен данный проект, в рамках которого специалисты по турбулентному теплообмену, по численной и экспериментальной гидродинамике, совместно с метеорологами рассмотрят ряд задач, имеющих прямой выход на проблемы формирования опасных и неблагоприятных метеорологических условий на масштабах от крупного индустриального центра до обширных циклонов и антициклонов умеренных и полярных широт. Будет выполнено комплексное лабораторное и математическое моделирование атмосферных течений в упрощенной постановке с привлечением большого объема данных наблюдений и реанализов, а также результатов расчетов с помощью глобальных и мезомасштабных численных моделей атмосферы. Конкретно будут рассмотрены три блока задач. Первый блок направлен на исследование блокирующих явлений в умеренных широтах, которые могут быть причиной опасных метеорологических явлений, связанных с волнами тепла или холода. В рамках проекта предлагается использовать лабораторную модель, а именно тонкий вращающийся слой жидкости с разнесенными по высоте источниками тепла и холода. Пространственное и временное варьирование граничных условий позволит выявить характерные особенности крупномасштабной циркуляции и изучить статистику экстремальных событий, так называемых блокингов, и струйных течений. Это поможет понять природу роста количества экстремальных погодных явлений в последние десятилетия. Второй блок задач направлен на исследование влияния крупных плавающих теплоизолирующих объектов на формирование конвективных течений и распределение теплопотоков. Такими объектами в различных природных системах являются крупные массивы льда, тектонические плиты, облачные кластеры. Известно, что облачные кластеры, препятствуя радиационным и конвективным потокам, заметно изменяют распределение температуры вблизи подстилающей поверхности и тем самым могут оказывать существенное влияние на структуру приземных конвективных течений. Выявление связей между формированием интенсивных ветров и наличием облачных кластеров важно для лучшего понимания механизмов образования опасных метеорологических явлений. В качестве идеализированной модели данных процессов предлагается рассмотреть свободноплавающее теплоизолирующее тело на фоне интенсивной конвекции. Третий блок задач направлен на изучение формирования конвективных течений в области городской агломерации, в том числе городского острова тепла, и их влияния на условия комфортности жизни. Большую сложность при решении данной проблемы представляет разнообразная морфология городской застройки и природных ландшафтов. Решение задач данного блока требует комплексного подхода, включающего в себя совершенствование существующей микромасштабной математической модели городской атмосферы, лабораторное моделирование конвективных течений для различных морфотипов, в том числе и при наличии внешней вентиляции, анализ метеоданных и результатов численных расчетов.

Руководитель проекта:

Фрик Петр Готлобович, д.ф.-м.н., зав. лаб. ИМСС УрО РАН (г. Пермь)

Краткий отчет по результатам выполнения второго года проекта РНФ №22-61-00098:
Все задачи проекта разбиты на три блока. Первый блок направлен на исследование блокирующих явлений в умеренных широтах, которые могут быть причиной опасных метеорологических явлений, связанных с волнами тепла или холода. Второй блок задач направлен на исследование влияния крупных плавающих теплоизолирующих объектов на формирование конвективных течений и распределение теплопотоков, с приложением к таким природным объектам, как массивы льда, тектонические плиты, облачные кластеры. Третий блок задач направлен на изучение формирования вынужденных и свободноконвективных течений в области городской агломерации, в том числе городского острова тепла, и их влияния на условия комфортности жизни.
Среди основных результатов второго этапа выполнения проекта можно отметить результаты лабораторного и численного моделирования общей циркуляции атмосферы при изменении условий в полярной области. Показано, что значительная вариация мощности охлаждения и граничных условий приводит к количественным изменениям в структуре и интенсивности бароклинных волн. Установлено, что отклонения энергии основных мод для разных случаев могут достигать 25 %, а локальная вариация охлаждения оказывает сильное влияние на структуру аналога полярной ячейки. Размер и граничные условия на поверхности холодильника играют решающую роль в структуре и интенсивности аналога полярной ячейки. Переход от сильного локального охлаждения в центре и равномерного охлаждения на остальной части свободной поверхности к равномерному охлаждению по всей поверхности приводит к ослаблению зональных потоков. Главным и довольно неожиданным результатом моделирования потепления Арктики является заметная трансформация поля средней температуры, а именно: центральная область и большая часть нижнего слоя становятся теплее, в то время как большая часть верхнего слоя и периферийная (экваториальная) часть нижнего слоя становятся холоднее.
С помощью стандартного метеорологического пакета WRF-ARW версии 4.2.2 проведено моделирование предельных состояний земной атмосферы для выявления роли отдельных факторов. Предельные ситуации — глобальный океан или глобальная пустыня показали роль фазовых переходов в атмосфере Земли. В первом случае вследствие парникового эффекта циркуляция не выражена из-за отсутствия значимого межширотного градиента. Во втором случае песчаная поверхность, в отличие от океана, не может аккумулировать большое количество тепла, поэтому воздух у поверхности земли быстро охлаждается в зимнем полушарии и быстро нагревается в летнем, из-за чего пассатных течений не возникает. Комбинация океанических и пустынных зон (все однородны по меридиану) приводит к тому, что крупномасштабная циркуляция атмосферы приобретает черты, близкие к земной, что позволяет рассматривать такую конфигурацию базовой для дальнейших численных экспериментов. Проведенные эксперименты показали ведущую роль поглощенной части солнечной радиации (инсоляции) и вклада водяного пара (парниковый эффект, выделение скрытого тепла) при формировании крупномасштабных атмосферных течений.
На основе лабораторных и численных экспериментов проведен систематический анализ динамики свободноплавающего вдоль вытянутой конвективной ячейки тела и структуры возникающих конвективных течений. Показано, что поведение системы определяется числом Релея, геометрическими параметрами (отношением толщины слоя к его длине и отношением размеров тела к длине слоя), и глубиной погружения тела и демонстрирует разнообразные режимы поведения тела, от покоя и строго периодических колебаний до стохастических. Режим регулярных колебаний возникает в полостях не слишком вытянутых, при умеренных нагревах и вертикальном положении диска вблизи теплового пограничного слоя. Этот режим ограничен в пространстве параметров, но не имеет резких границ. Периодические движения возникают в определенном диапазоне отношений размера тела к длине полости. С ростом числа Релея движения диска становятся все менее регулярными. При удалении диска от теплообменника режим регулярных колебаний не регистрируется вовсе. При малых нагревах диск остается у одной из стенок, а по мере роста числа Релея начинает совершать колебательные движения вблизи одной стенки. При дальнейшем росте числа Релея диск иногда совершает экскурсы вплоть до противоположной стенки, но что интересно, асимметрия движения сохраняется на протяжении всей реализации, что позволяет предположить существование доминирующей крупномасштабной циркуляции одного знака. При еще больших нагревах движение становится хаотическим, без какой-либо асимметрии.
В лабораторных экспериментах по исследованию динамики и структуры течений в конвективной ячейке со свободной верхней поверхностью и радиационным подогревом нижней поверхности, в которой на фиксированной высоте свободно перемещается в одном направлении теплоизолирующая пластина, показано, что динамика тела существенно зависит от оптических свойств его поверхности. Диск со светоотражающей поверхностью демонстрирует регулярные квазипериодические колебания, перемещаясь от одного края полости к другому. Период колебаний существенно зависит от геометрии полости и высоты фиксации диска. Если же диск поглощает или пропускает падающий на него свет, то он перемещается к одной из боковых стенок и остается там.
Усовершенствована модель переноса излучения в городской среде в рамках программного комплекса «SigmaEco», которая теперь учитывает рассеяние солнечного и теплового излучения в дисперсной среде, а также лучистый теплообмен с зелеными насаждениями. Разработана математическая модель, описывающая влияния зеленых насаждений на тепломассообменные процессы в городской среде в приближении пористой среды и на процессы образования и переноса паров воды. Отладка модели м тестирование было выполнено на данных наблюдения в г. Красноярск.
В результате экспериментов в аэродинамической трубе с набором макетов морфотипов городской застройки с применением скоростных оптических методов, в том числе трассерной визуализации верифицированы численные модели, определены условия масштабируемости задачи, подтверждены возможности физического моделирования формирования аэрационного режима и условий ветрового комфорта городской среды в лаборатории.
Методика зонирования по уровням пешеходного ветрового комфорта, была реализована на реальных жилых микрорайонах города Красноярска. Рассматривалась городская застройка преимущественно смешанного морфотипа, где здания имеют разную геометрическую форму и высоту. В ходе проведения численных исследований было определено, что на территориях дворовых пространств преобладают благоприятные условия для пребывания человека, скорости ветра не превышают 2,5 м/с и относятся к А классу комфортности среды. Рекомендовано расположение зон отдыха, детских площадок, а также расположение общественных террас. В области расположения высотных зданий наблюдается увеличение скоростей до значений, считающихся дискомфортными и опасными для жизнедеятельности, скоростной режим характеризуется классом С. В данных областях необходимо осуществлять ветрозащитные мероприятия.

Публикации по результатам проекта, вышедшие в 2023 г.:

Фрик П., Филимонов С., Гаврилов А., Попова Е., Сухановский А., Васильев А. (Frick P., Filimonov S., Gavrilov A., Popova E., Sukhanovskii A., Vasiliev A.) Rayleigh-Benard convection with immersed floating body Journal of Fluid Mechanics (2023 г.) WOS SCOPUS Q1 иные ББД
Васильев А. Ю. , Попова Е.Н., Фрик П.Г., Сухановский А.Н. (Vasiliev A. Yu. , Popova E. N., Frick P. G., Sukhanovskii A. N.) Drift of a Free-floating Body in a Convective Layer Heated by Radiation Journal of Siberian Federal University. Mathematics and Physics. (2023 г.) WOS SCOPUS RSCI РИНЦ
Дектерев Д. А., Лобасов А.С., Мешкова В.Д., Литвинцев К.Ю., Дектерев Ар.А., Дектерев А.А. (Dekterev D.A., Lobasov A.S., Meshkova V.D., Litvintsev K.Yu., Dekterev Ar.A., Dekterev A.A.) Анализ влияния масштабного фактора на результаты моделирования обтекания зданий Теплофизика и аэромеханика (2023 г.) WOS SCOPUS RSCI РИНЦ
Литвинцев К.Ю., Дектерев А.А., Мешкова В.Д., Филимонов С.А. (Litvintsev K.Yu., Dekterev A.A., Meshkova V.D., Filimonov S.A.) Влияние излучения на формирование ветрового и температурного режима в городской среде Теплофизика и аэромеханика (2023 г.) WOS SCOPUS RSCI РИНЦ
Филимонов С.А., Гаврилов А.А., Фрик П.Г., Сухановский А.Н., Васильев А.Ю. (Filimonov S.A., Gavrilov A.A., Frick P.G., Sukhanovsky A.N., Vasiliev A.Yu.) Моделирование движения погруженной пластины в развитом свободно-конвективном слое Известия вузов. Физика. (2023 г.) WOS SCOPUS RSCI РИНЦ
Калинин Н.А., Ветров А.Л. (Kalinin N.A., Vetrov A.L.) Индексы комфортности климата в Перми и Красноярске за период 1991–2020 гг. Геосферные исследования (2023 г.) WOS SCOPUS РИНЦ
Быков А.В., Ветров А.Л., Фрик П.Г., Сухановский А.Н., Калинин Н.А., Степанов Р.А. (Bykov, A.V., Vetrov, A.L., Frick, P.G., Sukhanovsky, A.N., Kalinin, N.A., Stepanov, R.A.) Численное моделирование предельных состояний планетарной атмосферы Географический вестник (2023 г.) RSCI РИНЦ
Мешкова В., Дектерев А., Литвинцев К., Филимонов С. (Meshkova V., Dekterev A., Litvintsev K., Filimonov S.) Current approaches to studying the level of pedestrian comfort in urban development E3S Web of Conferences (2023 г.) SCOPUS иные ББД

Результаты проекта были широко представлены на российских и зарубежных конференциях в 2023 году: :
XXIII Зимняя Школа по механике сплошных сред, Пермь, 13-17 февраля 2023:
Организована и проведена подсекция «Динамическая метеорология», на которой участниками проекта представлены устные доклады:
1) Литвинцев К.Ю., Гаврилов А.А., Филимонов С.А. Влияние излучения на формирование аэрационного режима в городской застройке
2) Дектерев Д.А., Мешкова В.Д. Применение методов трассерной визуализации для исследования аэродинамики модельных групп зданий
3) Евграфова А. В., Ветров А. Л. Анализ температуры поверхности городов Пермь и Красноярск на основе спутниковых данных
4) Васильев А.Ю., Попова Е.Н., Фрик П.Г., Сухановский А.Н. Динамика свободноплавающего тела в условии естественной конвекции при радиационном нагреве
5) Филимонов С.А., Гаврилов А.А., Литвинцев К.Ю., Васильев А.Ю., Попова Е.Н. Движение погруженной пластины в развитом свободно конвективном слое
6) Сухановский А.Н., Попова Е.Н., Васильев А.Ю. Лабораторное моделирование арктического потепления
7) Степанов Р.А. Пространственная неоднородность атмосферной турбулентности по данным реанализа NCEP-CFSR
8) Калинин Н.А., Быков А.В., Ветров А.Л. Прогноз степени суровости погоды в феврале 2019 года в городе Красноярск по данным модели WRF
9) Степанов Р.А., Соколов Д.Д., Фрик П.Г. Согласованность климатических изменений различных временных масштабов в Центральной Англии и Гренландии
Всероссийская научная конференция с международным участием «Енисейская Теплофизика», Красноярск, 28-31 марта 2023 :
10) Фрик П.Г. «Особенности турбулентной конвекции жидкого металла в замкнутых объемах» - Приглашенная лекция.
11) Васильев А., Попова Е., Сухановский А., Фрик П. Динамика и теплообмен в конвективной системе с плавающим теплоизолятором при радиационном нагреве подстилающей поверхности - Устный доклад. (Тезисы докладов I Всероссийской научной конференции с международным участием «Енисейская теплофизика». Красноярск, 2023. С.261-263.)
12) Гаврилов А. А., Платонов Д. В., Сухановский А.Н. «Прямое численное моделирование лабораторной модели общей циркуляции атмосферы» - Устный доклад (Тезисы докладов I Всероссийской научной конференции с международным участием «Енисейская теплофизика». Красноярск, 2023. С.264-266.)
13) Мешков К. Н., Дектерев А. А., Мешкова В.Д., Шульженко П.Д., «Сбор метеоданных из открытых телекоммуникационных источников и методология их использования для оценки температурного уровня комфорта городской среды» - Устный доклад (Тезисы докладов I Всероссийской научной конференции с международным участием «Енисейская теплофизика». Красноярск, 2023. С.282-284.)
14) Литвинцев К.Ю., Дектерев А.А., Филимонов А.А. Интенсификация процессов тепломассопереноса в городском квартале под действием солнечного излучения - Устный доклад (Тезисы докладов I Всероссийской научной конференции с международным участием «Енисейская теплофизика». Красноярск, 2023. С. 118-120.)
15) Дектерев Д.А., Лобасов А.С., Мешкова В.Д., Литвинцев К.Ю., Дектерев Ар.А., Дектерев А.А. Анализ влияния масштабного фактора на результаты моделирования обтекания зданий - Устный доклад. (Тезисы докладов I Всероссийской научной конференции с международным участием «Енисейская теплофизика». Красноярск, 2023. С. 99-101.) В рамках конференции "Енисейская теплофизика" организован и проведен круглый стол «ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ КРУПНЫХ ГОРОДСКИХ АГЛОМЕРАЦИЙ» с двумя докладами (из 7) участников проекта:
16) Ветров А.Л. и др. «Региональная модель WRF как инструмент изучения городской атмосферы»
17) Литвинцев К.Ю. и др. «Микромасштабное моделирование атмосферы города»
VII Международный симпозиум по региональной экономике (REC-2023) «Города нового времени: система GLASS», 27-29 июня 2023 г. (Екатеринбург)
18) Мешкова В.Д., Дектерев А.А., Дектерев Д.А., Литвинцев К.Ю., Филимонов С.А.Современные подходы исследования уровня пешеходного комфорта в условиях городской застройки - устный доклад.

XIII всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, 21-25 августа 2023 года, Санкт-Петербург.
19) Фрик П.Г., Степанов Р.А., Шестаков А.В. О реализуемости режима Обухова-Болджиано в среде с неоднородной плотностью и неконсервативных каскадах в развитой турбулентности - Устный доклад
20) Сухановский А.Н., Васильев А.Ю., Попова Е.Н., Гаврилов А. Влияние локального охлаждения на формирование бароклинных волн во вращающемся слое - устный доклад
VIII Всероссийская научная конференция "Теплофизика и физическая гидродинамика"

Научная молодежная школа "Теплофизика и физическая гидродинамика: современные вызовы" (ТФГСВ2023), 4-10 сентября (Махачкала) http://www.itp.nsc.ru/tph/2023/index.html
21) Дектерев Д.А., Литвинцев К.Ю., Мешкова В.Д., Дектрев Ар.А. «Анализ применимости численных моделей для моделирования ветровой комфортности микрорайонов» - устный доклад IX Всероссийская конференция "Пермские гидродинамические научные чтения", 4-6 октября 2023 (Пермь)
22) Фрик П.Г., Васильев А.Ю., Попова Е.Н., Сухановский А.Н., Филимонов С.А., Гаврилов А.А. Дрейф погруженного в жидкость тела при конвекции в прямоугольных полостях - устный доклад (Аннотации докладов. С.42.)
23) Васильев А.Ю., Попова Е.Н., Сухановский А.Н., Фрик П.Г. Динамика свободноплавающих тел в слое жидкости с радиационным нагревом - устный доклад (Аннотации докладов. С.12.)
24) Быков А.В., Сухановский А.Н., Калинин Н.А., Степанов Р.А., Фрик П.Г., Ветров А.Л. Моделирование предельных состояний планетарной атмосферы с использованием пакета WRF-ARW - устный доклад (Аннотации докладов. С.12.)
25) Сухановский А.Н., Гаврилов А.А., Васильев А.Ю., Попова Е.Н. Моделирование арктического потепления в лабораторной модели общей циркуляции атмосферы - устный доклад (Аннотации докладов. С.40.) 9-th International Conference on Rayleigh-Benard turbulence, 16-20 Oct.2023. Xi'an. China
26) Peter Frick “Large Scale Dynamics of Turbulent Convection in Closed Systems” // 9-th International Conference on Rayleigh-Benard turbulence, 16-20 Oct.2023. Xi'an. China (Keynote Talk) - Приглашенная лекция
27) Andrei Sukhanovskii, Andrei Gavrilov, Elena Popova, Andrei Vasiliev “Modeling of baroclinic waves with geophysical applications” // 9-th International Conference on Rayleigh-Benard turbulence, 16-20 Oct.2023. Xi'an. China - устный доклад

Всероссийская конференция «XXXIX Сибирский теплофизический семинар» посвящённой 90-летию академика А.К. Реброва» 28-31 августа 2023 г., Новосибирск.
28) Шульженко П.Д., В.Д. Мешкова, Дектерев А.А. Численное исследование формирования ветровых зон в результате обтекания моделей разной геометрической формы - устный доклад
29) Шульженко П.Д., Мешкова В.Д., Дектерев А.А., Мешков К.Н. Численное исследование аэрационного режима жилой застройки - устный доклад

Международная научная конференция «Безопасность жизнедеятельности и климатические риски развития территории Енисейской Сибири», 16-19 октября 2023г., Красноярск.
30) Шульженко П.Д., Мешкова В.Д., Дектерев А.А., Мешков К.Н. Численное исследование аэрационного режима городской застройки периметрального типа - устный доклад
31) Мешкова В.Д., Шульженко П.Д., Дектерев А.А., Литвинцев К.Ю., Мешков К.Н. Численное исследование формирования аэрационного режима и условий ветрового комфорта в разных морфотипах городской застройки - устный доклад.

Details: Category: Конкурсы Российского научного фонда (РНФ); Published: 08 December 2022; Hits: 374

Russian Science Foundation Project No. 22-21-00572 " Development of laboratory model of general atmospheric circulation ".

Project leader:

Sukhanovskii Andrei , senior researcher, D.Sc. ICMM UB RAS (Perm, Russia).

Project objectives:

The project aims to create and validate a laboratory model of the general circulation of the atmosphere.

At present, the most widely used model of general atmospheric circulation is a gap between two coaxial cylinders, on the walls of which different temperature values are set. This approach quite effectively models the large-scale circulation in the middle latitudes. However, the general atmospheric circulation has a more complex structure and consists of several cells (Hadley, Ferrell, and polar), the seasonal intensity of which can vary appreciably. It leads to the problem of the atmospheric circulation modeling in a more realistic framework. The project participants, varying the layer thickness, the distance between heating and cooling sources, their intensity, and the bottom slope, plan to realize the meridional circulation in the form of three cells. The implemented laboratory model will serve as the basis for solving a whole set of problems linked to the baroclinic waves in atmosphere.

Supplementary materials:

video (in a rotating frame, accelerated 10 times)

Summary final report on the results of the second year of the RNF project No. 22-21-00572:

A new model of the general circulation of the atmosphere has been developed, which represents a rotating liquid layer with an aspect ratio noticeably less than unity, with a localized rim heater located at the periphery of the bottom and a disk-shaped cooler placed in the central part, at the upper boundary of the liquid layer. The rim heater simulates heating in the equatorial region and the cooler, cooling in the polar region. The heater is specially displaced from the side wall to minimize its influence on the formation of flows, due to non-slip condition at the boundary.

Based on the developed principal scheme, an experimental model was realized, which is a tank of square cross-section with a side of 700 mm and a height of 200 mm. To realize the cylindrical layer, an additional cylindrical wall made of Plexiglas with a thickness of 3 mm and radius R = 345 mm was inserted into the tank. At the bottom there is a rim, electric heater with a width of 25 mm. The distance from the side wall to the outer boundary of the heater is 40 mm. Cooling of the liquid is provided by heat exchange with ambient air on the free surface (room temperature is kept constant by the air conditioning system), a cooler located in the central part of the upper boundary, and heat flow through the side wall. Aluminum powder was used to visualize the flow pattern in the upper layer. Images were captured using a Bobcat 2020 4 megapixel CCD camera.

Experimental measurements provide only partial information about the system under study, therefore, to reconstruct the three-dimensional structure of the flow, a direct numerical simulation of thermal convection in a rotating cylindrical layer was performed using the freely distributable computational fluid dynamics package OpenFOAM v2106. The computational domain is a digital copy of the experimental model in terms of its geometric dimensions, location of the heater and cooler.

The solution of the main task of the project required a large number of experiments and numerical simulations. Heating power (from 8 to 120 W), rotation speed (from 0.08 to 0.48 rad/s), layer thickness (3 cm and 6 cm), physical properties of the liquid (water and PMS-5, Prandtl numbers 5.4 and 63) were varied. A large amount of data obtained by experiments and mathematical modeling was analyzed. On the basis of these results three papers were prepared and published, including in two high-level journals specializing in geophysical topics (Q2), one more paper has been prepared and is under review.

The following can be highlighted as the main results obtained in the frame of the project:

- the principal differences in the formation of mean large-scale flows and baroclinic waves in different atmospheric circulation models are shown. An important difference of the presented model from classical annulus configurations is the absence of steady waves. All wave modes, even with a regular wave structure, are characterized by strong non-periodic fluctuations. The observed baroclinic wave structures are a combination of different baroclinic modes evolving in time. This proves that the spatial distribution of heating and cooling, their location, and the type of boundary condition are important for the stability of baroclinic waves. With increasing rotational velocity, the waves in our model become irregular and represent a set of azimuthal wave modes, the main energy of which is contained in modes from m=2 to m=8, which agrees well with the data for the real atmosphere. A map of regimes in the plane of the thermal Rossby number-Taylor number is constructed.

- the influence of processes in the Ekman layer on the formation of mean flows and baroclinic waves was analyzed. The analysis was carried out on the basis of data from numerical calculations. It is shown that the main source of meridional circulation is thermal convection, and the radial flows induced in the viscous boundary layer are not of primary importance. The distribution of velocity fluctuations shows that, except for the heating region, they are mainly concentrated in the upper layer. The velocity fluctuations are damped in the Ekman layer, and as a result the baroclinic waves in our model are localized in the upper layer. It is consistent with the results of other authors, both for the laboratory system and for the real atmosphere.

- the most important result of the project is the successful realization in the laboratory model of the flows whose structure is qualitatively similar to the circulation in the real atmosphere. The model allows us to obtain the meridional circulation consisting of three cells, analogs of Hadley, Ferrel (of baroclinic wave nature) and polar cells. The structure of baroclinic waves, the location of their formation, and the mode composition are also similar to what is observed in the atmosphere. It is shown that the atmospheric mode in the laboratory model is realized only in a limited range of parameters. Decreasing the rotation rate leads to regularization of baroclinic waves, and increasing the rotation rate on the contrary leads to destruction of long waves and geostrophic turbulence. The realized model makes it possible to carry out long-term controlled experiments and can serve as an effective tool for studying various aspects of the global atmospheric circulation.

- to study the influence of the beta effect on the structure of mean flows and baroclinic waves, experiments and numerical simulations with a sloping bottom were realized. The simulations showed that a twofold change in the aspect ratio (from 0.09 to 0.17) does not lead to a qualitative change in the structure of the mean meridional circulation. A relatively small tilt (5 degrees) leads to noticeable quantitative changes in the fluid flow, preserving the overall flow structure. However, a further increase of the inclination up to 10 degrees leads to crucial changes both in the flow structure and in the intensity of wave motions. The formation of a downward cold flow due to the bottom slope (analog of slope currents) has a strong influence on the current structure. The presence of bottom slope leads to intensification of wave motions. Transformation of the meridional circulation at large tilts leads to noticeable changes of zonal flows, in particular, to the formation of an anticyclonic circulation near the bottom. The general changes in the structure and dynamics of flows lead to noticeable changes in the mean temperature distribution. Experiments were carried out for an inclination angle of 5 degrees, a fixed heating power (120 W), two layer thicknesses (35 mm and 60 mm), three rotational velocities of 0.11 rad/s (mode without baroclinic waves), 0.23 rad/s (mode of regular unsteady baroclinic waves), and 0.37 rad/s. Qualitative analysis of the observed flows showed that the beta effect has a significant influence on the structure and dynamics of the waves.

Details: Category: Наши исследования; Published: 11 November 2022; Hits: 1914

На портале Минобрнауки вышла статья, посвящённая работе учёных из ИМСС УрО РАН

Запасы традиционной (легкой) нефти естественным образом истощаются. Это приводит к необходимости создания новых технологий для извлечения сверхтяжелой нефти, которая отличается высоким уровнем вязкости. Ученые разработали цифровой двойник месторождения сверхтяжелой нефти. Трехмерная математическая модель позволит подобрать оптимальные параметры нефтедобычи с учетом особенностей геологического строения конкретного месторождения и поможет оценить его рентабельность. Работу провели специалисты подведомственного Минобрнауки России Института механики сплошных сред, входящего в Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения РАН.

Details: Category: Наши исследования; Published: 06 September 2022; Hits: 2284

В ведущем научном журнале в области механики жидкости Journal of Fluid Mechanics вышла статья сотрудников ИМСС УрО РАН Мизёва А.И., Шмырова А.В. и Шмыровой А.И. «On the shear-driven surfactant layer instability». Работа посвящена изучению течений в жидкостях, на поверхности которых имеется слой молекул поверхностно-активного вещества (или сурфактанта). Межфазная гидродинамика, в рамках которой рассматриваются такого типа задачи, до сих пор далека от полного понимания явлений, несмотря давнюю историю развития. Это связано с междисциплинарным характером таких проблем, лежащих на стыке гидродинамики и физической химии. Слои сурфактанта толщиной всего в одну молекулу представляют собой двумерные объекты, характеризующиеся своей собственной диффузией и реологией, что необходимо учитывать при описании течений жидкости.