Modeling of systems and processes Modeling of systems and processes Моделирование систем и процессов 2219-0767 76075 10.12737/2219-0767-2024-17-1-57-65 Технические науки Технические науки Modeling of heat and mass transfer systems in industrial nuclear power plants Решение задач тепло- и массообмена в технических объектах на основе компьютерного моделирования Карелин Андрей Николаевич Karelin Andrey Nikolaevich Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова RU FSBE Institution of Higher Education Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov RU 24 03 2024 24 03 2024 17 1 57 65 18 03 2024 https://naukaru.ru/en/nauka/article/76075/view

Цель работы – это провести необходимые теоретические изыскания и практические исследования для возможности применения современных методов вентилирования помещений или использования данных методов в различных технических установках промышленного предприятия. Исследование основано на изучении аэродинамических характеристик объекта (затесненного промышленного помещения) в реперных точках. Научная новизна работы состоит в использовании запатентованных технологий (первоначально предложенный автором, а затем запатентованный – ответственным исполнителем темы, гидроаэродинамический трансформатор) и оборудования для решения этих задач для применения в промышленных предприятиях. Результаты научных исследований могут представлять интерес для самого широкого круга специалистов и ученых в основном для автоматизации промышленного производства. Методы исследований основываются на методах теории подобия (критерия подобия Рейнольдса) и дифференциальных уравнений. Сформирован математический подход к моделированию исследуемой системы и тепло- массообменных процессов, происходящих в объектах промышленного производства. Разработан общий методологический подход и схема исследовательской установки промышленного объекта, построена модель на основе регрессионных уравнений второго порядка. На основе математических моделей и подтвержденных теоретических результатов при экспериментальных исследованиях эмпирическим путем визуализированы распределения газожидкостных потоков. Рассмотрена интенсификация тепло- и массообмена в тепловыделяющей сборке промышленного объекта.

The purpose of the work is to carry out the necessary theoretical research and practical research for the possibility of using modern methods of ventilation of premises or using these methods in various technical installations of a nuclear reactor. The study is based on the study of the aerodynamic characteristics of an object (a crowded ship room or a nuclear reactor) at reference points. The scientific novelty of the work consists in the use of patented technologies (originally proposed by the author, and then patented by the responsible executor of the topic, a hydroaerodynamic transformer) and equipment for solving these problems for use in nuclear energy. The results of scientific research may be of interest to a wide range of specialists and scientists, mainly for nuclear energy. The research methods are based on the methods of similarity theory (Reynolds similarity criterion) and differential equations. A mathematical approach to modeling the system under study and heat and mass transfer processes occurring in an industrial nuclear power plant or spatial objects of ship premises has been formed. A general methodological approach and a scheme for the research installation of a nuclear reactor have been developed, and a model based on second-order regression equations has been constructed. Based on mathematical models and confirmed theoretical results, the distribution of gas-liquid flows is empirically visualized in experimental studies. The intensification of heat and mass transfer in the fuel assembly of a nuclear reactor is considered.

 Турбулентные закрученные потоки Рейнольдс газожидкостные смеси тепло- и массообмен. Turbulent swirling flows Reynolds gas-liquid mixtures heat and mass exchange

Патент RU 171253 U1 РФ. Система гидроаэродинамической трансформации : № 2016115986 : заявл. 22.04.2016 ; опубл. 25.05.2017 / А.Н. Карелин ; заявитель и патентообладатель Карелин А.Н. - 6 с. Patent RU 171253 U1 RF. Sistema gidroaerodinamicheskoy transformacii : № 2016115986 : zayavl. 22.04.2016 ; opubl. 25.05.2017 / A.N. Karelin ; zayavitel' i patentoobladatel' Karelin A.N. - 6 s. Работоспособность механических демпферов крутильных колебаний судовых двигателей внутреннего сгорания / К. Сибряев, М. Покусаев, М. Горбачев, А. Ибадуллаев // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. - 2022. - №1. - С. 35-41. - DOI: 10.24143/2073-1574-2022-1-35-41. Rabotosposobnost' mehanicheskih dempferov krutil'nyh kolebaniy sudovyh dvigateley vnutrennego sgoraniya / K. Sibryaev, M. Pokusaev, M. Gorbachev, A. Ibadullaev // Vestnik Astrahanskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Seriya: Morskaya tehnika i tehnologiya. - 2022. - №1. - S. 35-41. - DOI: 10.24143/2073-1574-2022-1-35-41. Лобанов, Н.В. История создания и развития звездообразных дизелей М-500. Часть 1. От авиационных дизелей к судовым / Н.В. Лобанови // Молодой ученый. - 2018. - № 52 (238). - С. 226-227. Lobanov, N.V. Istoriya sozdaniya i razvitiya zvezdoobraznyh dizeley M-500. Chast' 1. Ot aviacionnyh dizeley k sudovym / N.V. Lobanovi // Molodoy uchenyy. - 2018. - № 52 (238). - S. 226-227. Маршалова, Г.С. Свободно-конвективный теплообмен на круглоребристых трубах и пучках из них / Г.С. Маршалова, А.Б. Сухоцкий, В.Б. Кунтыш // Инженерно-физический журнал. - 2023. - Т. 96, № 4. - С. 1091-1105. Marshalova, G.S. Svobodno-konvektivnyy teploobmen na kruglorebristyh trubah i puchkah iz nih / G.S. Marshalova, A.B. Suhockiy, V.B. Kuntysh // Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal. - 2023. - T. 96, № 4. - S. 1091-1105. Моделирование процесса теплообмена в пластине с переменными теплофизическими свойствами / К.В. Губарева [и др.] // Научное обозрение. Технические науки. - 2020. - № 6. - С. 52-57. Modelirovanie processa teploobmena v plastine s peremennymi teplofizicheskimi svoystvami / K.V. Gubareva [i dr.] // Nauchnoe obozrenie. Tehnicheskie nauki. - 2020. - № 6. - S. 52-57. Фирсов, А.Н. О методах теории подобия и размерности / А.Н. Фирсов, А. Журавская // Системный анализ в проектировании и управлении : сборник научных трудов XXIV Международной научной и учебно-практической конференции: в 3 ч. - Санкт-Петербург, Издательство: Политех-Пресс, 2020. - Ч. 2. - С. 121-130. Firsov, A.N. O metodah teorii podobiya i razmernosti / A.N. Firsov, A. Zhuravskaya // Sistemnyy analiz v proektirovanii i upravlenii : sbornik nauchnyh trudov XXIV Mezhdunarodnoy nauchnoy i uchebno-prakticheskoy konferencii: v 3 ch. - Sankt-Peterburg, Izdatel'stvo: Politeh-Press, 2020. - Ch. 2. - S. 121-130. Шмаль, В.Н. Математическое моделирование в области кибернетических систем / В.Н. Шмаль, А.А. Лобанова, А.А. Баранов // Дневник науки. - 2021. - №1(49). - C.29. Shmal', V.N. Matematicheskoe modelirovanie v oblasti kiberneticheskih sistem / V.N. Shmal', A.A. Lobanova, A.A. Baranov // Dnevnik nauki. - 2021. - №1(49). - C.29. Лисичкин, В.Т. Математика в задачах с решениями: учебное пособие / В.Т. Лисичкин, И.Л. Соловейчик. - М.: «Лань», 2020. - 464 с. Lisichkin, V.T. Matematika v zadachah s resheniyami: uchebnoe posobie / V.T. Lisichkin, I.L. Soloveychik. - M.: «Lan'», 2020. - 464 s. Развитие теорий подобия для физико-химических процессов / М.Е. Логинова [и др.] // История и педагогика естествознания. - 2022. - № 4. - С. 39-42. Razvitie teoriy podobiya dlya fiziko-himicheskih processov / M.E. Loginova [i dr.] // Istoriya i pedagogika estestvoznaniya. - 2022. - № 4. - S. 39-42. Гусев, А.А. Основы гидромеханики: учебное пособие для вузов / А.А. Гусев. - Москва: Юрайт, 2023. - 56 с. Gusev, A.A. Osnovy gidromehaniki: uchebnoe posobie dlya vuzov / A.A. Gusev. - Moskva: Yurayt, 2023. - 56 s. Крамаренко, Н.В. Обзор способов вывода критериев подобия в механике / Н.В. Крамаренко // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Физико-математические науки». - 2021. - Т. 25, №1. - С.163-192. Kramarenko, N.V. Obzor sposobov vyvoda kriteriev podobiya v mehanike / N.V. Kramarenko // Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Seriya «Fiziko-matematicheskie nauki». - 2021. - T. 25, №1. - S.163-192. Чернов, И.А. Трактовка решения Седова как серии промежуточных асимптотик в течении от сильного взрыва / И.А. Чернов // Изв. вузов «ПНД». - 2020. - Т. 18, № 4. - С. 33 - 43. Chernov, I.A. Traktovka resheniya Sedova kak serii promezhutochnyh asimptotik v techenii ot sil'nogo vzryva / I.A. Chernov // Izv. vuzov «PND». - 2020. - T. 18, № 4. - S. 33 - 43. Построение детерминированных и стохастических моделей для анализа и управления технологическими процессами / В.Н. Корешков, Н.А. Кусакин, И.М. Хейфец, С.Н. Анкуда // Известия национальной академии наук беларуси. Серия физико-технических наук. - 2015. - No 3. - С. 114-123. Postroenie determinirovannyh i stohasticheskih modeley dlya analiza i upravleniya tehnologicheskimi processami / V.N. Koreshkov, N.A. Kusakin, I.M. Heyfec, S.N. Ankuda // Izvestiya nacional'noy akademii nauk belarusi. Seriya fiziko-tehnicheskih nauk. - 2015. - No 3. - S. 114-123. Границы безотрывного обтекания тел вращения с носовой частью в виде полукаверны Рябушинского / Е.Н. Кузнецов, В.Ю. Лунин, А.В. Панюшкин, И.Л. Чернышёв // Авиационная и ракетно-космическая техника. - 2018. - Т. 25, № 4. - С. 7 - 15. Granicy bezotryvnogo obtekaniya tel vrascheniya s nosovoy chast'yu v vide polukaverny Ryabushinskogo / E.N. Kuznecov, V.Yu. Lunin, A.V. Panyushkin, I.L. Chernyshev // Aviacionnaya i raketno-kosmicheskaya tehnika. - 2018. - T. 25, № 4. - S. 7 - 15. П. Булат. О проблеме запуска авиационных ракет из отсеков на сверхзвуковой скорости (часть 3). И все-таки он перехватчик! - URL: https://otvaga2004.ru/kaleydoskop/kaleydoskop-air/zapusk-raket-na-sverxzvuke-3/?ysclid=ltt0pjmaeo500124136(дата обращения: 12.01.2024). P. Bulat. O probleme zapuska aviacionnyh raket iz otsekov na sverhzvukovoy skorosti (chast' 3). I vse-taki on perehvatchik! - URL: https://otvaga2004.ru/kaleydoskop/kaleydoskop-air/zapusk-raket-na-sverxzvuke-3/?ysclid=ltt0pjmaeo500124136(data obrascheniya: 12.01.2024). Пузырьки в проточном акустическом резонаторе / Т.С. Викулова [и др.] // Акустический журнал. - 2023. - T. 69, № 1. - С. 7 - 12. Puzyr'ki v protochnom akusticheskom rezonatore / T.S. Vikulova [i dr.] // Akusticheskiy zhurnal. - 2023. - T. 69, № 1. - S. 7 - 12. Калашник, М.В. Неустойчивость сдвигового течения на конечном временном промежутке / М.В. Калашник // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. - 2023. - T. 59, № 2. - С. 165-172. Kalashnik, M.V. Neustoychivost' sdvigovogo techeniya na konechnom vremennom promezhutke / M.V. Kalashnik // Izvestiya RAN. Fizika atmosfery i okeana. - 2023. - T. 59, № 2. - S. 165-172. Качур, С.А. Управление энергораспределением ядерного реактора на основе сетей Петри / С.А. Качур // Энергетические установки и технологии. - 2019. - Т. 5, № 1. - С. 14-20. Kachur, S.A. Upravlenie energoraspredeleniem yadernogo reaktora na osnove setey Petri / S.A. Kachur // Energeticheskie ustanovki i tehnologii. - 2019. - T. 5, № 1. - S. 14-20. Сравнение эффективности применения устройств, закручивающих поток, для снижения гидравлических потерь / И.И. Чемезов [и др.] // Актуальные проблемы современной науки и образования : сборник научных трудов Всероссийской научно-практической конференции аспирантов и молодых ученых. - Димитровград, 2021. - С. 81-85. Sravnenie effektivnosti primeneniya ustroystv, zakruchivayuschih potok, dlya snizheniya gidravlicheskih poter' / I.I. Chemezov [i dr.] // Aktual'nye problemy sovremennoy nauki i obrazovaniya : sbornik nauchnyh trudov Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferencii aspirantov i molodyh uchenyh. - Dimitrovgrad, 2021. - S. 81-85. Лобанов, И.Е. Теоретическое аналитическое решение задачи о стационарном докритическом течении газообразного теплоносителя в разветвлениях трубопроводов теплообменных аппаратов / И.Е. Лобанов // Вестник Брянского государственного технического университета. Транспортное машиностроение. - 2019. - №9(82). -С. 25 - 35. Lobanov, I.E. Teoreticheskoe analiticheskoe reshenie zadachi o stacionarnom dokriticheskom techenii gazoobraznogo teplonositelya v razvetvleniyah truboprovodov teploobmennyh apparatov / I.E. Lobanov // Vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Transportnoe mashinostroenie. - 2019. - №9(82). -S. 25 - 35. Карелин, А.Н. Натурное моделирование межмашинного руслового канала для проведения исследований аэродинамики турбулентного воздушного потока / А.Н. Карелин // Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность : сборник материалов XXII Международной конференции. - М.: Издательство МГУ, 2016. - С. 80-81. Karelin, A.N. Naturnoe modelirovanie mezhmashinnogo ruslovogo kanala dlya provedeniya issledovaniy aerodinamiki turbulentnogo vozdushnogo potoka / A.N. Karelin // Nelineynye zadachi teorii gidrodinamicheskoy ustoychivosti i turbulentnost' : sbornik materialov XXII Mezhdunarodnoy konferencii. - M.: Izdatel'stvo MGU, 2016. - S. 80-81. Карелин, А.Н. Гидродинамика и интенсификация теплообмена в сборках ядерных реакторов / А.Н. Карелин // Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность : сборник мтериалов XXI Международной конференции. - М.: Издательство МГУ, 2014. - С. 100-103. Karelin, A.N. Gidrodinamika i intensifikaciya teploobmena v sborkah yadernyh reaktorov / A.N. Karelin // Nelineynye zadachi teorii gidrodinamicheskoy ustoychivosti i turbulentnost' : sbornik mterialov XXI Mezhdunarodnoy konferencii. - M.: Izdatel'stvo MGU, 2014. - S. 100-103. Карелин, А.Н. Математическая модель взаимодействия турбулентных потоков / А.Н. Карелин // Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность : сборник тезисов докладов XXIII международной конференции, 2018. - С. 53 - 54. Karelin, A.N. Matematicheskaya model' vzaimodeystviya turbulentnyh potokov / A.N. Karelin // Nelineynye zadachi teorii gidrodinamicheskoy ustoychivosti i turbulentnost' : sbornik tezisov dokladov XXIII mezhdunarodnoy konferencii, 2018. - S. 53 - 54. Карелин, А.Н. Аэродинамика турбулентного воздушного потока - акустические характеристики (Рейнольдс) / А.Н. Карелин // Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность : сборник тезисов докладов XXIV Международной конференции. - М.: Издательство МГУ, 2020. - С. 50. Karelin, A.N. Aerodinamika turbulentnogo vozdushnogo potoka - akusticheskie harakteristiki (Reynol'ds) / A.N. Karelin // Nelineynye zadachi teorii gidrodinamicheskoy ustoychivosti i turbulentnost' : sbornik tezisov dokladov XXIV Mezhdunarodnoy konferencii. - M.: Izdatel'stvo MGU, 2020. - S. 50. Modeling Approaches and Computational Methods for Particle-laden Turbulent Flows ; eds: S. Subramaniam, S. Balachandar. - Elsevier, 1st Edition - October 20, 2022. -570 p. Modeling Approaches and Computational Methods for Particle-laden Turbulent Flows ; eds: S. Subramaniam, S. Balachandar. - Elsevier, 1st Edition - October 20, 2022. -570 p. Results from particle-resolved simulations ; in S Submaniam & S Balachandar (eds) / A. Chouippe [et al.] // Modeling Approaches and Computational Methods for Particle-laden Turbulent Flows. Computation and Analysis of Turbulent Flows. - Elsevier, 2023. - Pp. 185-216. - DOI: 10.1016/B978-0-32-390133-8.00014-1. Results from particle-resolved simulations ; in S Submaniam & S Balachandar (eds) / A. Chouippe [et al.] // Modeling Approaches and Computational Methods for Particle-laden Turbulent Flows. Computation and Analysis of Turbulent Flows. - Elsevier, 2023. - Pp. 185-216. - DOI: 10.1016/B978-0-32-390133-8.00014-1. Tang, Y. Multiscale modeling of gas-fluidized beds ; in S Subramaniam & S Balachandar (eds) / Y. Tang, J. Kuipers // Modeling Approaches and Computational Methods for Particle-laden Turbulent Flows. -Elsevier, 2023. - Pp. 483-536. - DOI: 10.1016/B978-0-32-390133-8.00022-0. Tang, Y. Multiscale modeling of gas-fluidized beds ; in S Subramaniam & S Balachandar (eds) / Y. Tang, J. Kuipers // Modeling Approaches and Computational Methods for Particle-laden Turbulent Flows. -Elsevier, 2023. - Pp. 483-536. - DOI: 10.1016/B978-0-32-390133-8.00022-0. Results from particle-resolved simulations. in S Submaniam & S Balachandar (eds) / A. Chouippe // Modeling Approaches and Computational Methods for Particle-laden Turbulent Flows. Computation and Analysis of Turbulent Flows, - Elsevier, 2023. - Pp. 185-216. - DOI: 10.1016/B978-0-32-390133-8.00014-1. Results from particle-resolved simulations. in S Submaniam & S Balachandar (eds) / A. Chouippe // Modeling Approaches and Computational Methods for Particle-laden Turbulent Flows. Computation and Analysis of Turbulent Flows, - Elsevier, 2023. - Pp. 185-216. - DOI: 10.1016/B978-0-32-390133-8.00014-1.