Борисенко А. Г. Математичне та комп’ютерне моделювання теплообміну в нанорідинному теплоносії сонячних термодинамічних станцій

English version

Дисертація на здобуття ступеня доктора філософії

Державний реєстраційний номер

0824U002163

Здобувач

Спеціальність

  • 113 - Прикладна математика

Спеціалізована вчена рада

ДФ 08.051.084 ID 6097 Борисенко А.Г.

Дніпровський національний університет імені Олеся Гончара

Анотація

Метою роботи є розробка та узагальнення методів математичного і комп’ютерного моделювання процесів тепломасопереносу в системах прийому сонячного випромінювання сонячних термодинамічних станцій; пошук методів підвищення теплової ефективності систем прийому; доведення перспектив використання нанорідини в якості теплоносія для інтенсифікації конвективного теплообміну в теплоприймачах сонячних термодинамічних станцій; визначання співвідношення між теплофізичними та гідродинамічними параметрами нанорідинного теплоносія, при якому теплова ефективність буде максимальною, а гідравлічні втрати мінімальні. Вперше на основі класичної системи рівнянь Нав’є-Стокса розроблена 3D нелінійна математична модель, створений числовий алгоритм та відповідний власний програмний продукт для визначення особливостей теплообміну в теплоприймачі параболоциліндричної станції з нанорідиною в якості теплоносія. Вперше на основі числових експериментів доведено, що додавання наночастинок оксиду алюмінію до базового теплоносія (термічної олії) призводить до інтенсифікації теплообміну в теплоприймачі, що підвищує загальну теплову ефективність системи. Вперше визначені якісні та кількісні показники, які показують суттєве збільшення втрат тиску в теплоприймачі з нанорідиною у порівнянні із чистою термічною олією. Знайдена залежність чисел Нуссельта від чисел Рейнольдса для нанорідини та доведена необхідність проведення термодинамічної оптимізації системи. Вперше, базуючись на принципах нерівноважної термодинаміки, проведений ентропійний аналіз та визначені оптимальні значення чисел Рейнольдса, які забезпечують максимальну теплову ефективність при мінімальних гідродинамічних втратах. На основі розробленого числового алгоритму, що базується на методі контрольних об’ємів, був створений власний програмний код, який має узагальнений характер і, в разі незначної корекції, може застосовуватися для розрахунку течії в круглих каналах з нанорідиною, які є елементом будь-якого технологічного обладнання. Крім того, створений програмний код має гнучку та прозору структуру, що дозволяє без зміни структури підлаштовувати його під будь-який тип теплоносія та будь-які умови функціонування системи. Результати проведеного дослідження можуть бути використані під час проектування та функціонування сучасних сонячних термодинамічних установок різного температурного рівня та призначення, в яких в якості теплоносія використовуються нанорідини різного типу. Теоретичні та практичні положення роботи стали складовою частиною навчальних дисциплін “Моделі і методи прикладної математики”, “Методи ідентифікації параметрів математичних моделей”, які викладаються для здобувачів вищої освіти рівня PhD спеціальності 113 Прикладна математики в Дніпровському національному університеті імені Олеся Гончара. Проведені дослідження та їх результати складають відповідний розділ ініціативної науково-дослідної роботи “Детерміновані та стохастичні алгоритми комп’ютерного моделювання об’єктів та процесів різної природи” (2022-2024, науковий керівник проф. Книш Л.І., державний реєстраційний номер 0122U001467), яка проводиться на кафедрі комп’ютерних технологій факультету прикладної математики ДНУ.

Публікації

1. Борисенко А.Г., Книш Л.І. Моделювання теплообміну в сонячних термодинамічних системах з нанорідиною в якості теплоносія. Збірник наукових праць “Питання прикладної математики і математичного моделювання”. 2021. Випуск 21. С. 16 – 25. Режим доступу до ресурсу: https://pm-mm.dp.ua/index.php/pmmm/article/view/305 DOI: https://doi.org/10.15421/322102 [Фахове видання категорії Б]

2. Борисенко А.Г., Книш Л.І. Математична модель тепломасообміну в каналі з нанорідиною при його нерівномірному нагріві концентрованим тепловим потоком. Технічна механіка. 2022. № 3. С. 99 – 107. Режим доступу до ресурсу: http://www.journal-itm.dp.ua/ENG/Publishing/10-03-2022_eng.html DOI: https://doi.org/10.15407/itm2022.03.099 [Фахове видання категорії Б]

3. Knysh Lyudmila, Borysenko Andrey. Thermodynamic optimization of the solar parabolic trough collector with nanofluid as heat transfer fluid. Applied Solar Energy (English translation of Geliotekhnika). 2022, Vol.58. No. 5. P. 668 – 674. Режим доступу до ресурсу: https://link.springer.com/article/10.3103/S0003701X22601193 DOI: https://doi.org/10.3103/S0003701X22601193 [Q3, Scopus, IF=2.1]

4. Борисенко А.Г., Книш Л.І. Моделювання температурних полів нанорідини в каналах енергетичних систем. Збірник тез XXIII Міжнародної молодіжної науково-практичної конференції “Людина і космос”, м. Дніпро, 14 – 16 квітня 2021р. С.72. Режим доступу до ресурсу: https://spacehuman.org/_files/doc/sbornik2021.pdf

5. Борисенко А.Г., Книш Л.І. Розробка 3D моделі переносу в теплоприймальному каналі з нанорідиною, Тези доповідей XIX Міжнародної науково-практичної конференції “Математичне та програмне забезпечення інтелектуальних систем”, м. Дніпро, 17 – 19 листопада 2021р. C. 27 Режим доступу до ресурсу: http://mpzis.dnu.dp.ua/wp-content/uploads/2021/12/mpzis-2021.pdf

6. Борисенко А.Г., Книш Л.І. Математична модель теплообміну в нанорідинному теплоносії сонячної термодинамічної установки, XXIII Міжнародна науково-практична онлайн—конференція "Відновлювана енергетика та енергоефективність у ХХІ столітті", м. Київ, 19 – 20 травня 2022 р. С. 158 – 160. Режим доступу до ресурсу: https://www.ive.org.ua/?page_id=3328&lang=uk

7. Книш Л.І., Масаликін С.С., Юрков Р.С., Борисенко А.Г. Мультифізична математична модель тепломасообміну в системі прийому та акумулювання сонячної енергії, Збірник тез Міжнародної науково-технічної конференції “Інформаційні технології в металургії та машинобудуванні – ІТММ’2022”, м. Дніпро, 18 травня 2022 р. С. 123 – 126. Режим доступу до ресурсу: https://journals.nmetau.edu.ua/index.php/itmm/issue/view/122

8. Борисенко А.Г., Книш Л.І. Співвідношення між парамтерами нанорідинного теплоносія в системі прийому сонячної параболоциліндричної станції, XXIV Міжнародна науково-практична конференція "Відновлювана енергетика та енергоефективність у ХХІ столітті", м. Київ, 18 – 19 травня 2023 р. С. 209 – 211. Режим доступу до ресурсу: https://www.ive.org.ua/?page_id=4241&lang=uk

9. Борисенко А.Г., Книш Л.І. Етапи дослідження конвективного теплообміну в нанорідинному теплоносії сонячних параболоциліндричних станцій, Тези доповідей ХХІ Міжнародної науково-практичної конференції “Математичне та програмне забезпечення інтелектуальних систем”, м. Дніпро, 22 – 24 листопада 2023р. С. 80 – 81 Режим доступу до ресурсу: http://mpzis.dnu.dp.ua/wp-content/uploads/2023/11/mpzis-2023.pdf

Схожі дисертації