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

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.