В Политехе моделируют процессы переноса в сложных пористых средах

Какие они бывают

Сегодня широкое применение в различных теплообменных устройствах, фильтрах, катализаторах, строительных конструкциях находят пористые материалы. Они представляют собой твёрдые тела с внутренними полостями или порами в виде сети микроскопических отверстий, которые могут быть заполнены воздухом, водой или другими веществами. По определению Международного союза по чистой и прикладной химии (ИЮПАК) такие материалы делятся на микро-, мезо- и макропористые с размерами пор менее 2 нм, от 2 до 50 нм и более 50 нм соответственно.
Это не выдумка человека. Пористые материалы встречаются и в живой природе. Самый очевидный пример – люффа, или губчатая тыква. Из плодов этого травянистого однолетнего растения родом из субтропиков Азии и Африки делают привычные многим банные мочалки. Кроме того, их применяют для изготовлении дизайнерских торшеров, ваз, стаканов и т.п. Дырочки в люффе образуются по мере роста плода, пористая структура которого также позволяет использовать волокна тыквы при создании теплоизоляционных материалов, фильтров для дизельных двигателей, различных уплотнителей.
В промышленности существует несколько способов получения синтетических пористых материалов: пенообразование, диспергирование, способ выгорающих добавок и др. При этом структура, размер и количество пор определяются, как правило, экспериментально и зависят от технологических параметров производства.
Другой подход – компьютерный дизайн материалов, когда их структурные характеристики подбираются расчётным способом, исходя из требуемых свойств будущего материала. В этом случае учёные специально не экспериментируют с разнообразными смесями и составами, а рассчитывают параметры пор (размер, толщину стенки и т.п.) ещё до появления материала на свет.
Наиболее интересны структуры с порами (ячейками) в виде трижды периодических минимальных поверхностей (ТПМП). Другими словами, это миниатюрные повторяющиеся объекты с минимально возможной площадью и симметрией вдоль трёх осей.

Почему их раньше не замечали

ТПМП-структуры впервые были обнаружены в природе ещё в ХIХ веке. Они встречаются, например, в мембранах хлоропластов, в кутикулярных образованиях на крыльях бабочек и др. Но высокий технологический потенциал материалов с такой структурой был оценён далеко не сразу. Несмотря на весьма полезные свойства, широкого распространения в ХХ веке они не получили.
Главным препятствием в данном случае были, пожалуй, сложности с изготовлением. Только стремительное развитие аддитивных технологий, позволяющих создавать различные объекты со сложной геометрией, в начале ХХI столетия всколыхнуло интерес к их применению в различных инженерных системах. В настоящее время использование методов аддитивного наращивания, лазерного спекания, электронно-лучевой плавки, экструзии позволяет получать разные материалы с ТПМП-структурой.
Существовали очевидные трудности и с описанием математических моделей переноса тепла, массы, импульса в ТПМП-системах, отсутствовали базы данных характеристик (теплофизические, гидродинамические, механические и др.), которые можно было бы использовать в качестве параметров при построении математических моделей. И лишь относительно недавно стали развиваться мощные программные комплексы, позволяющие моделировать сложные процессы в пористых материалах.

Чем они интересны

Группа политеховских теплофизиков под руководством доктора технических наук, проректора по интеграционным проектам, заведующего кафедрой «Промышленная тепло-энергетика» Антона Ерёмина разрабатывает модели тепловых, гидро- и газодинамических процессов в пористых средах на основе трижды периодических поверхностей минимальной энергии.
Исследование поддержано несколькими грантами Российского научного фонда, в том числе грантом РНФ №23-79-10044. Проще говоря, учёные создают новые материалы с требуемыми тепловыми, гидрогазодинамическими свойствами.
– Пористых материалов, состоящих из элементарных ячеек, которые имеют строгое математическое описание, известно уже немало, – объясняет Антон Ерёмин. – Ячейкам даны названия или по именам их исследователей: поверхность Шона, Шварца, Неовиуса, или по форме поверхности – например, гироид. Комбинируя разные ячейки, изменяя их структурные параметры, мы можем получить пористые материалы с требуемыми теплофизическими и гидродинамическими характеристиками.
Эффективность применения пористых материалов в разных отраслях промышленности определяется точностью описания процессов переноса в поровом пространстве. Однако при вычислении значений температур, скоростей, давлений нередко используются грубые допущения. Имея в распоряжении различные сгенерированные ТПМП-структуры, политеховцы занимаются расчётом параметров ячеек, от которых зависят заданные термо-, гидро-, газодинамические свойства материала. Варьируя параметры периодичности, можно изменять свойства одной ячейки или масштабировать их на нужное количество пор.
Среди тех, кто занимается этой работой, – сотрудники кафедры «Промышленная теплоэнергетика» аспиранты Андрей Попов, Софья Зинина, Дмитрий Брагин, Равиль Мустафин.

Как их изучают

Свойства вновь создаваемых пористых материалов наши специалисты проверяют экспериментально. Образцы печатают на принтере и анализируют в лабораторных условиях.
– С десяток поверхностей мы уже проанализировали, – говорит аспирант Андрей Попов. – В частности, была выявлена проблема тепловой изоляции, в качестве которой сейчас используются материалы со случайным расположения пор, например сэндвич-панели. В них можно заметить слои с сотовидными ячейками, заполненными воздухом. Такие материалы, как правило, обладают низкой прочностью, в то время как ряд конструкционных задач требует использования высокопрочной теплоизоляции.
Для численного моделирования теплопроводности в пористом материале с упорядоченной структурой наши специалисты воспользовались программным комплексом ANSYS. Учёные получили значения эффективного коэффициента теплопроводности, подобрав оптимальные толщину стенки ячейки, длину ребра куба, в который вписана ячейка Неовиуса. Затем напечатали образцы материала и в ходе лабораторных экспериментов выяснили, что исследуемая структура полностью соответствует по своим характеристикам предварительным расчётам.

Что в них особенного

Одна из особенностей ТПМП – способность делить пространство на два и более непересекающихся объёма.
– В ячейке можно увидеть внутренний и внешний объёмы, – говорит аспирант Дмитрий Брагин. – И если подать во внутренний объём одну жидкость, а во внешний другую, такие материалы могут использоваться как теплообменники. Мы провели расчёты и, исходя из анализа полученных результатов, пришли к выводу о теоретической возможности использования стенок TПМП Шварца в качестве каналов для охлаждающей жидкости в механизмах с большим тепловыделением (например, в автомобильных и реактивных двигателях, электродвигателях и печах).
Примеров практического применения результатов работы учёных Политеха довольно много, однако их перечень потенциально может быть расширен: строительство, энергетика, транспорт, авиа- и космические технологии, медицина и др. Исследование наших теплофизиков содержит весьма оригинальные идеи, и всестороннее развитие политеховской методологии, безусловно, позволит открыть широкий спектр прикладных задач, в которых могут применяться материалы на основе ТПМП-структур.