Проект направлен на исследование свойств ПСМ, автоматизацию расчёта гидравлических характеристик ПСМ различной структуры и обобщение полученных данных по гидравлическим сопротивлениям в форме суррогатной модели и 0d-1d компьютерной модели.

Научная новизна исследований состоит в создании новой цифровой валидированной методики определения гидравлического сопротивления ПСМ различной пространственной конфигурации, применяемых в различных условиях, на основе отечественного промышленного ПО класса CAE. Будут получены новые результаты по зависимостям гидравлического сопротивления ПСМ как от параметров течения, так и от их пространственных структур. На основе обобщения результатов моделирования будет создан новый расчётный блок для определения гидравлического сопротивления изделий из ПСМ для последующего использования в 0d-1d теплогидравлических компьютерных моделях. С применением методов машинного обучения будет реализована новая суррогатная модель прогнозирования свойств ПСМ различной структуры, позволяющая решать, в том числе, и обратную задачу выбора геометрических параметров ПСМ под заданные диапазоны гидравлических сопротивлений и капиллярных свойств.

Актуальность проекта

Изделия из ПСМ находят широкое применение в машиностроении. В частности, в ракетно-космической технике такие изделия используются в качестве составляющих топливоудерживающих устройств, позволяющих в условиях невесомости или существенных знакопеременных перегрузок (маневрирование или свободное падение) обеспечивать постоянство поступления компонентов топлива в жидкой фазе в двигатель космического или летательного аппарата. Данный эффект достигается за счёт так называемой капиллярной удерживающей способности (КУС) сетчатых конструкций. КУС проявляется через дополнительные поверхностные силы, которые не допускают проникновение газовой фазы через ПСМ во внутреннюю часть топливозаборного устройства при разнице давлений по обе стороны ПСМ, не превышающей некоторого порогового значения. Положительные капиллярные эффекты ПСМ и элементов из них обладают недостатком, проявляющимся через дополнительное гидравлическое сопротивление, вносимое в топливозаборную систему бака космического или летательного аппарата.

Следует учитывать, что как КУС, так и гидравлическое сопротивление носят локальный характер, зависящий от распределений давления по обе стороны ПСМ и от скорости течения жидкости в конкретной точке. Инженерные методы предсказания характеристик устройств из ПСМ, основанные на опытных данных, ограничены условиями проведения экспериментов, структурами ПСМ и конфигурациями изделий из них. Иначе говоря, для получения характеристик конкретного изделия из ПСМ необходимо проводить экспериментальные исследования с данным изделием. На ранних этапах разработки баков космических и летательных аппаратов, когда реальных элементов изделия ещё не существует, важно иметь инструменты прогнозирования характеристик капиллярных топливозаборных устройств из ПСМ, основанных на методах математического моделирования, в том числе на основе методов машинного обучения. Важной составляющей такого подхода служит автоматизированная цифровая методика определения свойств ПСМ различной структуры в широких диапазонах изменения параметров течения. Обобщение результатов расчёта гидравлических сопротивлений ПСМ и изделий из них в форме редуцированной 0d-1d модели позволит провести решение обратной задачи — выбора структуры ПСМ под заданные требования по гидравлическому сопротивлению и капиллярной удерживающей способности.

Научная и практическая значимость проекта

Важным элементом научной значимости проекта является проблема отсутствия в литературе систематических исследований применимости различных моделей турбулентности для расчёта гидросопротивления в достаточно широком диапазоне параметров потока и вариантов геометрии ПСМ. В качестве одного из ключевых научных результатов планируется представить подробный анализ данного вопроса. Кроме того, в открытых источниках имеется множество экспериментальных корреляций для гидросопротивления ПСМ, которые, однако, покрывают ограниченные области рассматриваемого класса задач либо имеют достаточно низкую точность.

При этом широкое применение фильтрующих и фазосепарирующих свойств ПСМ, особенно в космической отрасли, требует корректного прогнозирования гидравлического перепада давления. В последнее время для решения обозначенных проблем всё чаще применяются методы численного моделирования на основе уравнений Навье-Стокса с применением RANS моделей турбулентности. Успешность применения подобных подходов подтверждается сопоставлением с экспериментальными данными, имеющимися в литературе, что показывает применимость предлагаемых в рамках проекта подходов. Построение достаточно точных корреляций для широкого диапазона определяющих параметров будет существенным результатом как с научной, так и с практической точки зрения. Важной научной и практической проблемой, которая решается в рамках проекта, является построение достаточно универсальной 0d-1d методики, дающей приемлемую погрешность определения гидросопротивления (10% при валидации).

Данный результат предлагается использовать в составе гидравлических моделей устройств с фильтроэлементами и сепараторами фаз из ПСМ. Полученные в ходе реализации проекта результаты имеют практическую значимость во многих отраслях промышленности: ракетно-космической, авиационной, нефтегазовой и энергетической. Обобщение данных по гидравлическим и капиллярным свойствам ПСМ как в форме базы данных, так и в виде суррогатной модели, могут быть использованы на различных стадиях разработки капиллярных топливозаборных устройств в космической технике, фильтрэлементов в нефтегазовой и энергетической технике. В области создания новых ПСМ востребованной является цифровая автоматизированная методика расчёта гидравлических сопротивлений с использованием отечественного ПО класса CAE, а также методика формирования структуры ПСМ под заданные требования. Расчётный блок для моделирования характеристик изделий из ПСМ в составе гидравлических схем технических изделий позволит расширить функциональность отечественных ПО данного класса.

Потенциальным заказчиком разрабатываемых в рамках проекта технологий являются предприятия ракетно-космической промышленности:  АО ГНЦ «Центр Келдыша», АО «НПО Лавочкина» и АО «ВПК «НПО машиностроения».

Ожидаемые результаты

• Систематизация и обобщение имеющихся отечественных и зарубежных результатов исследований в части применения различных моделей турбулентности для описания течения через ПСМ в широком диапазоне параметров течения и вариантов конфигурации ПСМ и данных по расчёту коэффициента гидравлического сопротивления потока через ПСМ;
• Расширение фундаментальной теории об изучении характеристик ПСМ результатами исследования гидравлических характеристик и капиллярных свойств ПСМ различных структур при течении многофазного потока в широких диапазонах изменения параметров;
• Методики моделирования течения многофазного потока через ПСМ и выбора структуры ПСМ позволят повысить точность расчёта гидравлических характеристик и капиллярных свойств ПСМ, что ведёт к снижению затрат на экспериментальную отработку функционирования устройств из ПСМ, и расширить представление об эффективности использования ПСМ различных структур;
• Суррогатная модель расчёта ПСМ, построенная на основе полученных расчётных и/или экспериментальных данных, позволит быстро и без больших вычислительных мощностей, по сравнению с имитационным моделированием, произвести вычисления характеристик и свойств ПСМ;
• Уменьшение зависимости от импортных программных продуктов путём интеграции разработанных суррогатных моделей расчёта ПСМ в отечественное программное обеспечение для создания цифрового двойника гидравлической системы, содержащей устройства из ПСМ.