Мы используем cookie файлы.
Пользуясь сайтом, вы соглашаетесь с нашей Политикой конфиденциальности.

Номер договора
075-15-2021-584
Период реализации проекта
2021-2023

По данным на 01.11.2022

41
Количество специалистов
31
научных публикаций
13
Объектов интеллектуальной собственности
Общая информация
Название проекта: Развитие методов прикладной математики для решения междисциплинарных проблем экологически чистого получения энергии из коммунальных и производственных отходов



Цели и задачи

Цель проекта: создание научной лаборатории мирового уровня и развитие эффективных методов прикладной математики для решения междисциплинарных проблем экологически чистого получения энергии из коммунальных и производственных отходов, включая машинный поиск прорывных технических и технологических решений, разработку, исследование и оптимизацию их цифровых двойников.

Практическое значение исследования

Научные результаты:

  • Концепция платформы моделей и методов для создания обучаемых цифровых двойников технологий экологически чистого получения энергии, аналитическое ядро которой основано на совместном численном решении задач нестационарной газодинамики, тепломассообмена и конверсии рабочего тела в камере сгорания с учётом детальной химической кинетики и совокупности взаимно влияющих технологических факторов (в том числе неоднородности и флуктуаций состава композиционного газового топлива на основе свалочных газов и промежуточных продуктов энергетической утилизации отходов, интенсивности закрутки топливно-воздушной смеси, форм-факторов камеры сгорания и образующихся реакционных зон, факторов тепловой и динамической нестационарности, включая пульсации тепловыделения и давления), а также содержит нейросетевую надстройку для машинного обучения по результатам серии вычислительных экспериментов.

Репрезентативные технологические прототипы (решения, имеющие потенциал экологически чистой энергетической утилизации отходов) для создания и последующего комплексного исследования их цифровых двойников (патенты на изобретения и полезные модели №№210008, 208401, 208400). Установлена перспективность применения закрутки для ультрабедных топливно-воздушных смесей и композиционных газовых топлив в целях технологического обеспечения их малоэмиссионного устойчивого горения, для реализации которого разработаны эскизные технические решения и их структурное описание.

  • Функционально подобранные методы многошаговой структуры с улучшенными дисперсионными и диссипативными свойствами для эффективного решения возникающих прикладных обратных задач по поиску начальных значений.

Нейросетевой метод для получения пар Рунге-Кутта, настроенный для скалярных автономных задач, а также пары Рунге-Кутта, «обученные» наилучшим образом решать задачи с осциллирующим поведением решения.

Автомодельные решения задач газодинамики и теплообмена в слабозакрученных струях, построенные на основе асимптотического разложения скоростей и давления в ряды по малому параметру, которые при использовании их в качестве начального приближения в численных расчётах реагирующих закрученных струй, обеспечивают возможность существенно сократить затраты машинного времени на реализацию вычислительного эксперимента с заданной точностью (Мизхер У.Д., «Математическое моделирование и численное исследование закрученной реагирующей топливно-воздушной струи в приложениях к проектированию малоэмиссионных энергоустановок на низкосортных топливах»).

  • Выполнена систематизация и развитие математических моделей переноса и вычислительной газодинамики реагирующего рабочего тела с изменяемым градиентом давления, включая закрутку реагирующей струи, в приложениях к проектированию экологически чистых технологий топливной энергетики. Подтверждена перспективность применения закрутки для ультрабедных топливо-воздушных смесей и композиционных газовых топлив в целях технологического обеспечения их малоэмиссионного устойчивого горения, для реализации которого разработаны эскизные технические решения и их математическое описание.

Получено кинетическое уравнение, описывающее процесс блужданий частицы ультрабедной топливной смеси с учётом постоянной скорости частицы, и дробно-дифференциальные уравнения, описывающие асимптотическое поведение процесса. Показано, что в случае конечного и бесконечного математического ожидания путей эти уравнения имеют совершенно иную форму. Для решения полученных уравнений применён метод локальной оценки метода Монте-Карло и разработан алгоритм решения.

Выполнена программная реализация математических моделей с созданием проблемно-ориентированного программно-информационного комплекса для исследования посредством вычислительного эксперимента кинетики и эволюции дисперсного кластера реагирующего рабочего тела в камере сгорания. В комплексе реализуется автоматизированный препроцессор для решателя ANSYS Fluent с подготовкой параметризованных геометрических, физических и начальных условий однозначности, а также данных по химической кинетике из открытой информационной базы С3М от NETL Multiphase Flow Science (https://mfix.netl.doe.gov/c3m/). В процессе создания проблемно-ориентированного комплекса возникли и зарегистрированы исключительные права на результаты интеллектуальной деятельности в виде трёх оригинальных программ для ЭВМ №№ гос. рег. 2021615282, 2021616986 и 2021619052.

  • Разработаны и совершенствуются цифровые двойники технологических решений по обеспечению устойчивого горения ультрабедных топливных смесей на основе свалочного газа и продуктов термического разложения коммунальных и производственных отходов, минимизации химического недожога и нейтрализации продуктов сгорания, а также методологические решения по их получению и исследованию.

Получены предварительные результаты поисковых исследований в виде цифровых двойников технологических решений по обеспечению устойчивого горения ультрабедных топливных смесей на основе свалочного газа и продуктов термического разложения коммунальных и производственных отходов, минимизации химического недожога и нейтрализации продуктов сгорания, полученных на базе репрезентативных технологических прототипов (энергетического котла ТГМЕ-464, водогрейного котла ПТВМ-100, оригинальных композиционно-топливных горелок и горелочных устройств типа ГМУ-45 и ГДС-100).

Образование и переподготовка кадров:

  • Разработана и открыта новая магистерская образовательная программа по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника» для подготовки кадров для возобновляемой энергетики региона (профиль «Технологии производства экологически чистой электрической и тепловой энергии», начало обучения - сентябрь 2022 года).
  • Подготовлены и защищены 2 кандидатские диссертации.
  • 2 сотрудника лаборатории прошли научную стажировку на математическом факультете Университета Западной Македонии (Греция) под непосредственным руководством ведущего учёного профессора Симоса, одновременно освоив образовательный курс «Computational Methods with MATLAB and Mathematica» и повысив свою квалификацию в области современных вычислительных методов.
  • 3 сотрудника лаборатории прошли научно-технологическую стажировку на мусорных полигонах Vereinigte Ville (Кёльн, Германия) и Braunschweigischen Kohlen-Bergwerke AG (Брауншвейг, Германия), а также посетили лаборатории Кёльнского технического университета и европейскую выставку «Greener Manufacturing Show» (10-11 ноября 2021 г., Кёльн, Германия), повысив свою квалификацию в области технологий энергетической утилизации отходов, раздельного сбора мусора, глубокой переработки, получения метана из мусора.
  • 10 сотрудников лаборатории прошли интенсивное практико-ориентированное обучение в ООО "Саровский Инженерный Центр" (официальный партнер Siemens в России и странах СНГ), приобрели практические навыки и повысили свою квалификацию в области вычислительной гидрогазодинамики и моделирования процессов горения в программном комплексе STAR-CCM+.

Сотрудничество:

  • Университет Западной Македонии (Греция): совместные разработки и публикации в области численных методов, научные стажировки молодых сотрудников лаборатории.

  • Университет Фракии им. Демокрита, Афинский национальный университет имени Каподистрии (Греция): совместные разработки и публикации в области численных методов.
  • Европейское сообщество вычислительных методов в науках и инженерии: ежегодные тематические симпозиумы по реализуемому проекту в рамках международных конференций «International Conference of Computational Methods in Sciences and Engineering ICCMSE» и «International Conference of Numerical Analysis and Applied Mathematics ICNAAM».
  • С 2022 года начато взаимодействие лаборатории с лабораторией моделирования процессов конвективного тепломассопереноса Национального исследовательского Томского государственного университета (Россия).

Скрыть Показать полностью
V.N. Kovalnogov, R.V. Fedorov, Y.A. Khakhalev, T.E. Simos, C. Tsitouras
A neural network technique for the derivation of runge–kutta pairs adjusted for scalar autonomous problems / Mathematics (Q1), Volume 9, Issue 16, 2021, ISSN 22277390, https://doi.org/10.3390/math9161842.
V.N. Kovalnogov, R.V. Fedorov, A.V. Chukalin, , T.E. Simos, C. Tsitouras
Evolutionary derivation of runge–kutta pairs of orders 5(4) specially tuned for problems with periodic solutions / Mathematics (Q1), Volume 9, Issue 18, 2021, ISSN 22277390, https://doi.org/10.3390/math9182306.
V.N. Kovalnogov, R.V. Fedorov, T.V. Karpukhina, T.E. Simos, C. Tsitouras
Sixth order numerov-type methods with coefficients trained to perform best on problems with oscillating solutions / Mathematics (Q1), Volume 9, Issue 21, 2021, ISSN 22277390, https://doi.org/10.3390/math9212756.
V.V. Saenko, V.N. Kovalnogov, R.V. Fedorov, D.A. Generalov, E.V. Tsvetova
Numerical Method for Solving of the Anomalous Diffusion Equation Based on a Local Estimate of the Monte Carlo Method / Mathematics (Q1), Volume 10, Issue 3, 2022, ISSN 22277390, https://doi.org/10.3390/math10030511.
D.A. Generalov, E.V. Tsvetova, R.V. Fedorov, V.N. Kovalnogov, T.E. Simos
A two-step singularly P-stable method with high phase and large stability properties for problems in chemistry / Journal of Mathematical Chemistry (Q2), Volume 60, Issue 3, 2022, Pages 475-501, ISSN 02599791, https://doi.org/10.1007/s10910-021-01313-8.
V.N. Kovalnogov, M.I. Kornilova, Y.A. Khakhalev, D.A. Generalov, T.E. Simos
Fitted modifications of Runge– Kutta–Nyström pairs of orders 7(5) for addressing oscillatory problems" / Mathematical Methods in the Applied Sciences (Q1), 2022, ISSN 01704214, https://doi.org/10.1002/mma.8510, in press.
V.N. Kovalnogov, M.I. Kornilova, Y.A. Khakhalev, D.A. Generalov, T.E. Simos, C. Tsitouras
New family for Runge-Kutta-Nyström pairs of orders 6(4) with coefficients trained to address oscillatory problems / Mathematical Methods in the Applied Sciences (Q1), Volume 45, Issue 12, 2022, Pages 7715-7727, ISSN 01704214, https://doi.org/10.1002/mma.8273, in press.
V.N. Kovalnogov, R.V. Fedorov, V.N. Klyachkin, D.A. Generalov, Kuvayskova Y.E., S.V. Busygin
Applying the Random Forest Method to Improve Burner Efficiency / Mathematics (Q1), Volume 10, Issue 12, 2022, ISSN 22277390, https://doi.org/ 10.3390/math10122143.
M.I. Kornilova, V.N. Kovalnogov, R.V. Fedorov, M.M. Zamaleev, V.N. Katsikis, S.D. Mourtas, T.E. Simos
Zeroing Neural Network for Pseudoinversion of an Arbitrary Time-Varying Matrix Based on Singular Value Decomposition / Mathematics (Q1), Volume 10, Issue 8, 2022, ISSN 22277390, https://doi.org/10.3390/math10081208.
V.N. Kovalnogov, R.V. Fedorov, D.A. Generalov, E.V. Tsvetova, T.E. Simos, C. Tsitouras
On a New Family of Runge– Kutta–Nyström Pairs of Orders 6(4) / Mathematics (Q1), Volume 10, Issue 6, 2022, ISSN 22277390, https://doi.org/10.3390/math10060875
Другие лаборатории и ученые
Лаборатория, принимающая организация
Область наук
Город
Приглашенный ученый
Период реализации проекта
Лаборатория «Нелинейные и нелокальные задачи для уравнений в частных производных и их приложения»

Российский университет дружбы народов - (РУДН)

Математика

Москва

Куксин Сергей Борисович

Россия, Франция

2022-2024

Лаборатория «Вероятностные методы в анализе»

Санкт-Петербургский государственный университет - (СПбГУ)

Математика

Санкт-Петербург

Хеденмальм Хокан Пер

Швеция

2021-2023

Международная лаборатория кластерной геометрии

Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» - (ВШЭ)

Математика

Москва

Шапиро Михаил Залманович

Россия, США

2021-2023