документ - Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе

ОТЗЫВ
официального оппонента на диссертацию Терехова В.В. “Тепломассообмен в
пристенных течениях со вдувом, фазовыми превращениями и горением”,
представленную на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
по специальности 01.04.14 – теплофизика и теоретическая теплотехника
Диссертационная работа Терехова В.В. посвящена численному моделированию тепломассообмена в ламинарных и турбулентных пристеночных течениях, в основном в пограничных слоях с учетом вдува на пористой стенке, фазовых переходах
при конденсации влажного пара и испарения капель, процессов горения. Акцент делается исследовании сложных физико-технических процессов, использовании современных моделей, сравнении численных прогнозов с экспериментальными данными, в том числе полученными на установках ИТ им.С.С.Кутателадзе СО РАН. Работа согласуется с Перечнем основных направлений технологической модернизации
РФ (1. Энергоэффективность и энергосбережение, в том числе вопросы разработки
новых видов топлива). Проблематика диссертации находится в русле приоритетных
направлений развития науки, технологий и техники РФ (п. 7. Транспортные и космические системы. п.8. Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика.) и связана с разработкой критических технологий РФ (26. Технологии создания
энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии. 27. Технологии энергоэффективного производства и преобразования энергии на
органическом топливе). Поэтому данная работа, несомненно, является актуальной.
Научная новизна работы обоснована. Оппонент согласен с заявленными в диссертации пунктами. Однако ему особо хочется отметить следующие.
1. Получены результаты численного моделирования, согласующиеся с экспериментальными данными по погасанию пламени в пристеночном течении со вдувом
топлива через пористую поверхность.
2. Обнаружено, что горение в пограничном слое приводит к сильному (в 3-5 раз)
снижению трения по сравнением со случаем без горения.
3. Показано, что в отличие от нереагирующих потоков продольное ускорение
вызывает интенсификацию процессов тепло- и массообмена.
4. Численный анализ влияния ребра-стабилизатора пламени на характеристики
турбулентного течения с горением.
Практическая значимость работы связывается с возможностью получения ряда
зависимостей и рекомендаций, позволяющих проводить инженерный анализ турбулентных пристеночных течений со вдувом, фазовыми и химическими превращениями.
2
Апробация работы такова. 16 статей в журналах из списка ВАК, в том числе 15
из входящих в базу данных Web of Science в высокорейтинговых международных
журналах. Очень неплохой результат. Автор является одним из талантливых ученых
РФ, известен по докладам на международных и российских конференциях, имеет
грант Российского фонда фундаментальных исследований.
Об инфраструктуре работы. Структура диссертации состоит из оглавления,
введения, шести глав, заключения, перечня обозначений и списка литературы из
228 наименований (всего 255 стр. текста). Введение содержит краткое изложение
ВАКовских признаков, выносимых на защиту положений и краткое содержание глав.
В первой главе (42 стр.) дается экскурс в современное состояние проблемы тепломассопереноса на проницаемых поверхностях с фазовыми и химическими превращениями. Вторая глава методологическая (30 стр.) представляет суперкраткое изложение моделей, методов решения уравнений, а также еще и экспресс анализ их
тестирования. Третья глава (27 стр.) определена, как тепломассообмен на проницаемой поверхности при вдуве инородного газа и при наличии фазовых переходов.
Обширная, можно сказать центральная четвертая глава (58 стр.) акцентирует внимание на горении в пограничном слое. К ней примыкает пятая глава (35 стр), посвященная горению в пристеночных течениях с осложняющими факторами, в качестве
которых рассматриваются предвключенный участок, влияние градиента давления и
установка ребра-стабилизатора пламени. Шестая глава (33 стр.) фактически дополняет диссертацию экскурсом во влияние сил плавучести на гидродинамику и теплообмен в реагирующих и нереагирующих течениях. Заключение на полутора страницах суммирует выводы по работе.
Представленная диссертационная работа, судя по перечисленным фрагментам
и их удельному весу, довольно компактная и результативная. Фундаментальное
начало в ней превалирует над инженерными изысками, хотя не скажешь, что в ней
велик масштаб методического анализа. Общее впечатление от работы Терехова
В.В., в целом, положительное. Однако, “пища” для ее обсуждения имеется.
Несколько слов о концептуальной обоснованности работы и об ее месте в спектре работ данного профиля. Хорошо известно, что автор работы является учеником
выдающегося русского ученого, академика Волчкова Э.П., представителем его научной школы в Институте теплофизики им.С.С.Кутателадзе СО РАН. Понятно, что прототип работы – это труды покойного шефа автора, такие как монография Волчкова
Э.П., Лебедева В.П. Тепломассообмен в пристенных течениях. Новосибирск: НГТУ,
2003. 244с. Поэтому естественно, что в центре внимания в диссертации находятся
проблемы тепломассообмена в ламинарных и турбулентных пристеночных течениях
3
с учетом вдува через пористую стенку, наличия градиента давления, процессов горения, влияния плавучести.
Однако введение к работе заостряет внимание на необходимости численного
моделирования в противовес экспериментальным методам исследований, а на первом месте в выводах помещена разработка математической модели и комплекса
программного обеспечения решения сформулированных проблем, а также анализ
моделей турбулентности, методов численной реализации и установления границ их
применимости. Все это указывает, что анализ современного состояния исследований, которому, кстати, посвящена первая глава работы, должна была включать обозрение пакетных технологий, их содержимого, современной методологии расчетов
на компьютерах. Более того, можно было ожидать сравнений результатов расчета
автора с предсказаниями по известным пакетам CFX, Fluent, StarCD (StarCCM),
Open Foam и др. Однако этим ожиданиям осуществиться не удалось. Работа выстроена таким образом, как будто таких программных комплексов нет вообще.
Во многом отмеченное обстоятельство связано с выбором решаемых задач.
Очевидно, что они методические, далекие от практики. В центре внимания работы
находится анализ физических механизмов сложных процессов средствами численного моделирования. И здесь оправдан выбор приближения пограничного слоя и
рассмотрения обтекания плоской стенки. Более того, в диссертации решаются только двумерные задачи. Это тоже вполне обоснованно, т.к. существует «ниша», которую заполняет автор.
Отдельный вопрос о моделировании турбулентности. Конечно, здесь ощутимо
влияние одного из классиков этого предмета – профессора К.Ханьялика, хотя оно
могло быть детализировано. Автор входит в состав коллектива исполнителей по
МЕГАпроекту. Однако рассмотренные модели обозреваются без их критики. Более
того, не всегда понятно в содержательных главах работы, какая все-таки конкретная
модель замыкания использована? Из анализа моделей как-то выпало, что они
сформулированы для однофазных сред. Значит, влияние сложных физикохимических процессов на характеристики модели не учитывается?
Предваряя критические заметки, хотелось бы выделить несколько наиболее
значительных выводов данного исследования, позволяющих судить о его квалификационной состоятельности.
1. Получены результаты численного моделирования, согласующиеся с экспериментальными данными по погасанию пламени в пристеночных течении со вдувом
топлива через пористую поверхность. Разработана принципиально новая модель
погасания пламени в пограничном слое.
4
2.Определены границы применимости аналогии Рейнольдса для пограничных
слоев со вдувом инородного газа при наличии адиабатического испарения и конденсации парогазовой смеси. При конденсации воды из влажного воздуха установлено,
что подобие тепломассообмена имеет место до концентраций пара в ядре, не превышающих 0.2, а законы трения и теплообмена описываются соотношениями для
«сухой» стенки.
3. Показано, что установка ребра перед пористой пластиной в ламинарном режиме течения приводит к стабилизации диффузионного пламени, причем удаление
фронта горения от стенки приводит к уменьшению теплопотерь в стенку. Особенно
это проявляется на начальном участке пористой секции, где наблюдается лучшее
смешение реагентов, фронт пламени начинает распространяться от верхней кромки
ребра, а не от стенки, как это было в случае плоской пластины.
По диссертации следует сделать ряд замечаний.
1. Как уже отмечалось, в 1 главе нет критического анализа каталогов моделей в пакетных технологиях, на основе которого можно было бы уяснить
новизну разработок диссертации. Отсутствует оценка оригинальности постановок решаемых задач, их коренного отличия от аналогов, пожалуй, за исключением задачи о об отрывного течении за ребром – стабилизатором горения.
2. Записываются ли во 2 главе исходные уравнения в приращениях аналогично тому, как это сделано в монографии Белова-Исаева-Коробкова, на которую ссылается автор? Почему, говоря о совмещенной сетке, автор не упоминает о монотонизаторе Рхи-Чоу? Следовал ли он методике, изложенной в
монографии, или же применял другие подходы (например, изложенные в монографии Ферцигера и Перича)? Неплохо было бы сослаться на публикацию
Леонарда, предложившего схему QUICK –противопоточную схему с квадратичной интерполяцией. Применяется одномерный или двумерный аналог этой
схемы?
4. Отсутствует постановка граничных условий. Каковы условия на стенке,
на проточных границах, где располагаются границы относительно участков со
вдувом и относительно ребра? Как определяются характеристики турбулентности на входе и вблизи стенки?
5. Используются ли в работе алгебраические модели турбулентности? Почему не применялись однопараметрические модели вихревой вязкости типа
Спаларта-Аллмареса? Отмечено, что использовалась модель переноса сдвиговых напряжений Ментера 1994 года, а почему не более современная версия
2003 года, входящая в каталог пакета CFX? В работе Исаева 2006 года прово-
5
дился анализ моделей не для исследования пристеночных течений, как записано в работе, а для расчета отрывных течений на примере циркуляционного
течения в квадратной каверне с подвижной крышкой.
6. Из тестового расчета течения вдоль пластинки во 2 главе следует, что
наиболее предпочтительной представляется модель Дурбина V2F. Непонятно,
используется ли она дальше в работе?
7. Вычислительная «кухня» с указанием на количество узлов сеток, размеры пристеночных ячеек, эффективность алгоритма отсутствуют.
8. Термин «турбулизация» содержит намек на описание ламинарнотурбулентного перехода (ЛТП). Но ведь в работе не используются версии моделей, учитывающих ЛТП (например, модели Ментера).
9. Хорошо бы детализировать диапазоны определяющих параметров, в
частности, для числа Рейнольдса.
10. Отсутствуют выводы по главам, за исключением главы 4.
11. Цветные иллюстрации представляются без оцифровки палитры.
Несмотря на обилие замечаний, они носят, в целом, технологический характер.
Работа В.В.Терехова весьма содержательная, опирается на разнообразные эксперименты, как описанные в литературе, так и выполненные в ИТ им. Кутателадзе СО
РАН. Достоверность численных прогнозов обусловливается приемлемым согласованием с экспериментальными результатами.
Автореферат соответствует диссертации и достаточно полно отражает ее содержание.
Диссертационная работа является законченным научным исследованием,
представляющим крупный вклад в раздел теплофизики, связанный с моделированием процессов тепломассообмена в пристеночных течениях около плоской стенки со
вдувом, конденсацией, горением и отрывом при установке ребра-стабилизатора горения. Выполненная работа удовлетворяет требованиям, предъявляемым ВАК России к докторским диссертациям, а ее автор Терехов В.В. достоин присвоения ему
ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.14 –
теплофизика и теоретическая теплотехника.
Профессор кафедры механики
Санкт-Петербургского государственного
университета гражданской авиации,
заведующий лабораторией фундаментальных
исследований. д.ф.-м.н., проф.
Подпись профессора Исаева С.А. заверяю
С.А.Исаев