УДК 519.6
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ ПРЯМОГО ПОГЛОЩЕНИЯ С НАНОЖИДКОСТНЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ
В. А. Минаев, д.т.н., профессор, профессор кафедры специальных информационных технологий Учебно-научного комплекса информационных технологий Московского университета МВД России имени В.Я. Кикотя, Москва, Россия;
orcid.org/0000-0002-5342-0864, e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
И. С. Манжула, начальник кабинета специальных дисциплин кафедры информационного и технического обеспечения ОВД Дальневосточного юридического института МВД России имени И.Ф. Шилова, Хабаровск, Россия;
orcid.org/0000-0002-1298-1470, e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
А. В. Корячко, к.т.н., доцент, профессор кафедры математики и информационных технологий управления Академии ФСИН России, г. Рязань, Россия; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Э. М. Вихтенко, к.ф.-м.н., доцент, доцент высшей школы кибернетики и цифровых технологий Тихоокеанского государственного университета, Хабаровск, Россия;
orcid.org/0000-0002-7152-2311, e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Повышение эффективности солнечных тепловых установок – одна из ключевых задач в контексте декарбонизации и обеспечения энергетической устойчивости территорий. Значительного прогресса в этой области позволяют добиться солнечные коллекторы прямого поглощения (СКПП), в которых солнечное излучение поглощается непосредственно рабочим телом, что сводит к минимуму межфазные теплопотери. Одним из наиболее перспективных путей улучшения характеристик таких коллекторов является использование наножидкостей – коллоидных суспензий наночастиц в базовых теплоносителях. Целью работы являются построение математической модели и разработка алгоритмов для численного исследования физических процессов в солнечном коллекторе, где в качестве поглотителя солнечной энергии и теплоносителя используется наножидкость. Для решения поставленной задачи разработан вычислительный алгоритм на основе симметричной консервативной конечно-разностной схемы второго порядка точности по пространственным переменным, обеспечивающей сохранение дискретных инвариантов энергии и массы и безусловную устойчивость. Разработан специализированный программный комплекс на языке C++, поддерживающий параллельные расчёты в двумерной области. В комплекс включены модули генерации адаптивных сеток, расчёта эффективных теплофизических свойств коллектора, а также визуализации полей температуры наножидкости. Проведено численное исследование влияния материала наночастиц и граничных условий в модели на термический КПД, получены распределения температурных полей и количественно оценен вклад дисперсной фазы в увеличение КПД. Установлено, что выбор материала наночастиц и оптимизация отражающих/поглощающих свойств нижней границы коллектора являются ключевыми факторами повышения эффективности. Результаты исследования создают основу для рационального проектирования высокоэффективных наножидкостных СКПП и разработки моделей нового поколения.
Ключевые слова: солнечный коллектор, наножидкость, поглощение, тепломассоперенос, математическое моделирование, метод конечных разностей, аппроксимация, вычислительный эксперимент.