На конкурс по фундаментальным научным исследованиям на период 2012-2016 гг. Ф3
| Вид материала | Конкурс |
СодержаниеФундаментальные исследования Форма 4. Рабочая программа для фундаментальных исследований Приложение 4.5 к форме 4 Название проекта |
- Программа города Москвы на среднесрочный период (2012-2016 гг.) "Градостроительная, 4176.85kb.
- Конкурс проводится при поддержке Министерства культуры Российской Федерации в рамках, 65.29kb.
- Государственная программа развития системы образования города Москвы на период 2012-2016, 593.92kb.
- Государственная программа развития системы образования города Москвы на период 2012-2016, 597.94kb.
- Государственная программа развития системы образования города Москвы на период 2012-2016, 546.21kb.
- Государственная программа города Москвы на среднесрочный период (2012-2016 гг.) Развитие, 2464.62kb.
- Концепция федеральной целевой программы «Молодежь России» на 2012-2016 годы I. Обоснование, 318.69kb.
- Регіональна програма інноваційного розвитку на період до 2016 року Чернівці 2011, 497.1kb.
- 20 налоговых тезисов тпп, 57.68kb.
- Образование в сибири, 3758.69kb.
на конкурс по фундаментальным научным исследованиям на период 2012-2016 гг.
Ф3. Қайта тикланувчи энергия манбалари қўлланишининг назарияси ва
усуллари.
ПФИ-3 Теория и методы использования возобновляемых источников
энергии
Лойиҳа: Босимсиз суюқлик оқимидаги гидродинамик эффектни оқим тезлашаётган ва критик ҳолатга ўтаётган пайтда тадқиқ қилиш
Проект: Исследование гидродинамического эффекта в свободном безнапорном потоке жидкости при ускорении потока и переходе его через критическое состояние.
Ташкент 2011
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Форма 1. Сведения о проекте
| 1.1 Исследование гидродинамического эффекта в свободном безнапорном потоке жидкости при ускорении потока и переходе его через критическое состояние. |
| 1.2 Фундаментальное исследование. |
| 1.3 ПФИ-3 Теория и методы использования возобновляемых источников энергии |
| 1.4 Исследование научных основ и изыскание принципиальных методов повышения эффективности преобразования и использования возобновляемых источников энергии. |
| 1.5 Аннотация |
| В связи с истощением запасов ископаемого топлива остро стоит вопрос об эффективном использовании энергоресурсов, увеличении доли возобновляемых экологически чистых источников энергии, в частности гидроэнергии. В Узбекистане уделяется пристальное внимание этим вопросам, и осуществляется поддержка со стороны Правительства, что подкреплено указами и постановлениями Президента Республики Узбекистан № 476 от 28.12.1995 г. “О развитии малой гидроэнергетики в Республике Узбекистан ”. В свете этого остро стоит вопрос о внедрении технологий для эффективного использовании гидроэнергетического потенциала, с использованием современных научно-исследовательских работ и изысканий. Одним их вариантов использования энергии водного потока является применение свободно-поточных гидравлических турбин, энергия которых может использоваться не только для преобразования её в электрическую но также и для непосредственного привода насосов, подъёма воды, и т.п. Плюсом такой технологии с использованием свободно-поточных агрегатов является то, что в этом случае отсутствует необходимость строить дорогую и потенциально опасную плотину, теряя под водохранилище наиболее плодородные и обжитые приречные земли. Минусом же является принципиальная невозможность извлечь всю кинетическую энергию потока, следствием чего является то, что традиционные свободно-поточные турбины пока не обладают достаточной энергетической эффективностью и не являются рентабельными. Однако, использование современных научных исследований, технологий и методов способно повысить их энергоотдачу и эффективность. Некоторые не до конца ещё изученные гидравлические эффекты и явления, такие как гидравлический прыжок, гидравлический удар, эффект кавитации и др., которые в обычных условиях могут негативно влиять на гидравлические машины, иногда могут найти и полезное применение. Целью проекта является выявление гидродинамических закономерностей возникновения специфического гидродинамического эффекта в свободном безнапорном потоке жидкости при ускорении потока и переходе из спокойного состояния в критическое. Определение оптимальных условий его устойчивого проявления в зависимости от глубины и скорости потока. Разработка теории возможного применения этого эффекта для получения энергии свободно-поточными гидротурбинами и рекомендаций по конструированию и внедрению таких турбин. Для решения поставленных в проекте задач предусматривается проведение следующих этапов его реализации: 1 этап – 2012 г. - выбор метода расчёта гидродинамического эффекта для свободного безнапорного потока. Создание теоретических основ расчета закономерностей гидродинамического эффекта для различных типов русел - прямоугольных и трапециевидных 2 этап -2013 г. - разработка теории получения энергии с использованием исследуемого эффекта, а также конструкций лопастных гидромашин на основе выявленных теоретических закономерностей 3 этап – 2014 г. - разработка теории, характеризующей закономерности гидродинамического эффекта, возникающего в свободном безнапорном потоке жидкости, влияние на свободно-поточные турбины, возможности его применения в целях получения энергии из потока жидкости. 4 этап – 2015 -16 гг. - разработка и конструирование модели для экспериментального исследования. Проведение экспериментов, оптимизация конструкции свободно-поточной турбины. Корректировка теоретических исследований с учётом экспериментальных данных. Разработка рекомендаций по применению свободно-поточной турбины в народном хозяйстве и промышленности Республики. Результаты предлагаемого к выполнению проекта будут представлять теоретический и весомый практический интерес для системы водного и энергетического хозяйства в условиях перехода к рыночной экономике. |
| 1.6 6 |
| 1.7 2012-2016 |
| 1.8 77 850 000 |
Форма 4. Рабочая программа для фундаментальных исследований
4.1 Исследование гидродинамического эффекта в свободном безнапорном потоке жидкости при ускорении потока и переходе его через критическое состояние
4.2 Целью проекта является выявление гидродинамических закономерностей возникновения специфического гидродинамического эффекта в свободном безнапорном потоке жидкости при ускорении потока и переходе из спокойного состояния в критическое. Определение оптимальных условий его устойчивого проявления в зависимости от глубины и скорости потока. Разработка теории возможного применения этого эффекта для получения энергии свободно-поточными гидротурбинами и рекомендаций по конструированию и внедрению таких турбин.
В настоящее время во всём мире актуален вопрос развития малой гидроэнергетики. Одним из направлений этой отрасли является разработка микроГЭС на основе свободно-поточных гидротурбин, использующих энергию водотока без возведения плотин и создания водохранилищ. С учётом современных требований, для наиболее эффективного развития этих технологий следует использовать инновационные решения и современные научные исследования, на что делается акцент правительством и президентом Республики Узбекистан.
Некоторые идеи по развитию инновационных технологий в этой области были рассмотрены на конференции «Современные научно-технические решения эффективного использования возобновляемых источников энергии» проводившейся в Ташкенте в апреле 2011 года. На этой конференции исполнителями настоящих исследований был сделан доклад и в журнале "Проблемы энерго- и ресурсосбережения" была опубликована статья по этой тематике.
Использование свободно-поточных гидравлических турбин является одним из вариантов использования энергии водного потока энергия которых может использоваться не только для преобразования её в электрическую но также и для непосредственного привода насосов, подъёма воды, перемещения каких либо механизмов и т.п. Плюсом такой технологии с использованием свободно-поточных агрегатов является то, что в этом случае отсутствует необходимость строить дорогую и потенциально опасную плотину, теряя под водохранилище наиболее плодородные и обжитые приречные земли. Минусом же является принципиальная невозможность извлечь всю кинетическую энергию потока, следствием чего является то, что традиционные свободно-поточные турбины пока не обладают достаточной энергетической эффективностью и не являются рентабельными. Однако, использование современных научных исследований, технологий и методов способно повысить их энергоотдачу и эффективность. Некоторые не до конца ещё изученные гидравлические эффекты и явления, такие как гидравлический прыжок, гидравлический удар, эффект кавитации и др., которые в обычных условиях могут негативно влиять на гидравлические машины, иногда могут найти и полезное применение.
Несмотря на то, что исследованиями безнапорных потоков долгое время занимались многие учёные-гидравлики, однако некоторые гидродинамические режимы, и в частности переход режима свободного потока в критический с возникновением, так называемого гидравлического прыжка ещё далеко не изучен.
В современной научной литературе по гидравлике, например в наиболее популярном среди инженеров и учёных-гидравликов учебнике - "Гидравлика" под редакцией Р.Р. Чугаева, в частности написано:
"Однако вопрос о размере [гидравлического прыжка] до сего времени не получил даже приближенного теоретического решения. Различные авторы для расчёта длины прыжка предложили разные чисто эмпирические формулы (в литературе опубликовано около четырех десятков таких формул). При сопоставлении этих формул выяснилось, что в длинах прыжка, вычисленных по ним, получается большое расхождение" - конец цитаты.
Все формулы, приведённые для расчёта режимов перехода сопряжённых глубин при гидравлическом прыжке и переходе потока через критическое состояние, эмпирические и очень часто дают значительные погрешности при расчёте таких режимов течения жидкости.
Несмотря на это, долгое время активных исследований в этом направлении не велось, вероятно, вследствие нерентабельности применения этих исследований для народного хозяйства и, в частности, для энергетических целей.
Однако, в связи с истощением углеводородного топлива, повышении цен на традиционные энергоносители и необходимостью экономии энергетических и водных ресурсов, такие исследования становятся всё более актуальными, тем более в энергетическом аспекте.
Основная задача настоящих фундаментальных исследований заключается в нахождении теоретических закономерностей и исследовании свободно-поточных режимов течения жидкости и гидродинамического эффекта в свободном безнапорном потоке при ускорении потока и переходе его через критическое состояние. Уточнении условий возникновения этого эффекта и возможностей его использования в свободно-поточных гидравлических турбинах особой конструкции, используемых для получения энергии из потока воды.
Исследование проявления этого эффекта для различных типов русел и зависимость его проявления от различных факторов, таких как глубина и скорость потока, уклон русла, наличие в воде взвешенных частиц, и др.
Следует отметить, что эффект, являющийся целью настоящего исследования проявлялся в экспериментах многих учёных и экспериментаторов, проводивших работы в гидро- и аэродинамике. В частности, для напорных течений жидкости он был изучен профессором Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета Котоусовым Л.С – «Исследование скорости водяных струй на выходе сопел с различной геометрией». Аналогичными исследованиями в аэродинамике проводил Володько Ю.И. Им обнаружен аналогичный эффект при исследованиях ускорения потока сжатого воздуха, результаты которых опубликованы в работе «Ламинарное истечение сжатого воздуха в атмосферу». В этой связи следует отметить и более ранние исследования, которые также, вероятно, имеют отношение к рассматриваемой проблеме. А именно зарегистрированное в 1951 году открытие учёных Кудрина О.И., Квасникова А.В., Челомея В.Н:. «Открытие явления аномально высокого прироста тяги в газовом эжекционном процессе с пульсирующей активной струей», регистрационный номер открытия № 314 от 02.07.1951
Несмотря на то, что вышеприведённые исследования относятся к напорным (то есть имеющим избыточное давление относительно окружающей среды) потокам движущейся субстанции - жидкости или газа, но явные и неявные проявления этого эффекта обнаруживались и в безнапорных потоках жидкости. Однако подробных исследований в этом направлении пока не проводилось вследствие того, что, вероятно, этот эффект не удавалось устойчиво воспроизвести и его проявления часто списывались на погрешности измерений, что не способствовало целенаправленным исследованиям эффекта. Профессор Котоусов в своей работе также отмечает некоторые факторы, которые, по его мнению, препятствовали детальному исследованию этих процессов.
Вследствие этого, несмотря на то, что экспериментально это явление и было обнаружено, но оно пока далеко не изучено и не имеет удовлетворительного теоретического обоснования.
Интересные проявления этого эффекта были обнаружены при испытаниях бесплотиной ГЭС, проводившихся российскими исследователями, результаты, которых были опубликованы в №3 за 2005 год Международного научного журнала «Альтернативная энергетика и экология», а именно в статье «Бесплотинные ГЭС нового поколения на основе гидроэнергоблока», автор Ленёв Н.И.
Данные экспериментов опубликованных в этой статье подтверждают, что при испытаниях турбины особой конструкции происходит ускорение потока на выходе турбины и несколько увеличивается мощность, выдаваемая турбиной. По мнению сотрудника Физического Института Академии Наук России (ФИАН) Захарова. С.Д., давшего свою рецензию в заключении статьи, этот процесс ещё глубоко не изучен, удовлетворительного объяснения этому эффекту пока не найдено, и рекомендуется продолжать исследования в этом направлении.
Одним из исполнителей настоящих фундаментальных исследований уже был проведён предварительный анализ этого явления и даны некоторые теоретические обоснования этого эффекта, которые опубликованы в нескольких научных статьях российских и отечественных научно-технических изданий, некоторые из которых входят в перечень рекомендуемых ВАК Узбекистана и ВАК Российской Академии Наук.
В 2008 году на эту разработку был получен сертификат международного конкурса альтернативной энергии “Energy Globe Award -2008”, проводимом при поддержке Европарламента в Брюсселе в Бельгии.
Настоящими исследованиями преследуется цель изучения гидродинамического эффекта, возникающего при ускорении потока движущейся субстанции (воды) и позволяющего значительно повысить удельную мощность свободно-поточных гидротурбин. Эти исследование позволят выявить условия и наиболее оптимальные режимы их работы, дать рекомендации по конструктивным особенностям таких машин и оптимальным режимам водотоков для их функционирования.
В результате выполнения настоящего проекта будут разработаны теоретические обоснования гидродинамического эффекта, возникающего в свободном безнапорном потоке жидкости. Будут найдены закономерности условий его проявления, его влияние на свободно-поточные турбины, возможности его применения в целях получения энергии из свободного безнапорного потока жидкости.
Настоящие фундаментальные исследования имеют значительное прикладное значение, поскольку позволяют проектировать высокоэффективные свободно-поточные гидротурбины значительно превосходящие существующие аналоги по энергоотдаче и энергоэффективности.
Следуя отметить и аналогию многих явлений гидравлики и аэродинамики, можно сделать вывод, что исследования в этом направлении применимы и к аэродинамике, что приведёт впоследствии к созданию высокоэффективных способов получения энергии ветра и разработке новых конструкций ветрогенераторов.
Предварительно проведённые разработки в этом направлении и выведенные формулы в опубликованных ранее статьях, дают основания полагать, что научные изыскания в рамках настоящего проекта по фундаментальным исследованиям могут привести к открытию неизученного ещё гидродинамического эффекта в напорном и безнапорном потоке воды.
Эти формулы и диаграммы, построенные по ним, ещё не встречаются ни в одном из классических учебников по гидравлике, и есть основания полагать, что фундаментальное значение этого исследования выразится в дополнении учебников по гидравлике новыми гидродинамическими закономерностями и эффектами, выявленными в результате этих исследований. Будет проведена корректировка и уточнение многих эмпирических законов гидродинамики и теории гидравлических машин, что приведёт к более глубокому пониманию сущности многих малоизученных гидравлических явлений.
Изучаемый эффект может иметь крайне важное значение не только в фундаментальной физике, но и иметь очень важное прикладное значение, поскольку позволит кардинально изменить способы получения энергии из потоков воды.
Теория и технология, разработанные в рамках проекта могут быть востребованы во всём мире, в частности в тех районах где существуют реки, поверхностные морские или океанские течения. Также эта технология может быть востребована на трансграничных реках, где существует ограничение на строительство дамб и плотин для нужд традиционной напорной гидроэнергетики.
Тема этих исследований, очень значима, так как они затрагивают такие актуальные направления как альтернативные источники энергии, энергоэффективность, экологию, проблемы изменения климата.
Узбекистан, будучи первым в исследованиях этого эффекта получит приоритет на это открытие и может быть лидером в таких исследованиях. Документально этот приоритет уже зафиксирован публикациями статей в международных научных журналах на русском и английском языках, а также международными патентными заявками, поданными от имени некоторых исполнителей этих исследований.
Учитывая актуальность этих научно-изыскательских работ, они в перспективе могут привлечь и международные научные организации для их финансирования. Возможно получение грантов для их продолжения от таких организаций как ПРООН, Всемирный Банк Развития, Азиатский Банк Развития, TACIS, Американский Фонд гражданских исследований и развития, Глобальный экологический фонд и др. поскольку эти авторитетные и влиятельные организации активно финансируют технические и научные направления, связанные с альтернативными источниками энергии, проблемами энергосбережения и энергоэффективности.
4.3 Для решения поставленных в проекте задач предусматривается проведение следующих этапов его реализации:
1 этап – 2012 г.
- выбор метода расчёта гидродинамического эффекта для свободного безнапорного потока. Создание теоретических основ расчета закономерностей гидродинамического эффекта для различных типов русел - прямоугольных и трапециевидных
2 этап -2013 г.
- разработка теории получения энергии с использованием исследуемого эффекта, а также конструкций лопастных гидромашин на основе выявленных теоретических закономерностей
3 этап – 2014 г.
- разработка теории, характеризующей закономерности гидродинамического эффекта, возникающего в свободном безнапорном потоке жидкости, влияние на свободно-поточные турбины, возможности его применения в целях получения энергии из потока жидкости.
4 этап – 2015 -16 гг.
- разработка и конструирование модели для экспериментального исследования. Проведение экспериментов, оптимизация конструкции свободно-поточной турбины. Корректировка теоретических исследований с учётом экспериментальных данных. Разработка рекомендаций по применению свободно-поточной турбины в народном хозяйстве и промышленности Республики. Патентование способов получения энергии с использованием исследуемого эффекта, а также конструкций турбин на основе выявленных теоретических закономерностей.
На всех этапах реализации предполагается публикация в республике и за рубежом промежуточных результатов теоретических и экспериментальных исследований. Также планируется участие и подготовка докладов на международных конференциях, конкурсах и симпозиумах по обсуждению вопросов использования альтернативных возобновляемых источниках энергии, энергоэффективности.
4.4 Основные публикации по теме представленного проекта прилагаются.
4.5 Приложение к форме 4 для формирования программ прикладных научных исследований прилагается.
Приложение к пункту 4.4 формы 4
Список публикаций исполнителей предложенного проекта
«Исследование гидродинамического эффекта в свободном безнапорном потоке жидкости при ускорении потока и переходе его через критическое состояние»
Патенты:
1. Способ извлечения энергии из безнапорного потока текущей жидкости. WO/2007/131246 Трещалов Г.В. Международная патентная заявка WIPO PCT/UZ2006/000001
2. Verfahren Zur Gewinnung Von Energie Aus Der Strцmung Eines Fliessenden Mediums Treshchalov, G. V. EP2019202
3. Трещалов О.В. Трещалов Г.В. «Турбина со спаренными рабочими колесами и обратной связью и между ними». // патентная заявка ФИПС РФ №2007135381/20(038680)
Научные статьи:
1. Трещалов Г.В. «Высокоэффективный способ извлечения энергии из безнапорного потока текущей жидкости на основе специфического гидродинамического эффекта», сборник 6-й Международной научно-практической конференции, Иркутский Государственный Технический Университет 2009 г. (Иркутск, Россия).
2. Котоусов Л.С «Исследование скорости водяных струй на выходе сопел с различной геометрией», Журнал Технической Физики (ЖТФ) 2005, том 75, вып. 9 (Москва, Россия)
3. Гловацкий О.Я., Исаков Х.Х. Некоторые аспекты энергосберегающих режимов крупных насосных станций // Энергия ва Ресурс тежаш муаммолари № 3-4, - Т 2008
4. Трещалов Г.В. «Высокоэффективный способ извлечения энергии из безнапорного потока текущей жидкости на основе специфического гидродинамического эффекта» «Журнал Русской Физической Мысли» 2008 г. Москва.
5. Гловацкий О.Я., Трещалов Г.В.. «Исследование гидродинамического эффекта извлечения энергии из безнапорного потока жидкости» // "Проблемы энерго- и ресурсосбережения" специальный выпуск, с.109-113 – Т-2011
6. Ленев Н.И.. «Бесплотинные ГЭС нового поколения на основе гидроэнергоблока» журнал «Альтернативная энергетика и экология». №3 за 2005 год (Россия, Москва)
7. Гловацкий О.Я., Исаков Х.Х., Шарипов Ш.М., Толипов Ш.Г. Результаты гидравлических исследований водоподводящих сооружений насосных станций. Материалы Республиканской научно-практической конференции посвящённой благоустройству села. - Т. 2009 с.126-130
Приложение 4.5 к форме 4
ПФИ-3 Теория и методы использования возобновляемых источников энергии
| Название проекта | Организация-исполнитель; ФИО руководителя проекта | Ожидаемые конкретные результаты исследований (по годам) | Практическая реализация результатов завершенных исследований | |||
| 2012 г. | 2013 г. | 2014 г. | 2015 -2016г. | |||
| Исследование гидродинамического эффекта в свободном безнапорном потоке жидкости при ускорении потока и переходе его через критическое состояние. | | Будут созданы теоретические основы расчета закономерностей гидродинамического эффекта возникающего в свободном безнапорном потоке жидкости для различных типов русел - прямоугольных и трапециевидных. | Будет разработана теория получения энергии с использованием исследуемого гидродинамического эффекта, а также предварительные конструкции лопастных гидромашин на основе выявленных теоретических закономерностей. Будут опубликованы научные статьи в отечественной и зарубежной научной литературе по разработанной теории. | Будет разработана теория, характеризующая закономерности гидродинамического эффекта, возникающего в свободном безнапорном потоке жидкости, влияние на свободно-поточные турбины, возможности его применения в целях получения энергии из потока жидкости | Будет разработана и сконструирована модель для экспериментального исследований. Проведены эксперименты по оптимизации конструкции свободно-поточной турбины. Будет проведена корректировка направления теоретических исследований с учётом экспериментальных данных. Разработаны рекомендации по применению свободно-поточной турбины в народном хозяйстве и промышленности Республики. Будут запатентованы способы получения энергии с использованием исследуемого эффекта, а также конструкции турбин на основе выявленных теоретических закономерностей. | Внедрение рекомендаций по проектированию изготовлению свободно-поточных турбин использующих исследуемый гидродинамический эффект, в народном хозяйстве и промышленности Республики |