«У природы много ответов, главное их найти» — профессор Василий Арсирий о решении проблематики хаоса течений

Проблематика организации структуры течений актуальна для множества областей. Например, от организации потоков жидкостей или газов в энергетическом оборудовании зависит эффективность его работы — важное и актуальное направление работы, которым сегодня занимается очень малое количество инженеров. С одним из таких мы и поговорили.

Арсирий Василий Анатольевич — доктор технических наук, профессор кафедры Кондиционирования воздуха и механики жидкости Одесской Государственной Академии строительства и архитектуры (ОГАСА), профессор кафедры Прикладной экологии и гидрогазодинамики Национального университета «Одесская политехника», действительный член Академии энергетики Украины (Киев) и Международной ассоциации устойчивого развития (Варна, Болгария).

— Василий Анатольевич, как вы пришли в науку? Сразу ли определились с направлением своей научной деятельности?

— Я никогда не думал, что буду заниматься наукой, и считаю, что в науку меня привела семья и преподаватели. Я родился в центральной части Молдовы. Там на большой территории выращивают розы. Цветы собирают на рассвете, делают розовое масло и продают для парфюмерии во Францию. Можно сказать, что родом я из «долины роз». Родители были очень творческими людьми. Отец выращивал цветы. Любил создавать клумбы с красивым сочетание цветов. Высаживал их вдоль железной дороги и одним из первых построил в Молдове оранжерею для цветов. Потом отца пригласили на Молдавскую электростанцию, где он руководил цехом озеленения. И станция, и город стали удивительным местом цветов. Мама была одним из основателей фабрики, которая шила замечательную одежду. Родители заметили, что я «болен» музыкой, и мама начала изучать теорию музыки. В моей жизни и сегодня много музыки. До сих пор я много внимания уделяю теории сочетания звуков и цвета. Безусловно, большую роль в моей жизни сыграли учителя и преподаватели Одесского Политеха. Когда я работал на электростанции, я видел себя хорошим инженером. Преподаватели Политеха привозили к нам студентов на практику. Зная мою тягу к творчеству, именно преподаватели убедили в первую очередь жену, что мое место в науке. В то время государство обеспечивало существенные льготы для науки. По инициативе жены мы переехали в Одессу, так я стал заниматься наукой. Именно супруга помогла мне организовать мое творчество и стать ученым. Я часто повторяю фразу из фильма «Ищите женщину»: «При хорошей женщине и мужчина может стать человеком».

Сейчас вся наша семья, так или иначе, связана с наукой. Жена — доктор наук в области компьютерных методов распознавания… У меня есть надежда в возможности использования искусственного интеллекта для быстрого продвижения в исследованиях секретов структур и законов их самоорганизации. Дочь, зять и племянник – кандидаты наук, а внучки и внуки помогают искать структуры в музыке и природе, например, в геологических образованиях и растениях. Считают, что главное мое везение в жизни – это близкие люди, с которыми мне радостно жить.

Мое научное направление — изучение процессов движения жидкостей и газов, которые считаются хаотичными или турбулентными. Однако, еще Леонардо да Винчи рисовал в потоках регулярное расположение вихрей, но остальные процессы – хаотичны, что отражает термин «турбулентные». Сегодня мы имеем уникальный метод визуальных исследований, в которых хорошо видны не только вихри (они являются признаками больших сопротивлений). Главное, что мы делаем — фиксируем и изучаем признаки самоорганизации структур потоков жидкостей и газов, а это уже путь к оптимальному сочетанию энергетических параметров и улучшению качества работы оборудования. То есть в хаосе, мы ищем порядок.

Мы – это достаточно большая группа энтузиастов. Сегодня мы собрали много информации о самоорганизации структур, которые мы наблюдаем в природе. Нами уже созданы модели и методы, которые позволят вместо хаоса турбулентности разработать способы изучения структуры потоков. Зная структуру потоков, можно настраивать оборудование по принципу настройки музыкальных инструментов — только на максимальную эффективность и динамизм. Это уже новая парадигма науки реальных параметров на основе самоорганизации структуры потоков… вместо осреднения хаоса турбулентности.

— Получается, что основное направление ваших научных изысканий связано с созданием способов уменьшения турбулентности в потоках? В каких областях эта проблема актуальна, и расскажите подробнее каким образом вы подходите к ее разрешению?

— В энергетическом оборудовании чаще всего есть движение жидкостей и газов. И это движение нужно организовать. На сегодняшний день этим занимаются мало. Несмотря на то, что энергетика значительно продвинулась за последнее столетие и КПД вентиляторов более 80%, современные системы имеют ряд недостатков. Из-за того, что поток жидкости или газа сталкивается с большим количеством сопротивлений в системе, мы получаем вибрацию, шум, большие габариты, вентиляторы большую часть энергии тратят на преодоление сопротивлений.

Верный подход к проектированию нам может подсказать природа и, как ни странно, – музыка. В природе и музыке все органично и можно отследить структуры потоков, которые имеют волновой характер. А волновые процессы способствуют снижению сопротивлений при движении. В нашей работе мы создаем условия, чтобы поток жидкости или газа был стабильным, и практически не сталкивался с сопротивлением. Для этого в оборудовании, где движется поток, выстраиваем геометрию каналов, которая обеспечивает гармоничную или оптимальную структуру движения.

Например, нередко в энергетическом оборудовании все упирается в работу вентиляторов. Из-за плохой (примитивной) геометрии каналов вентилятор не может подавать необходимое количество воздуха. Сам вентилятор работает с КПД 80 — 90%, но воздуха меньше, чет нужно. Вынуждено котлы, системы вентиляции работают с меньшей производительностью. Да, можно вентилятор сделать с бОльшими оборотами, но затраты электричества на работу вентилятора вырастут в два раза. То есть, чаще всего эту проблему решают увеличением давления. Мы же уменьшаем сопротивление. Наши реновации поворотов, коллекторов (другого второстепенного оборудования) снижают сопротивления. Именно это увеличивает подачу воздуха на 20 – 40%, снижает шум, уменьшает затраты электричества на работу вентилятора на 30 – 50%. Улучшается качество работы всей системы. Мы еще только разрабатывает новые системные показатели. По существующим показателям проектной документации КПД вентилятора уменьшается! Ведь вентилятору – нагнетателю воздуха нет необходимости преодолевать сопротивления, ему нужно меньше энергии на увеличение подачи. Это можно назвать «парадокс эффективности». Сегодня при проектировании не обращают внимание на сопротивления. Подбирают вентилятор, который продавит нужное количество воздуха. Поэтому главная проблема – большие затраты на работу вентиляторов и уже очевиден предел увеличения производительности.

Почему у многих моделей ноутбуков проблемы с охлаждением? Им ставят большие внешние вентиляторы. Мы можем предложить совершенствовать геометрию каналов – проточные части внутри ноутбуков, где движется воздух. То есть, можно увеличить подачу воздуха и одновременно снизить затраты энергии вентиляторов. Главное — искать сочетания геометрических размеров каналов для снижения сопротивлений.

По сути, мы продолжаем эксперименты, которые начал еще в 19 веке английский физик Осборн Рейнольдс. Он первым провел эксперимент с визуализацией. При малых скоростях в жидкости он выделил слои, которые устойчивы. Это ламинарный или слоистый поток. Но при увеличении скорости режим движения жидкости переходит в турбулентный. Исследования в этой области проводил также Дмитрий Иванович Менделеев в Одессе. Он раньше Рейнольдса доказал, что при малых скоростях затраты малые, а при турбулентном течении затраты энергии растут квадратично. До сих пор считается – турбулентный режим с большими затратами – явление неизбежное. Почему мы — последователи Рейнольдса? Он тоже использовал визуализацию (добавлял струю красителя в поток). Это подтверждает слова да Винчи «когда имеешь дело с водой, сначала сделай эксперимент (я бы добавил – постарайся визуализировать процессы), и только потом рассуждай». Сегодня большинство ученых изучают турбулентность по вихрям (потому что только они видны без специальных действий), но именно вихри являются причиной больших сопротивлений. Если Рейнольдс только увидел слои, то мы проводи исследования для определения размеров поперечных и продольных структур. Уже научились использовать структуры для ускорения ракет или самолетов.

Популярная книга «квантовая электродинамика» нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана помогла разработать наглядные графики и описать эти структуры. Наш метод запатентован, и мы реализовали уже более 30 проектов на различных объектах. Если мы научимся использовать явление самоорганизации структуры потоков и других динамических проявлений природы, человечество сможет получать очень высокие результаты сразу по многим показателям. Последнее время ученые (Пригожин И. Р, Вернадский В.И, Выровой В.Н …) в разных областях разрабатывают новую парадигму самоорганизации и гармонизации природных явлений.

Развитие науки в этом направлении идет очень медленно. Еще Аристотель (4 век до н.э) сказал, что энергия состоит из потенциала и динамики (работы). Но прошло еще 19 веков, прежде чем Готфрид Лейбниц и Исаак Ньютон начали это использовать. Лейбниц умножил потенциал на динамику и получил мощность. Благодаря показателю мощности, которая и в электричестве, и в тепле, и при движении жидкостей, измеряется в Ваттах, мы имеем показатель КПД или эффективность – как электричество заставляет вращаться рабочее колесо вентилятора, которое формирует мощность потока (тоже в Ваттах). Ньютон предложил другую логику, что потенциал формирует работу (динамику), но этому мешают сопротивления. В нашей работе мы пытаемся использовать идею Ньютона. Мы не увеличиваем потенциал, потому что для этого придется увеличивать затраты энергии на вентилятор. Мы снижаем сопротивления вокруг вентилятора и при возможности внутри вентилятора. Реализовать такую идею не так просто – нужны новые коэффициенты качества процессов при движении жидкостей и газов, а дальше можно будет перейти к переносу теплоты и т.д.

Самое тяжелое в этом процессе – перейти от усреднения параметров турбулентности или хаоса к выявлению и использованию знаний о структуре. Надо от средних значений перейти к реальным. Ведь, при проектировании используют усредненные скорости движения потока, а размеры сечений кратны дюймам или сантиметрам, но в природе все несколько иначе. Приведу показательный пример работы с усредненными параметрами: если у 10 людей в приемной врача замерили температуру, потом рассчитали среднее значение, предположим – 36,8. Не выходя из кабинета, врач может сказать, что у всех температура в пределах нормы, и они здоровы. Но ведь у кого-то может быть температура 39, а у кого-то 35. Расчеты по осредненным значениям дают существенные ошибки. При проектировании такие ошибки называют «диапазон неопределенности».

— Расскажите о ваших проектах по реновации энергетического оборудования, какие из них были самые масштабные?

— Лучше начать с проекта с вентиляторами. КП «Чорноморськтеплоенерго» в 2006 г планировали строительство дополнительных котлов, так как уже не хватало тепла для отопления новых домов. При этом два котла по 58 МВт давали только по 40 МВт. Это распространенная проблема. В Украине есть официальный термин «ограничение мощности котлов», в США эту проблему называют «системный эффект» из-за больших сопротивлений. То есть, это массовое явление в мире. Все упирается в работу вентилятора, который дает на 30% меньше воздуха, чем нужно, хотя его КПД почти 85%… Повторюсь, можно сделать вентилятор с бОльшими оборотами. Его КПД тоже буде 85%, но затраты электричества вырастут в два раза. То есть, такую проблему решают увеличением давления. Наша реконструкция уменьшила сопротивления. Вентилятор добавил 40% воздуха. Затраты электроэнергии на работу вентилятора увеличились, но только на 10% (вместо 2 раз). Благодаря повышению подачи воздуха тепловая мощность котла увеличилась до 52МВт. В диссертации по материалам реконструкции мы обосновали, что уменьшение КПД вентилятора до 75% не ухудшило, а даже улучшило показатели работы всей системы подачи воздуха.

В Одессе более 40 крупных котлов в системе отопления. По документации и названию они должны обеспечивать тепловую мощность 58 МВт, но все они могут дать не более 40 МВт. Виноваты вентиляторы. Из-за больших сопротивлений они подают в котел воздуха на 30% меньше, чем требуется. Скажу больше: грамотные энергетики знают – если нужен котел 100 кВт, покупайте два по 100кВт. У каждого будут «ограничения» (из-за примитивной геометрии и соответственно высоких сопротивлений). Два котла работая вместе могут обеспечить не менее100кВт.

Еще один важный проект был реализован в 2012 году, на Криворожской тепловой электрической станции (общая установленная мощность 2 820 МВт). Это одна из крупнейших электростанций по мощности ТЭС в Украине. Главная проблема, которую мы обещали решить – уменьшить выбросы золы, которые загрязняют окружающую среду и серьезно вредят здоровью людей.

За очистку дымовых газов от золовых частиц отвечают электрофильтры. Выбросы составляли более 1000 мг/м³ при норме 50 мг/ м³. Из-за примитивной геометрии входных участков, только 40% электрофильтра участвовала в очистке. Визуальная диагностика потоков во входных участках электрофильтров показала, что незначительными изменениями геометрии мы сможем увеличить пространство, в котором электрофильтры очищают газы. Реконструкция только входных участков электрофильтров обеспечила уменьшение выбросов до 30 мг/ м³. Выбросы после реконструкции превысили норму только через 4 года. Для сравнения: другие варианты реновации обеспечивали нормативную работу только на 2 года и выбросы вновь увеличивались в разы. После этого приходилось делать профилактику для восстановления качества очистки (это называют межремонтный период) или платить штрафы за нарушения экологических норм.

Несколько проектов мы выполнили за рубежом. В Польше в городе Познань мы решили проблему шума при работе вентилятора высокого давления (компрессора). Визуальные исследования выявили вихревые зоны высоких сопротивлений, которые создавали шум от работы вентиляторов более 100 дБ. Шум при работе вентилятора слышали несколько кварталов города. Поэтому, заводу разрешали включать вентиляторы только днем на короткий период. Когда мы крепили внутри вентилятора вставку, чтобы убрать источник шума, поляки посмеивались «будет ли она работать?». Но, когда вентилятор включили, все были поражены. Шум существенно снизился. Результаты были так важны для фирмы «Хиполит Цегиельский», что еще 7 лет мы с женой ездили для представления результатов на международных выставках в Познани.

Самый важный проект был в 1997 году в США. В штате Колорадо мы сняли проблему ограничений мощности газовой турбины «Westinghouse 25 MW». Из-за недостатка воздуха на высоте 2500 метров она давала менее 20МВт. В этой работе мы впервые использовали вставки, которые устраняли зоны высоких сопротивлений. Специализированная фирма провела испытания и подтвердила увеличение мощности до номинальной – в 25 МВт.

— Над чем сейчас работаете?

— Первое, что мы хотим сделать – это альбом течений жидкости и газов с визуальными картинами структурообразования. Главное, что мы хотим донести: в природе можно найти ответы на самые сложные вопросы, главное увидеть и распознать их.

Сейчас мы работаем над запуском в массовое производство мини ГЭС. Это небольшие персональные гидротурбины, которые смогут давать 2-3 кВт и обеспечить электроэнергией отдельные дома. В чем ее уникальность? Сегодняшние турбины работают при условии наличия минимум 3-х метрового перепада воды. Т.е. турбины работают, если есть водопад высотой в 3 метра. Наша турбина при перепаде в полметра уже генерирует электричество с высокой эффективностью.

Параллельно пытаемся сделать массовым изготовление ветровых генераторов, которые можно установить на крышах многоэтажных домов. Крышные ветряки скоро станут нормой городов. На высоте 30 метров ветер имеет достаточную силу, и наличие ветряков позволит снять проблему с перебоями в электроэнергии. Крышные ветровые электростанции вполне обеспечат многоэтажным зданиям электричество для связи, интернета и аварийного освещения. Сейчас я чувствую себя виноватым из-за того, что до сих пор этот проект не реализован. В период отключений электричества крышные ветровые электростанции могут решить целый ряд проблем.

Несколько лет мы консультировали фирму «Відродження» по оптимизации работы котлов. Главные результаты – существенное увеличение мощности котлов и при этом удельная экономия топлива более 30%. Накопленный опыт хотим направить на создание «энергетического комплекса генерации электричества и тепла». Комплекс реализует идею распределенной генерации энергии и может дать более 5МВт электричества и около 10МВт тепла для отопления, либо технологических нужд. Главный результат – отсутствие теплового загрязнения. Тепловое загрязнение – это когда один атомный энергоблок обеспечивает электричество для целой области, но при этом выбрасывает в пространство тепло которое условно равно сжиганию 7-ми вагонов топлива. Проект распределенной генерации средней мощности хорош при решении проблем отсутствия электричества в случае катаклизмов или атак на инфраструктуру. Такие комплексы можно сделать подвижными. В начале войны рассматривался вопрос использования плавучих турецких электростанций для подачи электричества для Одессы. Энергетические комплексы средней мощности уменьшают тепловое загрязнение и улучшают другие экологические показатели.

— Василий Анатольевич, как вам известно, в обществе существует стереотип, что научная деятельность не предполагает высокий заработок. И это одна из причин, которая отпугивает молодых ученых от выбора пути науки для самореализации. Как считаете, что сегодня нужно учитывать молодым людям, чтобы их научная деятельность помогала им быть финансово обеспеченными?

— Развитие науки идет спонтанно, с трудностями и медленно. Но, именно наука делает страны сильными и богатыми. В Украине очень талантливые школьники. Но наука в Украине — это хаос с очень большими ограничениями. Мне повезло прийти в науку в период ее стимулирования государством. Сегодня у нас большие проблемы даже с высшим образованием, так как все соседние страны стимулируют нашу молодежь ехать учиться к ним. Государство обязано в корне изменить отношение к образованию, и особенно к научным школам. Если сделать льготное налогообложение науки, мы забудем проблемы заработков не только ученых, но и работников обычных предприятий. Только после этого будет конкурс на возможность учиться и заниматься наукой. Кроме того, занятие творчеством – способ быть счастливым.

_____________________________________________________

✒️Подписывайтесь на наш Telegram-канал и смотрите видео
на канале в YouTube

📩Прислать статью [email protected]

📩У нас есть страница на Facebook и Вконтакте
📩Журнал «Гранит Науки» в Тeletype
✒️Читайте нас на Яндекс Дзен