Российская разработка улучшит энергоэффективность композитных материалов
Ученые Самарского политеха создали способ моделирования процессов массопереноса и теплообмена в пористых материалах. По утверждению авторов, разработка поможет моделировать свойства теплоизоляционных и конструкционных материалов, при этом не требуя больших вычислительных мощностей и дорогостоящего программного обеспечения. Результаты исследования опубликованы в International Journal of Thermophysics.
Сегодня большинство конструкционных материалов – это композиты на основе цемента. В зависимости от формы пор или наполнителя все пористые материалы можно разделить на две группы. В первой группе материалы имеют правильную структуру – например, шарообразные или цилиндрические фрагменты арматуры или поры. Во второй группе материалы обладают внутренними полостями с неупорядоченным строением.
Коллектив исследователей Самарского государственного технического университета (СамГТУ) представил методику, с помощью которой можно рассчитать протекание процессов массопереноса и теплообмена в пористых или композитных материалах с правильной структурой. Ученым удалось экспериментально подтвердить теоретические расчеты при измерении теплопроводности цемента с арматурным каркасом.«»Мы изучаем, как размер, форма и количество пор материала влияют на то, насколько хорошо он проводит тепло. Мы также проводим исследования гидродинамики в пористых материалах со сложной геометрической формой, где определяем скорость и давление потоков жидкости внутри структуры. Этот процесс можно сравнить с протеканием выхлопных газов через автомобильный катализатор, имеющий ячеистую структуру», – рассказал один из авторов публикации, проректор Самарского политеха по интеграционным проектам, заведующий кафедрой промышленной теплоэнергетики теплоэнергетического факультета Антон Еремин.
Образцы пористых материалов с упорядоченной структурой, основанной на трижды периодических минимальных поверхностях, напечатанные на фотополимерном 3D-принтере
Образец TPMS-материала с топологией TSC_2
Аспирант Самарского политеха настраивает 3D-принтер
Образцы пористых материалов с упорядоченной структурой, основанной на трижды периодических минимальных поверхностях, напечатанные на фотополимерном 3D-принтере
Образец TPMS-материала с топологией TSC_2
Аспирант Самарского политеха настраивает 3D-принтер
По его словам, проведение таких исследований необходимо при выборе материала для улучшения энергоэффективности систем отопления и охлаждения, а также при разработке более эффективных фильтров и катализаторов. Также результаты исследования могут применяться для конструирования построек. Новая технология может использоваться для конструкций любого размера и в любой стране мира, отметил ученый.
Антон Еремин сообщил, что главной целью исследователей было применение новой разработки для моделирования физических процессов в материалах со сложной упорядоченной структурой.
«Исследование и разработка пористых материалов со сложной структурой, а также устройств на основе материалов со сложной формой полостей – это новое научное направление. Относительно недавно стали развиваться мощные программные комплексы, позволяющие моделировать сложные процессы в пористых материалах. А наш научный коллектив занимается исследованием и моделированием одного из самых сложных процессов – взаимосвязанного процесса тепло- и массопереноса в таких материалах», – пояснил исследователь.
В будущем научный коллектив планирует изготовить материалы со сложной упорядоченной структурой с помощью технологий 3D-печати с использованием пластика и различных металлов. По словам ученых, это позволит перейти от теоретических моделей к физическим объектам и внедрению разработки в промышленность.