Научные задачи по изучению турбулентного тепломассопереноса сотрудниками исследовательских подразделений ИТМО ранее решались преимущественно при выполнении оборонных программ, связанных, в частности, с проблемами обнаружения и защиты подводных лодок и при разработке систем наведения подводных ракет. В настоящее время исследования в этой области теплофизики связаны с глобальной проблемой охраны окружающей среды, которая может быть рассмотрена с учетом двух взаимосвязанных аспектов – энергоресурсосбережения и повышения экологической безопасности промышленного оборудования. Отличительной чертой исследований в ИТМО является их комплексный характер, который предполагает не только теоретическую и методическую разработку новых технологий в указанных направлениях, но и практическую реализацию части из них в лабораторных и опытно-промышленных установках. Основатель лаборатории Академик Коловандин Б.А
Одним из ключевых научных направлений, основоположником которого в ИТМО является академик Б.А. Коловандин, является развитие статистической теории турбулентного тепломассопереноса в потоках сложных сред, а также методов моделирования турбулентности. Данная проблема решалась с помощью использования оригинальных моделей турбулентности и методов расчета ее параметров, дающих решающее преимущество в сравнении с традиционными подходами, применяемыми в практике.

Важной с точки зрения своего прикладного характера является решение задачи эволюции дальнего следа (теплового или концентрационного) в бессдвиговой и слабосдвиговой стратифицированной по плотности внешней среде. Теоретически и экспериментально изучалась динамика распространения пассивной примеси (химическое, тепловое или радиоактивное загрязнение) в турбулентных свободных потоках применительно к морским и воздушным средам с учетом поперечной (температурной, плотностной) стратификации среды (Коловандин Б.А., Лучко Н.Н., Дмитренко Ю.М., Жданов В.Л., Черепанов П.Я. и др.). Источником загрязнения являлось самодвижущееся или буксируемое тело, а также неподвижный сосредоточенный источник типа открытого конца трубопровода в неподвижной или движущейся среде. Особенностью распространения загрязнения в стратифицированной среде является малая толщина следа примеси, например в случае больших значений молекулярного числа Шмидта, характерного для радиоактивного загрязнения. Данные, полученные в лаборатории турбулентности ИТМО, позволили продемонстрировать неизвестный ранее эффект влияния больших значений молекулярного числа Прандтля/Шмидта на структуру стратифицированной турбулентности. Знание законов распространения параметров турбулентного следа позволило создать методику его детектирования и прогнозирования. В научном плане интерес к данной проблеме обусловлен недостаточным знанием о взаимодействии стохастического поля турбулентности и регулярного поля внутренних гравитационных волн. Практически, квазиоднородная турбулентность в устойчиво стратифицированной по плотности среде использовалась как реалистичная модель распространения термогалоклина в океане и смешения в астуариях.

Построение физико-математической теории стратифицированной турбулентности предполагало разработку корреляционной многопараметрической модели напряжений Рейнольдса и завихренности, а также соответствующих параметров для скалярного поля. Для замыкания модели применялась теория кинематики двухточечных корреляций (Коловандин Б.А., Ватутин И.А.). Описание структуры турбулентности заключалось в выводе замкнутых уравнений параметров турбулентности с учетом гравитации. Успехи такого подхода продемонстрированы ранее в задачах расчета дальних безимпульсных следов, основанных на развитой теории, предсказывающей эволюцию осредненных по ансамблю параметров поля скорости и скаляра (температуры, концентрации, плотности) (Коловандин Б.А., Ватутин И.А., Лучко Н.Н., Бабенко В.А., Бондарчук В.У.). Достоинством данной теории является то, что она является инвариантной по отношению к основным параметрам (числам Рейнольдса и Пекле турбулентности, а также молекулярному числу Прандля/Шмидта). Составной частью такого исследования стал амплитудно-фазовый анализ осцилляций температуры и скорости в стратифицированных потоках, который помогает понять механизм взаимодействия регулярных возмущений с мелкомасштабными случайными пульсациями и взаимный обмен энергией между ними (Коловандин Б.А., Ватутин И.А., Бондарчук В.У., Бабенко В.А.).

Развитый набор математических моделей применялся для расчета нестационарных режимов работы ядерных энергетических установок и решения задач смешения пассивных примесей в стратифицированных следах за источником с разработкой программных средств учета структуры турбулентности, пригодных для описания достаточно широкого класса стратифицированных течений и с относительно простым внедрением в уже существующие методы и программные коды численного моделирования тепломассопереноса, в частности, в задачах теплофизики ядерных реакторов (Ковалев И.И., Бабенко В.А., Бондарчук В.У., Коловандин Б.А.).

Одним из конкретных приложений указанных научных исследований является изучение перспективных методов снижения гидродинамического сопротивления тел с целью их применения к реальным транспортным средствам для решения проблемы экономии топливных ресурсов. Экспериментальные результаты в этом направлении были получены ранее в рамках оборонных заказов. Сотрудники лаборатории турбулентности ИТМО (Коловандин Б.А., Пурис Б.И., Герцович В.А., Черепанов П.Я., Дмитренко Ю.М., Жданов В.Л.) в течение многих лет принимали участие в комплексных работах с участием многих организаций бывшего Советского Союза по проблеме обнаружения подводных лодок и снижения гидродинамического сопротивления скоростных самонаводящихся ракет. Лаборатория была одним из ведущих научных коллективов при разработке моделей турбулентных следов за подводными лодками, а также систем снижения гидродинамического сопротивления подводных ракет. На основании этих моделей была разработана бортовая аппаратура, использованная в натурных экспериментах, проводившихся в/ч 27117-Д, в/ч 13132 и НПО «Регион». По результатам работ в рамках выполнения оборонных программ «ЗАВЕСА» и «ЗАПРОС» сотрудники лаборатории турбулентности (Коловандин Б.А., Черепанов П.Я., Дмитренко Ю.М.) были отмечены премией Совета Министров СССР в 1982 году. Результаты экспериментальных исследований показали, что за счет генерации пристенной дорожки Кармана, состоящей из крупномасштабных поперечных вихревых структур, удается достичь почти безотрывного обтекания поверхности плохообтекаемых модельных тел типа шара и поперечно обтекаемого цилиндра и снизить их гидродинамическое сопротивление до 50%. Эти результаты, несомненно, явились стимулом для проведения дальнейших исследований в этом направлении. Действительно, проблема снижения потребления топлива с целью улучшения эксплуатационных параметров транспортных средств и, как следствие, снижение нагрузки на окружающую среду весьма актуальна. В последнее время методами компьютерного моделирования данная проблема изучается для аэродинамической оптимизации конструкции и оценки доли аэродинамического сопротивления в мощностном балансе автобусов и магистральных автопоездов белорусского производства с точки зрения снижения потребления топлива (Жданов В.Л., Бабенко В.А., Чорный А.Д., Жукова Ю.В., Баранова Т.А.), а также при конструировании беспилотных летательных аппаратов (Дударева И.Г., Чорный А.Д.).

Коловандиным Б.А. предложена новая концепция подхода к подсеточному моделированию турбулентности, позволяющая эффективно решать практические задачи для развитой турбулентности без привлечения высокопроизводительных ЭВМ. Суть данной концепции заключается в следующем. Если при моделировании крупных вихрей (LES) производить выбор размера ячейки расчетной сетки, сравнимого с Тэйлоровским микромасштабом длины, то внутри такой ячейки турбулентность можно рассматривать как статистически квазиоднородную, и применить, таким образом, значительные наработки и достижения, которые были получены в лаборатории турбулентности в рамках выполнения оборонных программ. В этом случае подсеточная модель представляет собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений обобщенно-однородной турбулентности эволюционного типа, которая является универсальной по отношению к турбулентным числам Рейнольдса и Пекле, а также молекулярному числу Прандтля/Шмидта и сводит к минимуму число допущений при конструировании подсеточной модели. Основные идеи концепции изложены в монографии Коловандина Б.А., Ватутина И.А., Бондарчука В.У. «Моделирование однородной турбулентности» (Минск: Беларуская навука, 1998).

Развитые методы моделирования турбулентных течений рассматривались как перспективные подходы к решению практических задач сдвиговой турбулентности. Именно они позволили получить ряд принципиально новых результатов, которые можно воплотить в новых теориях турбулентного перемешивания и горения.

Исследования по разработке статистических моделей турбулентного перемешивания с учетом вихревых структур – бургонов (Коловандин Б.А., Ватутин И.А.) преследовали цель более адекватного описания процессов перемешивания скалярной примеси при больших значениях турбулентного числа Рейнольдса. Эти исследования основаны на известных работах по прямому численному моделированию турбулентных потоков при достаточно больших значениях турбулентного числа Рейнольдса, в которых показано, что основным структурным элементом поля завихренности является вихревая трубка (бургон), среднестатистический радиус которой оценивается в диапазоне между тейлоровским и колмогоровским масштабами длины. Поскольку движение таких объектов в турбулентной среде задается процессом турбулентного переноса импульса, то Коловандиным Б.А. и Ватутиным И.А. развиты корреляционные модели турбулентности, учитывающие формирование и динамику в турбулентном потоке при больших значениях турбулентного числа Рейнольдса вихревых поверхностей как геометрического места векторов завихренности заданного уровня, связанных с индивидуальными вихревыми трубками. При этом рассматриваемые случайные функции обусловливаются с помощью соответствующего параметра событиями, связанными с вихревыми трубками – бургонами. Параметр обусловленности определяется способом идентификации маркировки самих вихревых трубок, а также учетом молекулярной диффузии смешиваемых скаляров. Разработанная корреляционная динамическая модель обусловлена параметром перемешанности и учитывает способность бургонов эффективно перемешивать скалярные включения, находящиеся в турбулентном потоке. Практическое приложение этих исследований представляется важным, в частности, для проблем турбулентного перемешивания, теплопереноса, горения и т.д. 

Для решения задачи моделирования процессов турбулентного горения на основе одного из перспективных подходов является подход, основанный на предположении, что турбулентное неперемешанное пламя считается состоящим из тонких одномерных реагирующиех областей, каждая из которых находится в локально ламинарном перемешанном окружении. Сосиновичем В.А., Бабенко В.А., Жуковой Ю.В. предложены замкнутые модели для расчета удельной поверхности пламени на основе совместной плотности вероятности скаляра и его градиента на стехиометрической поверхности. Также Сосиновичем В.А. и Цыгановым В.А. разработана модель, включающая уравнения для одноточечных функций плотности вероятности скалярных величин, с привлечением методологии моделирования функций плотности вероятности случайных турбулентных характеристик с выделением флуктуаций в терминах их масштабов длины. Модель оперирует различными масштабами длины с учетом их возможного различного влияния на структуру турбулентного пламени. Практическая важность решения этой проблемы заключается в ее применении для задач экологии по снижению выбросов загрязняющих веществ при горении. Исследование многокомпонентных диспергированных систем определяется востребованностью развитых подходов к анализу турбулентного тепломассопереноса, например, к проблеме очистки сточных вод и газов от примесей. Применение более тонких методов управления технологическими процессами очистки позволило достичь оптимальных по эффективности и производительности показателей работы очистных устройств с одновременным удешевлением процесса за счет снижения энергопотребления. Возможность применения явлений кавитации в турбулентном потоке для получения мелкодисперсных систем газ-жидкость, стали основой создания высокоэффективных технологий для очистки жидкостей и газов от примесей методом флотации либо адсорбционным методом (Коловандин Б.А., Пурис Б.И., Герцович В.А. и др.).

Сочетание использования кавитации и большого локального сдвига скорости в системах жидкость-жидкость для разработки устройств диспергирования и гомогенизации позволило их применить в пищевой промышленности, например, для раздробления жира при производстве восстановленных, рекомбинированных и модифицированных молочных продуктов, что способствует существенному улучшению усвояемости, сроков хранения и вкусовых качеств продуктов (Коловандин Б.А., Пурис Б.И., Герцович В.А., Бондарчук В.У., Баранова Т.А.). Применительно к производству восстановленных молочных продуктов внедрены разработанные в ИТМО опытные образцы гомогенизаторов молока, функционирующие при значительном снижении давления процесса (с 150-200 атм. в гомогенизаторах клапанного типа до 10-15 атм.) с одновременным повышением степени диспергирования (с 2-3 мкм до 0.4-0.9 мкм) и пятикратном снижении мощности привода. Для этих опытных образцов были характерны следующие рабочие параметры: производительность 5-15 м3/час; давление нагнетания 15-10 кПа; степень диспергирования для молочного жира в молоке: до 1мкм не менее 70%, от 1 до 2мкм - не более 20%, выше 2мкм - не более 10%. Эти параметры не уступают результатам, достигаемым на лучших отечественных (Одесского механического завода) и импортных (фирмы АРУ, Англия) клапанных гомогенизаторах, работающих при давлении 18040 кПа, а по стоимости изготовления - в более чем в два с лишним раза ниже даже при опытном производстве. При разработке эффективных диспергаторов-гомогенизаторов использован опыт, накопленный при создании бортовых систем снижения гидродинамического сопротивления высокоскоростных объектов военного назначения.

Эффективность гомогенизации зависит от температуры и давления, а также от свойств и состава компонент гомогенизируемой системы. Ранее и в настоящее время создаются методы расчета процессов гомогенизации и диспергирования, позволяющие провести компьютерное моделирование и диагностику режимов гомогенизирующих устройств в целях анализа эффективности технологических приемов, направленных на повышение производительности и эффективности процессов гомогенизации (Сосинович В.А., Бабенко В.А., Цыганов В.А., Чорный А.Д., Кухарчук И.Г.). Экспериментальные установки и комплекс измерительного оборудования для исследования турбулентных потоков с возможным образованием кавитационных зон в проточных каналах гомогенизаторов позволяют, с одной стороны, проверить на практике разрабатываемые теории, а с другой - получить отсутствующие экспериментальные данные (Кухарчук И.Г., Чорный А.Д.).

Методология исследования диспергирования и гомогенизации основана на совместном рассмотрении кавитационных процессов и больших локальных градиентов скорости, которая реализуется в устройствах для диспергирования, а также последующей экспериментальной проверке расчетных результатов на модельных установках, коррекции и уточнении теоретических подходов. Для того, чтобы адекватно отражать процессы дробления и коалесценции частиц и пузырьков математические модели строились с учетом всех фундаментальных процессов, происходящих в многокомпонентной дисперсной среде, для того, чтобы включать в рассмотрение эффекты воздействия конструктивных изменений, проводимых с целью технологических усовершенствований смесительных аппаратов, особенностей взаимодействия компонент с различными физическими свойствами (Сосинович В.А., Цыганов В.А., Бабенко В.А., Баранова Т.А.). Математическая постановка предусматривала совместное решение уравнений спектрального турбулентного переноса энергии, кинетических процессов коалесценции и дробления. Построение модели осуществлялось с описанием с точностью до парных взаимодействий эволюции функции плотности распределения частиц по размерам в нестационарном и стационарном турбулентном потоке жидкости при их дроблении и коалесценции. При изучении процесса диспергирования пузырьков газа в турбулентном потоке жидкости развиты подходы с учетом влияния спектральной неравновесности турбулентности и конструктивных особенностей диспергаторов и гомогенизаторов. Физико-математическая модель диспергирования газа в турбулентном потоке построена с учетом спектрального распределения энергии турбулентных пульсаций по масштабам длин и кинетических уравнений процессов коалесценции и дробления, что позволило процессы дробления и коалесценции в системе "газ-жидкость" рассматривать как зависимые от режима турбулентного течения жидкости. Модель процесса гомогенизации систем "жидкость-жидкость" в поле больших локальных градиентов скорости строилась на основе функции плотности вероятности размеров жидких частиц с использованием профиля скорости потока, получаемого из решения уравнений Навье-Стокса (Сосинович В.А., Бабенко В.А., Цыганов В.А.).

 Устойчивая тенденция последнего времени по разумному сочетанию традиционных инженерных подходов, натурных и стендовых испытаний с возможностями современных методов компьютерного моделирования привела к полномасштабному применению современных вычислительных технологий для решения задач турбулентного тепломассопереноса. Следует отметить, что такой подход в полной мере используется для моделирования аэродинамики и теплообмена плохообтекаемых тел с разработкой пассивных методов интенсификации теплоотдачи в применении к элементам теплообменной аппаратуры (Жукова Ю.В.). По прежнему остаются актуальными проблемы моделирования турбулентных динамических и скалярных следов, развитие теории турбулентных потоков сред с полимерными добавками, стратифицированных сред, диффузионного горения (Бабенко В.А.) и турбулентного микросмешения (Чорный А.Д.)

Задачи разработки методов снижения сопротивления подводных движущихся объектов и летательных аппаратов, впоследствии перешедшие в задачи аэродинамической оптимизации новых конструкций автотранспортных средств, сегодня связаны с решением задач архитектурно-строительной аэродинамики методами компьютерного моделирования (Чорный А.Д., Жукова Ю.В., Киреенко А.В.).

В 2015 году к лаборатории турбулентности в результате реструктуризации и оптимизации структурных подразделений института была присоединена лаборатория мембранного массопереноса во главе с заведующим лабораторией Байковым В.И.

Лаборатория мембранного массопереноса была создана в 1989 г. с целью теоретико-экспериментального исследования баромембранных процессов разделения жидких и газообразных сред. Д.ф.м.н. Бабенко В.А. Зав.лабораторией турбулентности 2003-2012 гг.

В период 1990-2000 г.г. была выведена замкнутая система дифференциальных уравнений, описывающих поля скорости, давления и концентрации при ламинарной ультрафильтрации с учетом концентрационной поляризации и гелеобразования. На основании построенной физико-математической модели и с помощью разработанной авторами (Байков В.И., Лучко Н.Н., Сидорович Т.В.) оригинальной методики получения приближенных решений детально описаны особенности ультрафильтрации в плоских и половолоконных мембранных каналах. В частности, получены соотношения для определения точки гелеобразования и вычисления скорости трансмембранного переноса для широкого набора входных параметров, определяющих геометрию канала, гидродинамику потока, молекулярные свойства раствора, селективность и проницаемость мембраны, гидравлическое сопротивление мембраны и геля. Учтена подвижность слоя геля. Проанализированы особенности ультра -и микрофильтрации в ячейке без перемешивания применительно к решению важной практической задачи − концентрированию на поверхности мембраны жизнеспособных микроорганизмов. Результаты нашли практическое применение при разработке конструкторской документации и изготовлении оборудования для очистки сточных и загрязненных вод, а также для устройства УФ-1 для санитарно-бактериологического анализа питьевой воды. Впервые в РБ утверждены и получены «Технические условия» ТУ РБ 03535003.006-97 изм. «1-5» на «Устройство фильтровальное УФ-1» и «Технические условия» ТУ РБ 100029077.014-2003 на производство мембран МПМ с соответствующими регистрационными удостоверениями Министерства здравоохранения РБ. Устройства для санитарно-бактериологического анализа воды и мембраны данного класса, предназначенные для проведения вирусологических, бактериологических и химических анализов воды, водных растворов и суспензий, в РБ ранее не производились. Велись работы по разработке технических условий на устройство для бактериологического анализа воздуха (Германович С.П., Зновец П.К.).

В 2001-2010гг. предложен общий подход к решению задачи конвективного массообмена при разделении бинарных газовых смесей в каналах мембранных элементов, сформулированы соответствующие краевые задачи, получены пригодные для инженерных расчетов новые формулы, разработаны компьютерные программы и проведены численное и экспериментальное исследования особенностей разделения в зависимости от физических свойств бинарных газовых смесей и параметров мембранных элементов (Байков В.И., Коляго Н.В., Сидорович Т.В., Зновец П.К., Германович С.П., Васкевич Н.Г.) .

Расширение тематики исследований и укрепление научной базы в 2007-2014 г.г. привели к тому, что в лаборатории проводились научные исследования по оптимизации процессов тепловыделения при ручной электродуговой сварке, что нашло практическое применение в разработке таких руководящих документов, как стандарты предприятия на проведение ремонтных работ на действующем газопроводе, и интенсификации теплопередачи применительно к компактным теплообменным аппаратам для вязких жидкостей. Теоретико-экспериментальным путём определены условия, при которых пульсационная составляющая ламинарного потока теплоносителя оказывает наибольшее влияние на интенсивность тепло– и массоообмена, предложен ряд новых расчетных соотношений (Байков В.И,, Сидорович Т.В.).