Специалисты лаборатории тепломассопереноса Томского политехнического университета разработали инновационный математический подход, обеспечивающий точное прогнозирование размеров образующихся дочерних капель. Полученные данные позволят оптимизировать системы распыления топлива в двигателях и разработать перспективные технологии термической очистки жидкостей.
Работа исследователей получила финансирование от Российского научного фонда ( 23-69-10006). Результаты работы опубликованы в журнале Physics of Fluids (Q1, IF: 4,3).
Капли, образующиеся в результате микровзрывной фрагментации и отделяющиеся от основной массы, называются дочерними.
«Изучение отдельных капель является отправной точкой любого исследования в области топливной энергетики. В ходе прогрева гетерогенных капель, содержащих топливо и воду, возможно возникновение микровзрывов, обусловленных вскипанием микрокапель воды. Эти капли проходят два этапа: нагрев до условий, вызывающих фрагментацию, и последующий распад. Распад может быть неполным, что мы определяем как «пыхтение», или полным – микровзрывом. Понимание данной механики позволяет оптимизировать параметры распыления, повысить эффективность сгорания топлива и общую производительность двигателя, а также снизить выбросы загрязняющих веществ в атмосферу», — отмечает один из авторов исследования, инженер-исследователь лаборатории тепломассопереноса ТПУ Роман Федоренко.
Новая математическая модель, разработанная учеными лаборатории тепломассопереноса ТПУ, позволяет с высокой точностью прогнозировать размеры образующихся капель, учитывая такие факторы, как температура окружающей среды, скорость нагрева и их состав. Эффективность модели подтверждена: расхождение с результатами экспериментов не превышает 10%, что соответствует статистической погрешности.
Чтобы оценить работу своей модели, политехники провели свыше 150 экспериментов. В этих экспериментах родительские капли, содержащие воду и горючее (дизельное топливо и рапсовое масло), подвергались нагреву в потоке газа с температурой от 300 до 973 °C. Для проведения исследований была использована специальная установка, обеспечивающая точный контроль температуры, скорости потока газа, а также характеристик родительских капель, таких как состав и размер.
«Наши исследования показали, что повышение температуры окружающей среды приводит к уменьшению размеров дочерних капель. Это обусловлено увеличением давления в паровом слое и ускоренным разрушением оболочки капли. Также, характеристики капель (форма и размер) оказывают существенное влияние на процессы микровзрывной фрагментации. В частности, смещение водяного ядра от центра капли приводит к увеличению размера дочерних капель. Выявленные закономерности позволяют с высокой точностью прогнозировать изменения параметров сжигания топлива в различных условиях эксплуатации и предоставляют новые возможности для управления этими процессами», — добавляет Роман Федоренко.
Исследователи выявили зависимость формирования дочерних капель от состава исходной жидкости. Капли, содержащие более вязкие жидкости, такие как рапсовое масло, демонстрировали менее выраженный процесс распада по сравнению с каплями на основе дизельного топлива. В результате, размер дочерних капель в случае более вязких жидкостей зачастую превышал 20–30 мкм, в то время как у менее вязких – не превышал 10 мкм.
Полученные исследователями лаборатории данные позволят совершенствовать топливоподача в двигателях и разрабатывать инновационные методы термической обработки жидкого топлива.
Информация поступила из пресс-службы Томского политехнического университета