Ученые лаборатории тепломассопереноса Томского политехнического университета разработали новый математический метод, позволяющий с высокой точностью предсказать размеры так называемых дочерних капель. Результаты исследования помогут улучшить системы распыления топлива в двигателях, а также создать новые технологии термической очистки жидкостей.
Исследование ученых поддержано грантом Российского научного фонда (№ 23-69-10006 ). Результаты работы опубликованы в журнале Physics of Fluids (Q1, IF: 4,3).
Дочерними каплями называют капли, которые отделяются от «родительской» в процессе микровзрывной фрагментации.
Любое исследование в области топливной энергетики начинается с изучения отдельных капель. В процессе прогрева гетерогенных капель, содержащих в своем составе топливо и воду, могут возникать микровзрывы, вызванные вскипанием микрокапель воды. Такие капли проходят два этапа: прогрев до условий микровзрывной фрагментации и распад. Причем распад может быть частичным – мы называем его также пыхтение – и полным (микровзрывом). Понимание этой механики позволяет оптимизировать параметры распыления, повысить эффективность сгорания топлива и общую производительность двигателя, а также уменьшить уровень выбросов загрязняющих веществ в атмосферу
— отмечает один из авторов исследования, инженер-исследователь лаборатории тепломассопереноса ТПУ Роман Федоренко. Ученые лаборатории тепломассопереноса ТПУ представили новую математическую модель, которая позволила с высокой точностью предсказывать размеры дочерних капель в зависимости от различных факторов – температуры окружающей среды, скорости нагрева и состава самих капель. Модель показала свою эффективность – отклонение от экспериментальных данных не превышает 10 %, это статистическая погрешность.Для проверки своей модели политехники провели более 150 экспериментов, в ходе которых родительские капли, состоящие из воды и горючего (дизельного топлива и рапсового масла), нагревались в потоке горячего газа с температурой от 300 до 973 ℃. Исследования проводились в специальной установке, позволяющей точно контролировать температуру, скорость газа, в также состав и размеры родительских капель.
Мы установили, что при повышении температуры среды размеры дочерних капель уменьшаются. Это связано с увеличением давления в паровом слое и более быстрым распадом оболочки капли. Кроме того, свойства капель (форма, размер) играют важную роль в процессах микровзрывной фрагментации. Например, при смещении водяного ядра относительно центра капли размер дочерних капель увеличивается. Такие закономерности позволяет с высокой точностью предсказать, как будут изменяться параметры сжигания топлива в разных условиях эксплуатации и открывают новые возможности для управления этими процессами
— добавляет Роман Федоренко. Ученые также установили интересную закономерность в образовании дочерних капель для разных составов. Так, у капель, состоящих из более вязких жидкостей (рапсовое масло), наблюдался менее интенсивный распад по сравнению с каплями на основе дизельного топлива. Это повлияло на размеры дочерних капель, которые в случаях более вязких жидкостей часто превышали 20–30 мкм, а у менее вязких – размер дочерних капель не превышал 10 мкм.Результаты исследования ученых лаборатории помогут улучшить системы распыления топлива в двигателях, а также создать новые технологии термической обработки жидких топлив.
