Разработаны численные модели процессов горения в пористых средах для эффективной энергетики
Специалисты Томского научного центра СО РАН создали численные модели, позволяющие находить наиболее эффективную конфигурацию интерметаллидных горелок на основе никеля и алюминия, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Согласно данным моделирования и экспериментов, эффективность таких горелок в 2,5-5 раз выше, чем у керамических.
Кроме того, ученые показали возможность управлять самим процессом горения в широком диапазоне параметров, меняя размер и геометрию пор.
«Сейчас огромное значение приобретает создание эффективных и экологичных энергоустановок, позволяющих экономить ресурсы и применять альтернативные виды топлива. Поэтому возможность управлять процессом горения относится к числу самых актуальных задач, стоящих перед наукой. Одним из перспективных технических решений являются пористые горелки, которые позволяют сжигать различные виды топлива с высокой эффективностью, практически не генерируя вредных выбросов в окружающую среду», — рассказал один из участников исследований, старший научный сотрудник лаборатории технологического горения ТНЦ СО РАН, кандидат физико-математических наук Игорь Яковлев.
По словам ученого, главная сложность заключается в том, что в экспериментах с таким типом горелок практически невозможно не только инструментально контролировать, но даже наблюдать физические процессы, которые протекают внутри пор во время горения.
Для решения этой проблемы ученые обратились к численному моделированию. Если раньше влияние геометрии пористых сред на процесс горения при моделировании учитывали на основе усредненных полуэмпирических параметров, то теперь, когда появилась возможность подключить более существенные вычислительные мощности, структуру пор удалось учесть в модели в явном виде, путем прямого сканирования образцов пористых сред с помощью рентгеновской компьютерной томографии.
«Взяв оцифрованные объекты, мы можем построить численную модель, в которой видна вся структура пор, учитывается течение газов по этим поровым каналам, химические реакции и теплообмен между продуктами сгорания и пористой средой, а также передача тепла излучением. Все это позволяет совершенно иначе взглянуть на физику процессов, протекающих внутри пористых сред», — пояснил Игорь Яковлев.
Результаты численного моделирования процессов горения топливных смесей на основе водорода показали, что эффективность горелок, полученных методом СВС, выше в 2,5-5 раз по сравнению с традиционными керамическими горелками. Выше оказалась и стабильность пламени за счет наличия особым образом связанной двухслойной структуры, что также упрощает запуск горелки.
«Методы численного моделирования, которые успешно развиваются в ТНЦ СО РАН, помогают оптимизировать процессы горения за счет формирования специально подобранных размеров и формы элементов структуры пористых горелок, что позволяет достичь высоких показателей эффективности и экологичности новых энергетических устройств», — подвел итог ученый.
Томские ученые планируют продолжить создание методами СВС и 3D-печати эффективных пористых горелок с заданной морфологией, предназначенных для решения конкретных производственных задач.