Создана математическая модель, предсказывающая поведение дочерних капель при сгорании топлива
Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) совместно с коллегами из Сибирского федерального университета разработали 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.
Дочерними каплями называют те, которые отделяются от «родительской» в процессе микровзрывной фрагментации. Такие капли образуются, например, при микровзрывах частиц жидкого топлива.
«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 «пыхтение» — или полным — микровзрывом», — рассказал один из авторов исследования, инженер-исследователь лаборатории тепломассопереноса ТПУ Роман Федоренко.
В обоих случаях образуются дочерние капли, характеристики которых напрямую влияют на эффективность сгорания топлива и выбросы. Новая модель позволяет точно предсказывать размеры и поведение дочерних капель — будут они «пыхтеть» или взрываться — в зависимости от различных факторов: температуры окружающей среды, скорости нагрева и состава самих капель.
Для проверки своей модели исследователи 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 проводили в специальной установке, позволяющей точно контролировать температуру, скорость газа, в также состав и размеры родительских капель. Модель показала свою эффективность — отклонение от экспериментальных данных не превысило 10 %, что укладывается в статистическую погрешность.
«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», — отметил Роман Федоренко.
Ученые также обнаружили интересную закономерность в образовании дочерних капель 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.
По словам авторов, понимание механики образования дочерних капель позволяет оптимизировать параметры распыления, повысить эффективность сгорания топлива и общую производительность двигателя, а также уменьшить уровень выбросов загрязняющих веществ в атмосферу
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.