Томские ученые создали математическую модель микровзрыва капель топлива
Специалисты лаборатории тепломассопереноса Томского политехнического университета (ТПУ) предложили математическую модель, которая достоверно описывает критические условия микровзрыва капель композиционных топлив под действием микроволнового нагрева. Результаты экспериментального исследования могут лечь в основу проектирования новых малоэмисионных камер сгорания газотурбинных двигателей.
Авторы провели серию экспериментов по исследованию механизмов микровзрыва дисперcных капель воды внутри нефтяных топлив и биокомпонентов при микроволновом нагреве.
«В исследовании мы сделали акцент на объемном микроволновом нагреве дисперcных капель воды внутри нефтяных топлив и биокомпонентов, за счет перегрева которых формируется фронт фрагментации и вторичного измельчения. Мы предложили математическую модель прогрева, испарения и фрагментации композиционных капель, которая учитывает контрастные диэлектрические свойства топлива и воды. Эта модель позволяет сделать оценки времени необходимого на прогрев композиционной капли до взрывного вскипания при СВЧ-нагреве», — рассказал один из авторов исследования, доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Дмитрий Антонов.
Эксперименты и результаты моделирования показали, что при микроволновом нагреве вода в составе капель топлива прогревается интенсивнее. На динамику этого процесса влияют три ключевых параметра: радиус капли, электрическая напряженность поля и доля воды внутри капли топлива. По словам ученых, варьирование любого из этих параметров позволяет управлять режимом фрагментации капель. При этом ученым удалось выявить минимальный размер капель и долю воды, необходимые для фрагментации топлива.
«Традиционно топливо подается в камеру сгорания путем первичного распыла из форсуночных устройств или с помощью испарительных систем. Основное преимущество предложенного способа подготовки топливовоздушной смеси к сжиганию — вторичное распыление двухжидкостного спрея под интенсивным СВЧ-воздействием. Это позволяет повысить энергоэффективность, полноту сгорания топлива, увеличить площадь поверхности теплообмена и снизить экологическую нагрузку. Кроме того, разработанный нами способ позволяет в 4-10 раз уменьшить время на подготовку смеси по сравнению с традиционными способами», — отметил Дмитрий Антонов.
На основе разработанной математической модели ученые предложили карты режимов, с помощью которых можно управлять микровзрывом капель, а также оценивать геометрические размеры и скорости движения их вторичных фрагментов.