Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В рамках выполнения Проекта в 2017 году проведен систематический анализ режимов горения вспененных эмульсий - нового типа топлива, представляющего из себя кислородную микропену на основе эмульсии углеводород/вода. В ходе исследования выявлены четыре базовых режима горения: медленное горение, режим ускоренного распространения пламени, колебательный режим и режим погасания/воспламенения пламени. На основе экспериментально наблюдаемых закономерностей сформулированы базовые феноменологические представления о процессах во вспененной эмульсии при распространении в ней волны горения. На основе сформулированных феноменологических представлений о протекающих при горении пены процессах, построена базовая математическая модель, описывающая процесс распространения пламени с учетом основных механизмов распада пены. Построенная модель реализована в компьютерных кодах на базе программной платформы, разработанной в лаборатории Математического моделирования ОИВТ РАН для расчета реагирующих многофазных течений. С использованием разработанных компьютерных кодов проведено расчетно-теоретическое исследование медленного режима горения на примере водородной микропены, горение которой развивается согласно тем же закономерностям, что и эмульсионная пена за тем исключением, что распад пены влечет за собой более быстрое формирование горючей смеси в конвективно-диффузионной зоне пламени, и само пламя всегда представляет из себя зону гомогенного горения в газовой фазе. На основе проведенного численного анализа поставленной задачи получен ряд закономерностей, с одной стороны подтверждаемых экспериментом, а с другой стороны подтверждающих феноменологическую интерпретацию экспериментальных данных. В частности было показано, что при реализации медленного режима горения пены, волна горения может распространяться даже при значительном содержании воды в системе. С другой стороны, уменьшение размера капель воды, которые образуются при распаде пены, влечет за собой сужение пределов горения. В таких пенах могут реализоваться условия для ускорения пламени за счет взрывного вскипания жидкой фазы пены, вследствие чего средний размер капель воды уменьшается и при том же содержании воды интенсивность тепловых потерь возрастает. В рамках выполнения Проекта были поставлены специальные эксперименты, направленные на изучение влияния диаметра горючих капель в исходной эмульсии на динамику горения пены. Предполагалось, что более тонкое диспергирование капель топлива будет способствовать ускорению горения. Однако в ходе экспериментального исследования был обнаружен обратный эффект торможения пламени по сравнению с аналогичным режимом горения пены с большим размером углеводородных капель. При ультразвуковой обработке эмульсии углеводородные капли, из-за уменьшения их диаметра, перестают играть роль гетерогенных центров нуклеации в перегретой жидкости. Это приводит к тому, что не реализуются условия для вскипания жидкой фазы пены, что в свою очередь приводит к выключению механизма ускорения пламени и снижению скорости распространения пламени.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В рамках выполнения работ по Проекту в 2018 году проведена серия экспериментальных исследований различных режимов горения вспененной эмульсии в зависимости от выбора варьируемых параметров: от присутствия и концентрации в эмульсии микрочастиц древесного угля, от концентрации стабилизаторов пен, от состава горючей смеси. Показано, что: (1) использование частиц древесного угля во вспененной эмульсии может способствовать существенному увеличению общей скорости горения пены. (2) Пределы распространения пламени сужаются при снижении концентрации стабилизатора. (3) При вариации содержания глицерина в начальной эмульсии, общая скорость горения пены может изменяться в весьма широком диапазоне. При этом зависимость скорости горения пены от содержания глицерина не является монотонной. (4) При горении вспененной эмульсии на основе смеси углеводородов, скорость пламени оказывается весьма чувствительной к ее составу. (5) При переходе к наименее летучим углеводородам (таким как тридекан) вспененная эмульсия теряет свойство горючести. (6) Кратность пены оказывает неоднозначное влияние на общую скорость горения пены. Сделанные на основе анализа экспериментальных данных выводы позволяют сформулировать ряд критериев для приготовления горючих вспененных эмульсий. С учетом феноменологических представлений была проведена модификация математических моделей, обеспечивающих воспроизведение основных закономерностей развития горения вспененных эмульсий на качественном уровне. На основании проведенных исследований сделано заключение, что к основным физическим и газодинамическим механизмам, определяющим развитие различных режимов горения вспененных эмульсий, следует отнести: (1) естественное пространственное разделение зон горения углеводородных капель и испарения капель воды; (2) неоднородность пространственного распределения жидкой фазы; (3) фазовые превращения в жидкости, включая взрывное вскипание.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В рамках выполнения работ по Проекту в 2019 году проведена серия экспериментальных исследований процесса распада пены при нагреве. Показано, что основное влияние на распад пены оказывают: (i) испарение пленки жидкости; (ii) развитие неустойчивости пленки жидкости по механизму Гиббса-Марангони; (iii) термокапиллярное осушение пленки в неоднородном поле температур. Экспериментальным путем изучено влияние электролитов на устойчивость пены при ее нагреве, показана существенная роль такого влияния. Важное влияние на устойчивость пены при нагреве так же играют те компоненты, которые усиливают зависимость коэффициента поверхностного натяжения от температуры, например, добавление бутилового спирта в раствор додецилсульфата натрия. Выявлены отдельные аспекты влияния вязкости жидкости на устойчивость пены. В частности, показано, что при низкой вязкости жидкой фазы, разрушение пузырей в пене может носить коллективный характер. На основе феноменологического и численного анализа продемонстрировано, что базовым механизмом, определяющим самоподдерживаемое горение вспененных эмульсий, является естественное пространственное разделение зоны горения и зоны испарения воды. При этом показано, что горючая пена преимущественно распадается на эмульсионные капли. На основе численного анализа показано, что пространственная структура пены может определять особенности развития волны горения, включая установление нестационарных режимов распространения пламени, что следует расценивать как дополнительный фактор, определяющий устойчивое горение вспененной эмульсии с большим содержанием воды. На основе экспериментального и расчетно-теоретического исследования показано, что система воспламенения и геометрия реактора играют важную роль в формировании самоподдерживаемого горения. Так, например, инициирование горения у открытого конца канала способствует возникновению нестационарного горения в форме высокоскоростного пламени. При этом в зависимости от состава пены высокоскоростное горение может выродиться в самоподдерживаемую волну медленного горения и даже затухнуть (случай относительно низкого содержания гептана в эмульсии). Экспериментально исследован процесс горения вспененной эмульсии, полученной на основе вспенивания эмульсии гептан в воде смесью водорода с кислородом. Показано, что присутствие водорода увеличивает скорость распространения пламени во вспененной эмульсии. При определенных условиях возможно возникновение детонационного режима горения. На основе экспериментального и расчетно-теоретического анализа сформулированы возможные механизмы ускорения пламени, перехода к детонации и самоподдерживаемого распространения детонации в пене.