КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 17-19-01392

НазваниеГорение и детонация вспененных эмульсий: фундаментальное исследование и применение на практике

РуководительКичатов Борис Викторович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук, г Москва

Года выполнения при поддержке РНФ2017 - 2019

КонкурсКонкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-201 - Процессы тепло- и массообмена

Ключевые словавспененная эмульсия, динамика дисперсных сред, воспламенение, нестационарное горение, скорость пламени, погасание пламени, ускорение пламени, переход в детонацию, ударные волны, испарение и кипение, физическое и численное моделирование

Код ГРНТИ30.51.23


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
В рамках проекта будут решены принципиальные задачи горения вспененных эмульсий, благодаря своим уникальным свойствам являющихся перспективной основой для разработки нового вида топлива на базе водонасыщенных углеводородов, в том числе для перспективных портативных источников энергии. Использование особенностей горения вспененных эмульсий представляет важность в задачах сжигания водонасыщенной нефти непосредственно в качестве топлива, минуя стадию разделения воды и углеводородов, в задачах утилизации разлитой на поверхности воды нефти, а так же при синтезе термодинамически нестабильных химических соединений путем парциального окисления углеводородов. Горючая вспененная эмульсия представляет собою смесь микропузырей кислорода и капель углеводородного топлива, распределенных в водной матрице. Подобные системы обладают рядом уникальных свойств, например, во вспененной эмульсии, содержащей 95% по массе воды, все еще могут реализовываться самоподдерживаемые режимы распространения пламени, что существенно расширяет пределы горения водонасыщенных углеводородных топлив. При этом пламя может распространяться в различных режимах, включая квазистационарное распространение, распространение с ускорением, режим воспламенения-погасания и переход дозвукового горения в детонацию. Скорость распространения пламени в таких средах определяется в первую очередь не диффузией активных центров и/или теплопередачей, а интенсивностью выброса реагирующей смеси при взрывном вскипании жидкой фазы пены. Это новый механизм распространения и ускорения пламени, который существенно отличается от ранее известных и требует детального экспериментального и расчетно-теоретического исследования. В рамках проекта предполагается разработка математических моделей и сопровождаемое специально поставленными экспериментами расчетно-теоретическое исследование динамики распространения фронта пламени во вспененных эмульсиях, включая исследование условий воспламенения и погасания пламени в пене, устойчивости различных режимов распространения пламени, ускорения пламени и перехода к детонации. Математическое моделирование исследуемых процессов позволит детализировать физико-химические процессы и выявить оптимальные составы, обеспечивающие стабильность пены и требуемых режимов горения. При этом специализированное экспериментальное сопровождение, теоретический анализ и сравнение расчетно-теоретических и экспериментальных данных обеспечит адекватность численного воспроизведения основных закономерностей развития динамических процессов в горючих вспененных эмульсиях. В частности в процессе выполнения проекта будет исследовано влияния микро- и наноразмерных твердых частиц, вязкости водной матрицы, типа углеводорода (алифатические, ароматические, циклоалканы), добавок водорода, а также типов стабилизаторов пены (анионный, катионный и неионогенный) на стабильность пены и скорость распространения пламени в ней. Теоретический анализ исследуемых процессов будет проводиться путем развития феноменологических подходов, на основании которых будут разработаны математические модели и методы компьютерного моделирования динамики реагирующих дисперсных сред в континуальном приближении с учетом распада пены, горения капель горючего в атмосфере кислорода, испарения капель воды, возможности взрывного вскипания жидкости. В результате выполнения работ по проекту предполагается разработать научные основы для создания водонасыщенных углеводородных топлив на базе вспененных эмульсий.

Ожидаемые результаты
В процессе выполнения работы будут сформулированы теоретические и экспериментальные основы для создания принципиально нового типа водонасыщенного углеводородного топлива на базе вспененной эмульсии. Будет разработана методика расчетно-теоретического описания динамики горения дисперсных сред на основе вспененных эмульсий и проведены систематические компьютерные расчеты с целью детализации физико-химических процессов и выявления оптимальных составов, обеспечивающих стабильность пены и требуемых режимов горения. Будут установлены закономерности и критерии развития различных режимов горения пены, условия их инициирования и погасания, а так же условия ускорения пламени и развития детонационного режима горения пены. Научная значимость результатов определяется созданием экспериментально-теоретических основ принципиально нового механизма ускорения пламени за счет взрывного вскипания жидкой фазы пены, а так же ответственных за это физических факторов. Практическая значимость работы определяется возможностью создания уникальной горючей газо-жидкостной системы для сжигания водонасыщенных углеводородов. Решение этой проблемы представляет важность в задачах использования водонасыщенной нефти непосредственно в качестве топлива, минуя стадию разделения воды и углеводородов, в задачах утилизации разлитой на поверхности воды нефти, а так же при синтезе термодинамически нестабильных химических соединений путем парциального окисления углеводородов. Вспененные эмульсии нашли свое широкое применение в повседневной жизни (пищевая промышленность, косметика), чем обеспечили к себе активный исследовательский интерес. Однако, авторским коллективом настоящего проекта впервые предложена возможность использования вспененных эмульсий в качестве топлива. Эти горючие системы открывают принципиально новые возможности использования в качестве топлива водонасыщенных углеводородов с содержанием воды вплоть до 95% по массе. Предложенный проект представляет собою первое систематическое экспериментально-теоретическое исследование горения вспененных эмульсий.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


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.

 

Публикации

1. Кичатов Б.В,, Коршунов А.М., Киверин А.Д., Савельев А.С. The role of explosive boiling in the process of foamed emulsion combustion International Journal of Heat and Mass Transfer, 119C (2018) pp. 199-207 (год публикации - 2018).

2. Кичатов Б.В., Коршунов А.М., Киверин А.Д., Иванов М.Ф. Классификация режимов горения вспененной эмульсии Сборник докладов V Минского Международного коллоквиума по физике ударных волн, горения и детонации, С. 79-82 (год публикации - 2017).

3. Кичатов Б.В., Коршунов А.М., Киверин А.Д., Иванов М.Ф. Combustion of Hydrocarbons-based Foamed Emulsions Proceedings of Fourteenth International Conference on Flow Dynamics (ICFD2017), p. 188-189 (год публикации - 2017).

4. Кичатов Б.В., Коршунов А.М., Киверин А.Д., Иванов М.Ф. Effect of ultrasonic emulsification on the combustion of foamed emulsions Fuel Processing Technology, 169, 178-190 (год публикации - 2018).


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.

 

Публикации

1. - Физики из России научились сжигать разбавленный бензин РИА Новости, - (год публикации - ).

2. - Ученые сожгли топливо вместе с водой Индикатор, - (год публикации - ).

3. - Ученые смогли сжечь топливо с высоким содержанием воды Газета.Ru, - (год публикации - ).

4. Киверин А.Д., Кичатов Б.В., Коршунов А.М., Яковенко И.С. Deflagration-to-Detonation Transition in Foamed Emulsion Bubbled with Hydrogen-Oxygen Mixture Proceedings of Fifteenth International Conference on Flow Dynamics, Institute of Fluid Science, Tohoku University, Sendai, Japan, P. 350-351, OS2-69 (год публикации - 2018).

5. Киверин А.Д., Яковенко И.С., Коршунов А.М., Кичатов Б.В. Numerical model of the combustible foamed emulsion Work in Progress Poster (WiPP) abstracts for the 37th International Symposium on Combustion, 1P206 (ID: 16837) (год публикации - 2018).

6. Кичатов Б.В., Коршунов А.М., Киверин А.Д. Combustion of the foamed emulsion containing biochar microparticles Fuel, 228, 164-174 (год публикации - 2018).

7. Кичатов Б.В., Коршунов А.М., Киверин А.Д. Combustion of foamed emulsion with a high content of water Proceedings of the Combustion Institute, - (год публикации - 2019).

8. Кичатов Б.В., Коршунов А.М., Киверин А.Д., Коршунова Е.Е. Медленный режим распространения пламени в горючей вспененной эмульсии ГОРЕНИЕ И ВЗРЫВ, Т. 11, № 2, 2018, С: 99-107 (год публикации - 2018).

9. Кичатов Б.В., Коршунов А.М., Киверин А.Д., Коршунова Е.Е. Combustion of foamed emulsion containing biochar microparticles: Foam as a medium for incomplete hydrocarbons oxidation Journal of Physics: Conference Series, - (год публикации - 2018).

10. Кичатов Б.В., Коршунов А.М., Киверин А.Д., Яковенко И.С. Experimental and Numerical Study of Flame Propagation in Heptane-Based Foamed Emulsion Proceedings of Fifteenth International Conference on Flow Dynamics, Institute of Fluid Science, Tohoku University, Sendai, Japan, P. 252-253, OS2-20 (год публикации - 2018).

11. Кичатов Б.В., Коршунов А.М., Коршунова Е.Е., Киверин А.Д. Combustion of foamed emulsions containing biochar microparticles: Foam as a medium for incomplete oxidation of hydrocarbons XXXIII International Conference on Equations of State for Matter. Book of Abstracts. Moscow & Chernogolovka & Nalchik., p. 195 (год публикации - 2018).

12. Коршунов А.М., Голубков А.Д., Коршунова Е.Е. Горение вспененной эмульсионно-суспензионной смеси на основе изооктана и частиц древесного угля Всероссийская конференция молодых ученых-механиков (YSM-2018), С. 101 (год публикации - 2018).