Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Заявленный в проекте план работы на 2018 год выполнен. Заявленные научные результаты на конец 2018 года достигнуты. В течение первого года реализации проекта проведены экспериментальные исследования. Установлены характеристики и закономерности физико-химических процессов при зажигании разных составов гелеобразных топлив в условиях варьирования их начальной температуры в широком диапазоне 190–295 К, а также при начальных температурах образцов, соответствующих температуре кипения жидкого азота. Разработанные физические модели изученных процессов и сформулированные теоретические следствия являются основой для разработки математических моделей и проведения численного моделирования процессов зажигания гелеобразных топлив в течение второго года реализации проекта. Описание основных выполненных в отчетном году работ и полученных научных результатов: 1. Разработаны составы гелеобразных топлив на основе маслонаполненных криогелей и спиртов, промышленных и бытовых отходов: группы составов с разной концентрацией компонентов – водный раствор ПВС + масло + ПАВ; водный раствор ПВС + масло + мелкодисперсный уголь + ПАВ; спирт + канифоль + рапсовое масло + мелкодисперсный алюминий; флотационный отход углеобогащения + горючая жидкость + твердый бытовой отход, предназначенные для решения широкого круга задач в областях энергетики (в том числе на территориях Арктики и Антарктики) и ракетно-космической техники. Разработана методика приготовления разных составов гелеобразных топлив, в том числе с мелкодисперсными твердыми компонентами, обеспечивающая стабильность эмульсий при их переходе в гелеобразное состояние и однородность структуры готовых образцов во всем объеме. Для рассмотренных в течение первого года реализации проекта топливных композиций выявлены концентрации компонентов, при которых приготавливаемые гелеобразные топлива имеют однородную структуру и сохраняют свои свойства (теплотехнические, механические) в течение длительного времени. Выполнен анализ свойств и характеристик компонентов и приготовленных составов гелеобразных топлив, в том числе с мелкодисперсными частицами угля низкосортных марок, значения которых будут использованы в течение второго года реализации проекта при разработке математических моделей процессов зажигания гелеобразных топлив в разных условиях и при проведении теоретических исследований. Исследованы реологические свойства (зависимости динамической вязкости от скорости сдвига) топливных эмульсий и механические характеристики (зависимости модуля упругости и предела прочности от состава) приготовленных топливных пеллет. Для топливных эмульсий на основе водного раствора ПВС + масло + ПАВ динамическая вязкость нелинейно уменьшается от 10000 до 1000 мПа*с с увеличением скорости сдвига от 0 до 130 1/с (неньютоновская жидкость). Отличие модулей упругости пеллет гелеобразного топлива на основе 5 % раствора ПВС в диапазоне варьирования концентрации масла 0–80 % составляет около 88 % (при максимальном значении модуля упругости 5,5 кПа). Отличие модулей упругости пеллет гелеобразных топлив на основе 10 % раствора ПВС в диапазоне варьирования концентрации масла 0–80 % составляет около 64 % (при максимальном значении модуля упругости 7,5 кПа). Отличие пределов прочности пеллет гелеобразных топлив на основе 5 % раствора ПВС в диапазоне варьирования концентрации масла 0–80 % составляет 84,4 % (при максимальном значении предела прочности 15 кПа). Отличие пределов прочности пеллет гелеобразных топлив на основе 10 % раствора ПВС в диапазоне варьирования концентрации масла 0–80 % составляет 75 % (при максимальном значении 60 кПа). Разработана экспериментальная методика и проведены измерения для группы топливных составов характеристик взаимодействия капель горючей жидкости в исходном состоянии с поверхностью образца гелеобразного топлива для прогноза эксплуатационных характеристик топливных зарядов / пеллет. По полученным теневым изображениям капли с помощью ПО Drop Shape Analysis (Kruss, Германия) методом Юнга-Лапласа определены контактный угол, диаметр и объем капли. Для разных составов гелеобразных топлив контактный угол изменяется в диапазоне 10–80 градусов, безразмерный объем капли – в диапазоне 0,005–0,20. Получены аппроксимационные выражения в виде логарифмических зависимостей для вычисления значений контактного угла капли масла и ее безразмерного объема с целью прогноза эксплуатационных характеристик топливных зарядов / пеллет. 2. Разработаны экспериментальные методики исследования процессов, протекающих в течение индукционного периода при зажигании гелеобразных топлив в разных условиях нагрева (лучистый, кондуктивный, конвективный). С использованием имеющейся материально-технической базы и приобретенного в течение 2018 года оборудования смонтированы стенды, в том числе с применением программно-аппаратных средств высокоскоростной видеорегистрации и бесконтактной оптической диагностики парогазовых потоков. В рамках одной методики высокотемпературная газовая среда генерировалась в объеме трубчатой муфельной печи. С помощью координатного механизма образцы гелеобразного топлива подавались в печь. В рамках другой методики в каждой серии экспериментов камерная муфельная печь нагревалась до заданной температуры, после ее стабилизации металлическая частица помещалась в камеру печи и прогревалась до температуры окружающей ее высокотемпературной среды. Далее она свободно осаждалась на поверхность топлива, расположенного в емкости. Температура частицы в момент контакта с поверхностью топлива контролировалась тепловизором Testo 885. Процессы, протекающие при нагревании топлива (в рамках разработанных методик), регистрировались цветной высокоскоростной видеокамерой Phantom v411. Анализ видеозаписей выполнялся при помощи программного обеспечения Tema Automotive. Программно-аппаратный комплекс высокоскоростной видеорегистрации позволял проводить детальный анализ закономерностей процесса горения, определять время задержки зажигания и характерные времена протекания отдельных стадий изучаемого процесса. Для исследования характеристик плавления гелеобразного топлива в условиях локального кондуктивного нагрева источником ограниченного теплосодержания были изготовлены специальные образцы. Три термопары OMEGA Corporation (НСХ ХА) с диаметром рабочего спая 0,05 мм монтировались на разной глубине приповерхностного слоя топлива в окрестности границы контакта локального источника энергии с образцом. Опрос термопар проводился с частотой 100 Гц осциллографом Rigol DS1104B. Для обработки данных (изменения температуры приповерхностного слоя топлива при взаимодействии с локальным источником нагрева) использовались оригинальные алгоритмы, разработанные в среде программирования MATLAB. 3. Выполнены экспериментальные исследования процессов зажигания разных составов гелеобразных топлив в условиях варьирования их начальной температуры в широком диапазоне 190–295 К, а также при относительно низких начальных температурах образцов, соответствующих температуре кипения жидкого азота. При подготовке гелеобразных топлив к проведению экспериментальных исследований в рамках разработанных экспериментальных методик образцы охлаждались в течение 12 часов в морозильнике Arctiko ULUF 15 до температур 190–230 К. Более низкие значения начальных температур образцов достигались при их охлаждении в жидком азоте в течение 5–10 мин. при температуре кипения жидкого азота. Установлено, что для реализации устойчивого зажигания гелеобразного топлива в условиях кондуктивного нагрева при его начальной температуре, соответствующей температуре кипения жидкого азота, необходимо, чтоб начальная температура локального источника нагрева составляла не менее 1050 К при его характерном размере более 10 мм. Размеры и форма локального источника энергии оказывают несущественное влияние на характеристики зажигания топлива. Определяющее значение имеет теплосодержание источника нагрева. В условиях лучистого нагрева образцов гелеобразных топлив на основе маслонаполненных криогелей при варьировании их начальной температуры в диапазоне 190–295 К отличие времен задержки зажигания составляет не более 50 % при прочих равных условиях (максимальные значения времен задержки зажигания достигают 8–10 с). Такое отличие характерно для близких к предельным условиям зажигания (около 800 К). При инициировании горения топлива, если температура окружающей среды более 1000 К, отличие времен задержки зажигания становится менее масштабным. 4. Установлены основные закономерности и стадии протекания физико-химических процессов в течение индукционного периода при нагревании образцов гелеобразных топлив. Получены экспериментальные зависимости основной характеристики процесса времени задержки зажигания при варьировании в широких диапазонах значений основных параметров для группы значимых факторов (масса, размеры, состав и начальная температура топливных образцов, температура и конфигурация источников нагрева). Для группы составов на основе спирта установлены предельные условия (минимальная температура окружающего воздуха 873–943 К), необходимые для зажигания гелеобразного топлива в условиях лучисто-конвективного нагрева, зависимости времён задержки зажигания от температуры воздуха. Времена задержки зажигания составляют от 0,1 до 3,3 с. Если зажигание не происходит в течение этого промежутка времени, то оно не происходит при более длительных временах прогрева, т.к. капли топлива полностью испаряются. Впервые с использованием теневой методики выполнен анализ характеристик процессов вдува паров (vapour jetting), которые происходят в течение индукционного периода в результате микровзрывов, обусловленных отличием вязкости и температур кипения компонентов топлива. Установлены скорости вдува паров горючего, средние значения которых составляют около 3 м/с. Размеры зон, в которых скорость паров снижается до нуля, изменяются в диапазоне 6–8 мм. Установлены закономерности изменения диаметра парогазовой зоны в форме сферы в окрестности капли топлива в момент зажигания при разных температурах окружающей среды. Полученные результаты позволили сформулировать физическую модель процесса, которая является основой для разработки математической модели зажигания гелеобразных топлив в условиях интенсивного нагрева. В начальный период нагревания образца в высокотемпературной среде окислителя последовательно реализуется два фазовых превращения: плавление и испарение. Фронт плавления формируется на поверхности образца и по мере его прогрева продвигается в глубинные слои. На начальном этапе плавления и испарения пары горючей жидкости поступают в среду окислителя со свободной поверхности капли. В ее окрестности формируется газовая смесь, температура которой существенно ниже температуры окислителя, т.к. температура паров этанола не превышает температуру его кипения 351 К при атмосферном давлении. Такие условия (температура и концентрация горючих паров) недостаточны для зажигания парогазовой смеси, поэтому требуется некоторое время для достижения условий, необходимых для газофазного зажигания. В таких условиях твердая компонента топлива (загуститель) полностью расплавляется. Легко кипящая и не кипящая компоненты разделяются. На поверхности капли формируется слой расплавленного загустителя, под которым располагается горючая жидкость. Из-за разности температур кипения компонентов происходят микровзрывы и вдув паров горючего в среду окислителя. Повышается концентрация горючего в формирующейся парогазовой смеси. Физико-химические процессы интенсифицируются, происходит зажигание. Для группы составов гелеобразных топлив на основе маслонаполненных криогелей сделан вывод о существенно разных закономерностях физико-химических процессов, протекающих при нагревании этих топлив и горючих жидкостей в исходном состоянии (на основе которых приготовлены гелеобразные топлива). При нагревании капли жидкого топлива интенсифицируется испарение с ее поверхности. Даже в условиях нагрева при относительно высоких температурах окружающей среды, например около 1000 °C, вследствие испарения размер капли уменьшается монотонно. Это изменение достаточно хорошо описывается в рамках d2 low. В окрестности капли формируется горючая газовая смесь, которая зажигается при достижении предельных условий. При зажигании гелеобразных топлив реализуется другая совокупность физико-химических процессов. На основе выполненных исследований сформулирована физическая модель процесса. В начальный момент времени образец топлива находится в гелеобразном состоянии. При нагревании последовательно реализуется два фазовых превращения: плавление и испарение. Далее протекают процессы микровзрывного диспергирования капли в течение индукционного периода в широком диапазоне варьирования температур окружающей среды 650–1000 °C, что ведет к достаточно существенному увеличению зоны зажигания и интенсификации процесса горения топлива. Чем выше концентрация загустителя в топливе, тем толще слой “оболочки”. Это ведет к ухудшению условий формирования горючей газовой смеси в окрестности капли и увеличению продолжительности индукционного периода. В свою очередь, микровзрывы с диспергированием капли топлива, интенсифицируют процесс зажигания. В отличие от жидких однокомпонентных топлив инициирование горения гелеобразных топлив происходит не в малой окрестности образца, а в достаточно большом по размерам объеме, что положительно влияет на интенсификацию последующего выгорания топлива. 5. Проанализированы и обобщены результаты экспериментальных исследований, сформулированы теоретические следствия, необходимые для разработки математических моделей и численного моделирования исследуемых процессов в течение второго года реализации проекта. Полученные результаты представлены членами научного коллектива на 6 всероссийских и международных конференциях: International Conference on Combustion Physics and Chemistry (ComPhysChem'18); III Всероссийская научная конференция “Теплофизика и физическая гидродинамика”; XXI Всероссийская научная конференция с международным участием “Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии”; Международная научно-практическая конференция “Экологическая, промышленная и энергетическая безопасность – 2018”; Международная научная конференция “Энерго-ресурсоэффективность в интересах устойчивого развития”; XV Всероссийская школа-конференция молодых ученых с международным участием “Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики”. 6. Опубликовано 6 статей в периодических изданиях (Journal of the Energy Institute; International Journal of Heat and Mass Transfer; Propellants, Explosives, Pyrotechnics; Journal of Environmental Management; Thermal Science; MATEC Web of Conferences), индексируемых базой данных Web of Science Core Collection, в том числе 2 статьи в периодических изданиях (International Journal of Heat and Mass Transfer; Journal of Environmental Management) из первого квартиля по импакт-фактору JCR Science Edition. 7. Подготовлен и представлен отчет о результатах реализации проекта в течение первого года. Актуализирован план работ на 2019 год в соответствии с результатами исследования, полученными в течение первого года реализации проекта.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Заявленный в проекте план работы на 2019 год выполнен. Заявленные научные результаты на конец 2019 года достигнуты. В течение второго года реализации проекта разработаны прогностические математические модели физико-химических процессов, основанные на результатах экспериментальных исследований, выполненных в 2018–2019 годах. Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований способствуют развитию положений теории горения конденсированных веществ в направлении расширения представлений о закономерностях физико-химических процессов, протекающих при зажигании перспективных для авиакосмической отрасли и промышленной теплоэнергетики гелеобразных топлив. Описание основных выполненных в отчетном году работ и полученных научных результатов: 1. Разработаны физические модели взаимосвязанных процессов, протекающих при зажигании гелеобразных топлив в разных условиях нагрева. Модель зажигания частицы топлива в условиях лучисто-конвективного нагрева: На начальном этапе прогрева частицы (размер 1–4 мм) происходит плавление тонкого приповерхностного слоя. Так как топливо содержит в своем составе жидкий горючий компонент, то он начинает интенсивно испаряться при относительно невысоких значениях температуры приповерхностного слоя капли расплава. Мелкодисперсные твердые частицы (при наличии в составе топлива) увлекаются парами горючей жидкости со свободной поверхности. При их совместном движении вдоль радиального направления от поверхности капли сначала происходит инициирование горения паров в окрестности частиц металла или непосредственно мелкодисперсных углеродистых частиц, которые более интенсивно прогреваются. Хотя на этой стадии зажигается достаточно большая группа отдельных частиц, но это не ведет к развитию последующего стабильного горения топлива, т.к. концентрация и температура паров горючей жидкости в окрестности капли недостаточно высоки для инициирования горения. Требуется некоторое время для прогрева топлива, формирования и прогрева парогазовой смеси в окрестности капли расплава. При дальнейшем прогреве гелеобразного топлива в результате плавления жидкие компоненты разделяются. На поверхности капли формируется оболочка из загустителя. Под этой оболочкой располагается горючая жидкость. Вследствие такой гетерогенной структуры капли при ее последующем прогреве протекают процессы, не характерные для индукционного периода при нагревании капли однокомпонентной горючей жидкости: формирование пузырьков в приповерхностном слое; рост их числа и размеров; схлопывание пузырьков и микровзрывное диспергирование капли в условиях вдува паров горючей жидкости и твердых частиц (при наличии) в высокотемпературную среду окислителя. По этой причине газофазное зажигание происходит в достаточно большой по размерам области в окрестности капли топлива. В момент зажигания сначала происходит инициирование горения паров горючей жидкости в окрестности металлических частиц или непосредственно углеродистых частиц (в зависимости от компонентного состава топлива), удаляющихся от поверхности капли топлива на некоторое расстояние в результате микровзрыва. Процесс экзотермического реагирования из этой зоны распространяется по всему объему горючей смеси (от внешней границы в глубинные слои), сформировавшейся в течение индукционного периода в окрестности капли топлива. Микровзрывы, сопровождающиеся диспергированием капли, интенсифицируют как процесс зажигания, так и выгорания компонентов топлива. Модель зажигания топливного заряда в условиях локального кондуктивного нагрева источником ограниченного теплосодержания: В начальный момент времени разогретая до высоких температур частица (металлическая / неметаллическая в форме диска / параллелепипеда / многогранника размерами 2–10 мм) находится на поверхности гелеобразного топлива. Приповерхностный слой последнего в результате кондуктивной теплопередачи прогревается за счет теплоты локального источника. Окружающая газовая среда (воздух), температура которой в начальный момент времени идентична температуре топлива, также прогревается за счет энергии горячей частицы. В течение индукционного периода локальный источник энергии остывает в результате кондуктивного и радиационно-конвективного теплоотвода в окружающую среду (топливо и газ). При прогреве гелеобразного топлива в окрестности границы контакта с горячей частицей последовательно реализуется два эндотермических фазовых перехода – плавление горючего и его испарение со свободной поверхности. В результате диффузионно-конвективного тепломассопереноса относительно холодные пары горючего с поверхности топлива поступают в газовую область, заполненную окислителем. В окрестности горячей частицы формируется горючая парогазовая смесь, прогрев которой происходит в результате теплообмена с горячей частицей. С ростом температуры парогазовой смеси возрастает скорость экзотермического процесса взаимодействия горючего компонента топлива и внешнего окислителя. Газофазное зажигание происходит при достижении предельных условий. 2. Разработана группа прогностических математических моделей в рамках математического аппарата механики сплошной среды и теории химической кинетики, наиболее полно описывающих совокупность физико-химических процессов, протекающих при зажигании топливных зарядов в условиях локального кондуктивного нагрева и топливных частиц при лучисто-конвективном нагреве в среде окислителя, в соответствии с разработанными физическими моделями процессов. Математические модели представлены системами нелинейных нестационарных дифференциальных уравнений в частных производных с соответствующими краевыми условиями. Структурная неоднородность топлива, обусловленная процессом плавления и содержанием мелкодисперсных твердых частиц, описана в явном виде. Для решения соответствующих краевых задач математической физики разработаны оригинальные алгоритмы численного решения задач зажигания, а также программные коды в среде программирования MATLAB. Выполнена верификация разработанных математических моделей, оценена достоверность результатов численного моделирования путем проверки консервативности используемой разностной схемы и решения группы тестовых задач. Установлены удовлетворительные погрешности (менее 2.5%) выполнения закона сохранения энергии в области решения задач зажигания. Выполнено сравнение результатов численного моделирования, полученных при условиях, идентичных условиям проведенных экспериментальных исследований, с установленными экспериментально характеристиками процессов зажигания гелеобразных топлив. Установлены границы применения разработанных математических моделей на практике для достоверного прогнозирования характеристики зажигания типичных гелеобразных топлив. Для двух разработанных программных кодов получены свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ. 3. Выполнен анализ влияния группы значимых факторов (состав, масса, начальная температура топлив, механизм нагрева, скорость, температура источника) на устойчивость и характеристики процесса зажигания гелеобразных топлив (предельные температуры источников нагрева, при которых происходит инициирование горения; времена задержки зажигания при разных механизмах и интенсивности нагрева; температуры источников, при превышении которых значимые факторы не оказывают существенного влияния на инерционность процесса зажигания; характерные времена протекания физико-химических процессов в течение индукционного периода; расположение зоны интенсивного экзотермического реагирования в области протекания процесса взаимодействия горючего и окислителя). Установлена область устойчивого зажигания гелеобразного топлива в координатах «время задержки зажигания – плотность теплового потока». Минимальное значение плотности теплового потока, при котором топливо зажигается, составляет 40 кВт/м^2. В таких условиях (близких к предельным условиям зажигания) основные факторы (состав топлива, температура источника энергии, начальный размер частиц) оказывают достаточно существенное влияние на длительность индукционного периода. При относительно высоких значениях теплового потока (более 100 кВт/м^2) изменения этих факторов менее существенно влияют на времена задержки зажигания. Времена задержки зажигания топлив в условиях диспергирования капель расплава не превышают 5 с. Реализация этого процесса ведет к существенной интенсификации выгорания компонентов топлив по сравнению с длительностью аналогичного процесса, протекающего без диспергирования капель (1–5 с против 25–30 с). Причиной этого является увеличение площади прогрева и экзотермического реагирования компонентов топлива в виде смеси горючих газов и мелкодисперсных частиц с разогретым воздухом в области, размер которой в 7–14 раз больше по сравнению с начальным размером частицы гелеобразного топлива (против 4–5 раз в условиях газофазного горения топлива без микровзрывного диспергирования капли при прочих идентичных условиях). 4. Установлены основные закономерности и стадии протекания физико-химических процессов в течение индукционного периода при инициировании горения гелеобразных топлив при разных условиях нагрева (лучистый, кондуктивный, конвективный) в диапазоне варьирования начальной температуры топлив от 295 до 190 К, а также при относительно низких начальных температурах топлив, соответствующих температуре кипения жидкого азота. Установлено, что при разных начальных температурах гелеобразного топлива в течение индукционного периода протекает идентичная совокупность физико-химических процессов, отличающая от аналогичных процессов, протекающих при зажигании однокомпонентных жидких топлив, двумя фазовыми превращениями и микровзрывным диспергированием капли расплава. Получены экспериментальные зависимости времен задержки зажигания при варьировании в широких диапазонах как начальных температур топлива, так и температур источника нагрева. Например, значения основной характеристики процесса – времени задержки зажигания – отличаются на 25–95% для топлив с начальной температурой 293 К и температурами 188–233 К вследствие более длительной стадии прогрева и плавления последних из-за отличия в 2.5–3.6 раза количества энергии, которое необходимо подвести к более холодной частице топлива для протекания этого фазового превращения при прочих идентичных условиях. 5. Для приготовленных пеллет гелеобразных топлив на основе маслонаполненных криогелей выполнен анализ свойств и характеристик (упругость, прочность, свободная поверхностная энергия, ее полярная и дисперсионная составляющие), а также анализ свойств и характеристик жидкого горючего компонента в обычном состоянии (свободная поверхностная энергия, ее полярная и дисперсионная составляющие, поверхностное натяжение, контактный угол). На основании результатов выполненных анализов свойств отдельных компонентов топлив (температур начала кипения и скоростей испарения горючих жидкостей, их поверхностного натяжения и свободной поверхностной энергии, смачиваемости твердого компонента) сформулирована гипотеза о механизме влияния компонентного состава топлива на микровзрывное диспергирование капель расплава при зажигании. Эффект диспергирования обусловлен возникновением в объеме капли расплава топлива центров парообразования, зарождение которых зависит от соотношения дисперсионных и полярных составляющих свободной поверхностной энергии компонентов, входящих в состав топлив. В капле будет больше центров парообразования в условиях наибольшего отличия дисперсионной и полярной составляющих свободной поверхностной энергии основных компонентов топливных эмульсий / суспензий. Также важным фактором в реализации эффекта диспергирования капель топлив является скорость испарения горючей жидкости. При относительно высоких скоростях испарения жидкости эффект диспергирования подавляется вследствие отвода энергии от капли топлива при фазовом переходе. 6. Установлено влияние интенсивности нагрева и размера капель гелеобразного топлива на основную характеристику процесса – время задержки зажигания. В выполненных исследованиях интенсивность нагрева характеризовалась температурой воздуха в камере сгорания (700–1000 °С) и скоростью (0.04–0.1 м/с) ввода частиц (массой 10 мг и диаметром 2.8 мм) гелеобразного топлива в эту камеру. Установлено, что чем выше скорость ввода топлива в камеру сгорания с неравномерным распределением температуры на входе, тем меньше времена задержки зажигания при прочих идентичных условиях. Полученный результат объясняется более высокой интенсивностью нагрева топлива, т.к. область с максимальной температурой в камере достигается при вводе частицы за меньший промежуток времени. Эти временные промежутки, например, при перемещении частиц топлива со скоростями 0.04 и 0.10 м/с отличаются в 2.5 раза. Поэтому в условиях нестационарного распределения температуры газа в области ввода в камеру сгорания топливных частиц скорость перемещения последних оказывает достаточно существенное влияние на время задержки зажигания, которое характеризует не только конструктивные параметры камеры сгорания, но и полноту выгорания топлива. Установлено, что для частиц размерами 2.5–3.1 мм отличие времен задержки зажигания составляет 20–45% при близких к предельным условиям зажигания (чем меньше характерный размер частицы, тем меньше время задержки зажигания при прочих идентичных условиях). При температурах разогретого воздуха более 900 °C начальный размер частиц топлива не оказывает существенное влияние на времена задержки зажигания – отличие зарегистрированных значений не превышает величины случайной погрешности измерений (10%). Чем больше начальный размер частицы гелеобразного топлива, тем больше энергии требуется на ее прогрев до температуры плавления. Для прогрева частицы с характерным размером 3.1 мм до температуры плавления топлива (65 °C) нужно затратить в 1.9 раза больше энергии, чем для прогрева частицы размером 2.5 мм (1.755 Дж против 0.945 Дж). 7. Проанализированы и обобщены результаты экспериментальных и теоретических исследований, сформирована база данных с характеристиками компонентов и приготовленных составов гелеобразных топлив: реологические характеристики в рамках модели Гершеля-Балкли – кривые течения, кривые вязкости, седиментационная устойчивость эмульсий и суспензий; физико-механические характеристики в рамках модели упругой деформации – модули упругости, пределы прочности топливных пеллет, потеря их массы в результате деформации; свободная поверхностная энергия, ее дисперсионная и полярная составляющие компонентов и топливных составов; минимальные температуры источников энергии, необходимые для зажигания топлива в условиях лучисто-конвективного и локального кондуктивного нагрева; зависимости времен задержки зажигания от температуры источника и от начальной температуры топлива; скорости вдува паров в среду окислителя и размеры соответствующей области при микровзрывном диспергировании капли; плотности теплового потока, необходимые для устойчивого зажигания топлива. Основные полученные результаты представлены в виде устных докладов на 9 конференциях. 8. Опубликовано 4 статьи в изданиях (Industrial & Engineering Chemistry Research; Acta Astronautica; Energy & Fuels; Propellants, Explosives, Pyrotechnics), индексируемых базой данных Web of Science Core Collection, из них 3 издания из первого квартиля (принадлежность издания к Q1 определена по базе данных http://www.scimagojr.com/). 9. Подготовлен и представлен отчет о результатах реализации проекта в течение второго года. Актуализирован план работ на 2020 год в соответствии с полученными в 2018–2019 гг. результатами.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Заявленный в проекте план работы на 2020 год выполнен. Заявленные научные результаты на конец 2020 года достигнуты. В течение третьего года реализации проекта выполнены экспериментальные и теоретические исследования, направленные, с одной стороны, на развитие фундаментальных положений теории горения конденсированных веществ, с другой стороны, на формирование теоретической базы для практического применения результатов, полученных при реализации проекта, в авиакосмической технике, теплоэнергетике и нефтехимической отрасли. Описание основных выполненных в отчетном году работ и полученных научных результатов: 1. Расширена компонентная база и приготовлена группа новых топливных составов, выполнен анализ их характеристик, проведены экспериментальные исследования закономерностей физико-химических процессов, протекающих в условиях микровзрывного диспергирования капель расплава гелеобразных топлив, в том числе содержащих мелкодисперсные твердые компоненты, при интенсивном нагреве в высокотемпературной инертной газовой среде и среде окислителя. В зависимости от типа загустителей получено два разных (по реологическим и физико-механическим характеристикам) вида гелеобразных топлив. Одна группа топливных составов представляет собой «мягкие вещества» (основные компоненты в разных пропорциях: керосин + аэросил; масло + гидроэтилцеллюлоза (ГЭЦ) + ПАВ + вода; муравьиная кислота + ГЭЦ + этанол + водный раствор ГЭЦ; керосин + противотурбулентаная присадка ForeFTA; керосин + противотурбулентаная присадка ForeFTA-02), которые проявляют физико-механические характеристики как твердого вещества, так и жидкости в зависимости от уровня напряжений сдвига. Другая группа топливных составов представляет собой материалы с трехмерным упруго деформируемым твердым каркасом (основные компоненты в разных пропорциях: керосин + водный раствор поливинилового спирта (ПВС) + ксантан; масло + водный раствор ПВС + твин 80; керосин + водный раствор ПВС + ксантан + ПАП-2; этанол + водный раствор ПВС; этанол + водный раствор ПВС + ПАП-2), содержащим в ячейках матрицы мелкодисперсные капли жидкости. Первая группа топлив получена путем добавления в горючие жидкости органических и неорганических загустителей, вторая – в результате добавления полимерных загустителей. 2. Выполнены анализ и обоснование применимости сформулированной на втором этапе реализации проекта гипотезы (о влиянии компонентного состава топлива) для прогнозирования реализации микровзрывного диспергирования капель расплава группы топливных составов при зажигании. В рамках разработанной ранее методики с применением программно-аппаратных комплексов высокоскоростной видеорегистрации выполнены экспериментальные исследования процессов зажигания группы новых топливных составов, в том числе в условиях микровзрывного диспергирования частиц (капель расплава). Полученные результаты экспериментального исследований соответствуют основным положениям гипотезы о микровзрывном диспергировании частиц (капель расплава) гелеобразных топлив в условиях их ввода в высокотемпературную среду окислителя. Среди достаточно большой группы проанализированных характеристик (температур начала кипения, скоростей испарения, поверхностного натяжения, свободной поверхностной энергии, смачиваемости) как отдельных компонентов, так и топливных составов была установлена непосредственная связь между реализацией условий микровзрывного диспергирования частиц (капель расплава) гелеобразных топлив и соотношением дисперсной и полярной составляющих свободной поверхностной энергии двух жидких компонентов топливных смесей. Эта связь явно выражена для выделенных 4 механизмов протекания физико-химических процессов в условиях интенсивного нагрева топлива: 1) монотонное испарение расплава топлива с последующим воспламенением парогазовой смеси, формирующейся в окрестности капли; 2) интенсивное испарение жидких компонентов топлива в условиях протекания процесса кипения, сопровождающегося умеренным изменением размеров и формы капли с последующим воспламенением парогазовой смеси в малой по размерам ее окрестности; 3) паффинг, заключающийся в интенсивном испарении компонентов топливной смеси при существенном изменении размеров и формы капли в условиях вдува паров горючей жидкости в окрестность капли при ее частичном диспергировании на небольшую группу капель (от 2 до 5) меньшего размера с последующим воспламенением парогазовой смеси в окрестности фрагмента капли топлива относительно малого размера; 4) микровзрывное диспергирование, представляющее собой мгновенное разрушение капли расплава на сотни и тысячи мелкодисперсных фрагментов размерами несколько десятков микрометров при достижении предельных условий. При реализации микровзрывного диспергирования вне зависимости от топливного состава происходит интенсивное воспламенение мелкодисперсных фрагментов, движущихся со скоростями от 1 до 5 м/с и выгорающих за промежуток времени в 5–10 раз короче по сравнению с длительностью аналогичных процессов при реализации трех описанных выше механизмов, причем размеры области выгорания компонентов топлива в 5–7 раз превышают размеры пламени в условиях газофазного горения капли однокомпонентного жидкого топлива (при идентичных условиях). 3. Составлены рекомендации для разработки многокомпонентных составов гелеобразных топлив, при зажигании которых процесс микровзрывного диспергирования капель расплава интенсифицирует выгорание компонентов, а также сформулированы требования по условиям теплоподвода к частицам топлива для инициирования процесса горения с прогнозируемыми характеристиками индукционного периода: 1) Топливная смесь должна состоять как минимум из двух жидких нерастворимых компонентов (используемых на начальном этапе приготовления гелеобразного топлива), причем одна жидкость должна быть полярной, другая – дисперсной. В таких условиях до загущения топливного состава смесь компонентов представляет собой первичную эмульсию. 2) Температуры кипения обоих компонентов не должны отличаться более чем на 15 %. Это позволяет достичь изотермические условия на границе раздела компонентов, входящих в топливную смесь, в процессе нагрева капли расплава. При невыполнении этого условия микровзрыв не произойдет, т.к. вся подводимая к капле расплава топлива энергия внешнего источника будет расходоваться на фазовый переход низкокипящего компонента. В изотермических же условиях при достижении температуры кипения обоими компонентами топлива на границе раздела энергия, подводимая к капле расплава, будет обеспечивать рост центров парообразования, схлопывание которых при достижении предельных условий приведет к микровзрывному диспергированию капли. 3) Для авиакосмического и теплоэнергетического направлений применения гелеобразных топлив условия теплоподвода к частицам топлива в камерах сгорания или топках котлов (как правило, не менее 1200 К) гарантированно обеспечивают инициирование процесса горения в условиях микровзрывного диспергирования капли расплава с прогнозируемыми характеристиками индукционного периода (время задержки зажигания в предельном случае не более 0,5 с) и процесса выгорания компонентов топлива (длительность не более 2 с). Также установлено, что в условиях нагрева в высокотемпературной воздушной среде капель расплава гелеобразных топлив, содержащих мелкодисперсные твердые горючие компоненты (например, металлы), будут протекать идентичные безметальным составам закономерности физико-химических процессов. Мелкодисперсные твердые компоненты (при типичных концентрациях не более 25 %) не влияют на реализацию процессов микровзрывного диспергирования капель в условиях зажигания гелеобразных топлив. 4. Разработан подход на основании результатов теоретических и экспериментальных исследований для описания в рамках моделей механики сплошной среды и теории химической кинетики взаимосвязанных физико-химических процессов, протекающих в течение индукционного периода при зажигании перспективных гелеобразных топлив при их начальных температурах, характерных для космического пространства, территорий Арктики и Антарктики. Суть разработанного и апробированного при реализации проекта подхода заключается в проведении сквозных исследований в рамках четырех взаимосвязанных (но до настоящего времени обособленных) направлений научных исследований: 1) разработка топливных составов на основе разных компонентов и исследование их реологических характеристик; 2) изучение процессов течения гелеобразных топлив как неньютоновских жидкостей в каналах, их впрыск и последующее распыление; 3) исследование процессов зажигания и горения таких топлив; 4) применение гелеобразных топлив на практике (масштабирование результатов лабораторных исследований). Именно такой комплексный подход позволяет эффективно решать широкий спектр взаимосвязанных задач в рамках перечисленных выше четырех направлений научных исследований по тематике гелеобразных топлив. 5. Разработаны прогностические математические модели процессов зажигания гелеобразных топлив, соответствующие алгоритмы численного решения и программные коды, применимые для проведения научно-исследовательских работ при проектировании и конструировании камер сгорания и устройств инициирования процесса горения, а также при составлении нормативных документов по предупреждению пожарной опасности процессов производства, транспорта, перегрузки и хранения таких топлив. Одна группа математических моделей описывает взаимосвязанные процессы кондуктивного прогрева и плавления гелеобразного топлива, испарения расплава, остывания частицы (локального источника нагрева) и ее постепенного погружения в приповерхностный слой топлива, формирования в окрестности локального источника горючей парогазовой смеси и ее зажигания в условиях диффузионно-конвективного тепломассопереноса. Другая группа математических моделей, представленная системой нелинейных нестационарных дифференциальных уравнений в частных производных с соответствующими начальными и граничными условиями, описывает процессы в рамках предельного режима, при котором скорость подвода теплоты от источника к топливу и горючей парогазовой смеси ограничена, т.е. характерное время прогрева много больше характерного времени химического реагирования. В этом случае лимитирующими факторами интенсивности процесса являются теплоподвод и диффузия, а экзотермическое реагирование можно полагать протекающим равновесно с учетом соответствующих условий в газовой среде в окрестности частицы топлива. Удовлетворительные результаты верификации математических моделей и алгоритмов численного решения позволили сделать вывод о возможности применения разработанного подхода для достаточно достоверного прогнозирования характеристик зажигания гелеобразных топлив при разных механизмах подвода теплоты. 6. Проанализированы и обобщены результаты экспериментальных и теоретических исследований, дополнена сформированная база данных с характеристиками новых компонентов и приготовленных составов гелеобразных топлив (седиментационная устойчивость эмульсий и суспензий; реологические характеристики первичных топливных эмульсий – кривые течения и вязкости; физико-механические характеристики – модули упругости, пределы прочности топливных пеллет, потеря их массы в результате деформации и в условиях хранения; свободная поверхностная энергия отдельных компонентов в обычном состоянии и топливных составов, дисперсионная и полярная составляющие свободной поверхностной энергии; минимальные температуры источников энергии, необходимые для зажигания топлива в условиях лучисто-конвективного и кондуктивного нагрева; зависимости времен задержки зажигания группы топливных составов от температуры источника и от начальной температуры топлива; скорости вдува паров в среду окислителя и размеры соответствующей области при паффинге; скорости движения мелкодисперсных фрагментов и размеры области их выгорания при микровзрывном диспергировании капли расплава топлива; минимальные плотности теплового потока, необходимые для инициирования процесса горения; максимальные значения плотности теплового потока, превышение которых не оказывает влияние на интенсификацию физико-химических процессов). Основные результаты выполненного исследования представлены членами научного коллектива в виде устных докладов на 3 всероссийских и международных конференциях: 9-й Международный Симпозиум по неравновесным процессам, плазме, горению и атмосферным явлениям (NEPCAP 2020); XVI Всероссийская школа-конференция молодых ученых с международным участием «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики»; ХV Всероссийский симпозиум по горению и взрыву. 7. Опубликовано 8 статей в изданиях, индексируемых базой данных Web of Science Core Collection, в том числе 5 статей в изданиях (Chemical Engineering Journal; Acta Astronautica; Powder Technology; International Journal of Heat and Mass Transfer) из первого квартиля (Q1) и 2 статьи в изданиях (Thermochimica Acta; Molecules) из второго квартиля (Q2) по импакт-фактору JCR Science Edition. 8. Опубликована монография (Гелеобразные топлива: приготовление, реология, распыление, горение) в издательстве СО РАН. В монографии приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований, полученные за последние годы, в том числе при реализации проекта, в рамках основных направлений исследований по тематике гелеобразных топлив. Эти результаты можно квалифицировать как основные элементы теории зажигания многокомпонентных гелеобразных топлив, включающие экспериментальные методики; информационную базу данных со свойствами топливных составов, характеристиками процессов зажигания, горения, микровзрывного диспергирования; физические и математические модели; результаты сопоставления теоретических и экспериментальных данных; заключения и выводы; рекомендации по применению результатов исследований в промышленности, науке и образовании. 9. Подготовлен и представлен отчет о результатах реализации проекта в течение третьего года.