Соударение капель жидкостей с твердыми частицами, образующимися при термохимической конверсии твердых, жидких и композиционных топлив

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 проекта 23-71-10040

НазваниеСоударение капель жидкостей с твердыми частицами, образующимися при термохимической конверсии твердых, жидких и композиционных топлив

Руководитель Исламова Анастасия Гомильевна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл

Конкурс №85 - Конкурс 2023 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-302 - Контактное взаимодействие

Ключевые слова капли; частицы; продукты сгорания; соударение; режимы взаимодействия; высокоскоростная видеорегистрация; агломерация; многокомпонентные среды; нагрев; фазовый переход

Код ГРНТИ30.17.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Актуальность темы проекта обусловлена группой факторов. Экологические, энергетические и технико-экономические характеристики большой группы перспективных в теплоэнергетической отрасли технологий могут быть повышены за счет управления параметрами процессов смешения потоков жидкости с дымовыми газами с целью интенсификации улавливания частиц сажи и снижения антропогенных выбросов, а также за счет разработки способов снижения сажевых отложений на стенках оборудования с целью повышения эффективности его работы. Современные устройства, предназначенные для удаления твердых сажевых частиц из дымовых газов, недостаточно эффективны для частиц микронных размеров. Несмотря на попытки повышения эффективности улавливания зольных частиц каплями жидкости пока не установлены условия и параметры (давление, скорости, размеры капель) распыления потоков жидкости в область продуктов сгорания и скопления твердых частиц сажи, а также процессы изменения структуры и характеристик газопарокапельного потока, образующегося в ходе агломерации, фрагментации и уноса капель и частиц, образующихся при горении твердых топлив. Детальное изучение перечисленных процессов позволит интенсифицировать механизмы улавливания мелких сажевых частиц каплями отличающихся по составу жидкостей, оптимизировать управление их характеристиками, снизить затраты электроэнергии на очистку продуктов сгорания. В заявке изучены основные причины, сдерживающие исследования в данной области, и сформулированы пути решения обозначенной проблемы. Целью проекта являются численные и экспериментальные исследования процессов улавливания сажевых частиц потоком капель специализированных составов и способов очистки сажевых отложений со стенок оборудования. Научная новизна проекта состоит в том, что запланированы экспериментальные исследования с газопарокапельными потоками и потоками твердых частиц, приближенными к промышленным установкам по очистке дымовых газов, с целью изучения эффектов улавливания выделяющихся с продуктами сгорания топлив сажевых частиц каплями разных по компонентному составу жидкостей. Будут установлены основные характеристики процессов взаимодействия капель отличающихся по компонентному составу жидкостей с твердой стенкой, на которой присутствуют сажевые отложения, с целью минимизации вредного воздействия последних на режимы работы теплотехнического оборудования. Перечисленные процессы являются определяющими в перспективных технологиях по созданию теплоносителей из дымовых газов, паров и капель воды; огневой очистке жидкости в потоке продуктов сгорания; обработке подверженных коррозии поверхностей энергетического оборудования и др. Анализ достижений мирового научного сообщества в данной области позволяет сделать вывод о том, что исследований столкновений капель с продуктами сгорания с целью снижения антропогенных выбросов недостаточно для прогнозирования соответствующих процессов в указанных технологиях. С применением высокоскоростных регистрирующих систем, позволяющих провести детальный анализ быстропротекающих процессов, планируется выполнить эксперименты по изучению влияния группы факторов и параметров (в частности, компонентного состава жидкости и свойств сажевых частиц, параметров подачи жидкости в область дымовых газов со скоплением твердых частиц и др.) на перечисленные процессы. Результаты запланированных в рамках проекта экспериментальных исследований с варьированием основных факторов и параметров газовой среды позволят получить информационную базу данных с условиями и характеристиками процессов, приближенных к промышленным установкам по очистке дымовых газов, а также разработать физические и математические модели протекающих процессов в широких диапазонах исследуемых параметров.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Взаимодействие аэрозольных потоков капель жидкости и твердых частиц, характерных для мокрых вихревых пылеулавливателей Influence of collision conditions between aerosol flows of liquid droplets and solid particles typical for wet vortex dust collectors Energy, vol. 298, article no. 131373 (год публикации - 2024)
10.1016/j.energy.2024.131373

2. Столкновения капель жидкостей и твердых частиц в разогретой газовоздушной среде Столкновения капель жидкостей и твердых частиц в разогретой газовоздушной среде Письма в Журнал технической физики, том 50, вып. 14, стр. 9-12 (год публикации - 2024)
10.61011/PJTF.2024.14.58301.19893

3. Исламова А.Г., Ткаченко П.П., Шуляев С.А. Влияние концентрации угольной суспензии и температуры газовоздушной среды на процессы соударения капель жидкостей Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, Т. 335, № 7, C. 58–70 (год публикации - 2024)
10.18799/24131830/2024/7/4629

4. Исламова А.Г., Шуляев С.А., Шлегель Н.Е., Стрижак П.А. Столкновение капель жидкости с мембранными поверхностями Материалы IV Международной конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики» (СПТЭ). Москва, 21-25 октября 2024 г. – М.: Издательство МЭИ, 2024.– 460 с., С. 131-132 (год публикации - 2024)

5. Исламова А.Г., Ткаченко П.П., Стрижак П.А. Влияние концентрации и размера частиц в коллоидных каплях на характеристики их соударений Сборник тезисов докладов IX Всероссийской конференции «Теплофизика и физическая гидродинамика» (ТФГ2024). Сочи, 8-15 сентября 2024 г. – Новосибирск: Институт теплофизики СО РАН, 2024.– 196 с., С. 48 (год публикации - 2024)

6. Исламова А.Г., Шуляев С.А., Стрижак П.А. Столкновение капель дистиллированной воды с поверхностями мембран X Поляховские чтения : Материалы международной научной конференции по механике, 23–27 сентября 2024 г., Санкт–Петербург, Россия. — СПб.: Издательство ВВМ, 2024. 755 с., С. 330-333 (год публикации - 2024)

7. Шуляев С.А. Соудерение капель жидкостей с компонентами композиционных топлив Энергосбережение и инновационные технологии в топливно-энергетическом комплексе: материалы Национальной с международным участием научно-практической конференции студентов, аспирантов, ученых и специалистов. В 2-х т. Т.2. - Тюмень: ТИУ, 2024. - 269 с., 185-188 (год публикации - 2024)

8. Клименко А. Взаимодействие капель суспензий с твердыми пиролизирующими частицами Энергетика и энергосбережение: теория и практика. Сборник материалов IX Международной научно-практической конференции, 27 – 29 декабря 2024. [Электронный ресурс] / ФГБОУ ВО «Кузбас. гос. техн. ун-т им. Т. Ф. Горбачева»; Под ред.: Р.В. Беляевский, И.А. Лобур. – Кемерово : КузГТУ, 2025 (год публикации - 2024)

9. Шуляев С.А. Столкновение капель жидкости и компонентов перспективных композиционных топлив Энергетика и энергосбережение: теория и практика. Сборник материалов IX Международной научно-практической конференции, 27 – 29 декабря 2024. [Электронный ресурс] / ФГБОУ ВО «Кузбас. гос. техн. ун-т им. Т. Ф. Горбачева»; Под ред.: Р.В. Беляевский, И.А. Лобур. – Кемерово : КузГТУ, 2025 (год публикации - 2024)

10. Исламова А.Г., Шуляев С.А., Шлегель Н.Е., Циммерман А.И., Стрижак П.А. Interaction between liquid droplets and membrane surfaces Separation and Purification Technology, Volume 354, Part 7, Article number 129344 (год публикации - 2025)
10.1016/j.seppur.2024.129344

11. Исламова А.Г., Стрижак П.А. Agglomeration of carbonaceous particles in a pendant water slurry droplet Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Volume 703, Part 2, Article number 135318 (год публикации - 2024)
10.1016/j.colsurfa.2024.135318

12. Исламова А.Г., Шлегель Н.Е., Стрижак П.А. Impact of physical properties of coal slurry droplets on their interaction with coal particles Experimental Thermal and Fluid Science, Volume 166, Article number 111478 (год публикации - 2025)
10.1016/j.expthermflusci.2025.111478

13. Клименко А.Ю. Влияние концентрации паров в воздухе на процессы соударения капли о твердую частицу Энергосбережение и инновационные технологии в топливно-энергетическом комплексе: материалы Национальной с международным участием научно-практической конференции студентов, аспирантов, ученых и специалистов. В 2-х т. Т.1. - Тюмень: ТИУ, 2024. - 270 с., Т. 1. - С. 223-225 (год публикации - 2024)

14. Исламова А.Г., Ткаченко П.П., Стрижак П.А. Effect of concentration and sizes of solid particles in slurry droplets on their collision behavior in gas Journal of Aerosol Science, Volume 185, Article number 106537 (год публикации - 2025)
10.1016/j.jaerosci.2025.106537

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. В ходе исследования изучены процессы взаимодействия капель воды и водоугольной суспензии (концентрация твердых частиц 0,5–5%) на подложке из полированной и термообработанной стали. Проанализировано влияние угла наклона поверхности и концентрация угольных частиц в суспензии на процессы растекания капли. Результаты показали, что угол наклона поверхности значительно влияет на динамические контактные углы. При увеличении угла наклона поверхности от 0° до 20°, минимальное значение динамического угла натекания при столкновении капли воды с поверхностью возрастает приблизительно в четыре раза. При этом для динамического угла оттекания происходил обратный эффект – уменьшение почти в два раза. Установлено, что изменение концентрации угля в суспензии в исследуемом диапазоне оказывает минимальное воздействие на динамические контактные углы. 2. С помощью высокоскоростной видеосъёмки зафиксированы режимы бинарного столкновения капель: отскок, коалесценция, разлет и дробление. Построены карты режимов взаимодействия капель суспензии, позволяющие определить границы между режимами в зависимости от концентрации твердой фазы в составе суспензии и температуры окружающей среды. По результатам экспериментальных исследований установлено слабое влияние концентрации твердой фазы в составе суспензии на исход взаимодействия капель. Установлено, что вероятность реализации того или иного режима слабо зависит от концентрации угля в суспензии в рассматриваемом диапазоне, но сильно чувствительна к углу и скорости взаимодействия. Сделано предположение о том, что геометрия ламели, образующейся при взаимодействии капель, определяет количество сформировавшихся вторичных фрагментов при ее разрыве. Построены зависимости нормализованных распределений количества дочерних капель от размера вторичных капель. Установлено, что концентрация твердых частиц в жидкости оказывает значимое влияние на размеры получаемых вторичных капель. Сформулирован вывод о том, что добавление твердых частиц даже при их незначительной массовой доле, существенно влияет на распределение вторичных фрагментов. 3. Проведены экспериментальные исследования по изучению агломерации твердых частиц в висячей капле жидкости. Показано, что время осаждения и отношения высоты агломерированного слоя частиц к начальной высоте капли можно описать полиномной и степенной зависимостями, соответственно. При сравнении аппроксимационных зависимостей отношения высоты осажденных частиц к начальной высоте капли от концентрации, сформулировано предположение о том, что предмножитель зависит от размера частиц, а показатель степени - от объема капель (он возрастает при увеличении объема капель). Показано, что время осаждения частиц намного больше времени нахождения капель во взвешенном состоянии при мокром пылеулавливании. 4. Разработаны методика и экспериментальный стенд по изучению процессов соударения аэрозольных потоков капель жидкостей с твердыми частицами при варьировании температуры окружающей среды. По результатам анализа экспериментальных исследований по соударению капель воды с твердыми частицами, движущимися в потоке, выделено два режима взаимодействия – агломерация и разрушение. Установлено, что основное влияние на исход взаимодействия оказывает температура капель жидкости и форма твердых частиц. При этом решающую роль в исходе соударения капель и частиц играет отношение размеров капель и частиц и скорость их взаимодействия. Зафиксировано увеличение количества образовавшихся вторичных фрагментов практически на 30% в условиях высоких температур (300 °С) по сравнению с нормальными условиями (25 °С). С ростом температуры происходит более быстрое прогревание жидкости, что приводит к снижению её плотности и вязкости, а также стимулирует локальное испарение на границе раздела капля–частица. Эти процессы усиливают интенсивность реализации режима разрушения, увеличивая количество капель в регистрируемой области. На основе полученных результатов построены обобщенные зависимости, учитывающие безразмерные числа Вебера, Рейнольдса, Фруда, Стокса, которые позволяют учитывать влияние варьируемых параметров на процессы взаимодействия. Получены прогностические выражения на основе экспериментальных результатов.

Публикации