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 18-71-10002

НазваниеКоагуляция, дробление и фрагментация капель жидкостей в многофазных и многокомпонентных газопарокапельных средах

РуководительСтрижак Павел Александрович, Доктор физико-математических наук

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

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2021 - 06.2023

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (30).

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах, 01-311 - Гидромеханика многофазных сред

Ключевые словакапли жидкости; коагуляция; фрагментация; дробление; многофазные потоки; многокомпонентные среды; кросскорреляционные методы; высокоскоростная видеорегистрация; моделирование

Код ГРНТИ30.17.33

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Обозначенные в заявке на проект с 2018 года газопарокапельные технологии в области первичного и вторичного измельчения капель топлив, термической и огневой очистки воды и других жидкостей от нерегламентированных примесей, испарения и конденсации в теплоэнергетических трактах, узлах, блоках и агрегатах на протяжении последних 5 лет интенсивно развиваются в мире вследствие появления новых результатов (фундаментальных знаний и научно-технических разработок) экспериментальных и теоретических исследований. Особенно интенсивное развитие можно отметить в области топливных технологий. Это стало возможным в том числе и благодаря результатам теоретических и экспериментальных исследований, выполненных коллективом проекта РНФ 18-71-10002. В рамках проекта РНФ 18-71-10002 в течение 2018-2021 гг. получены важные научные результаты: (1) Разработаны экспериментальные методики двумерной и пространственной регистрации основных характеристик процессов коагуляции, дробления и фрагментации сталкивающихся капель жидкостей в газовых средах с применением комбинации оптических методов PIV, Stereo PIV, Micro PIV, Tomo PIV, PTV, IPI, SP, PLIF, LIP, группы высокоскоростных видеокамер, программных комплексов слежения (Tema Automotive, PCC Viewer, Phantom Viewer и др.); (2) Проанализировано влияние основных характеристик газовой среды и капель на условия и характеристики столкновений последних (коагуляция, фрагментация, дробление, отскок); (3) Выполнен статистический анализ последствий столкновений капель (отскок, коагуляция, фрагментация, дробление) с учетом всех основных действующих сил, импульсов, энергии и факторов на основе результатов обработки высокоскоростной и кросскорреляционной видеорегистрации; (4) Разработана группа физических и математических моделей движения капель в газовой среде с учетом всех основных действующих сил (сцепления, поверхностного натяжения, тяжести и аэродинамического сопротивления, молекулярных, электрического притяжения, подъемной силы, молекулярных, электрического притяжения, Магнуса, турбофореза, термофореза и др.), эффектов (несферичности, внутренних течений, турбулентности несущей среды, сжимаемости последней, концентрации дисперсной фазы, нестационарности движения, фазовых превращений и др.) и ее столкновения (коагуляция, фрагментация, измельчение) с соседними каплями: (5) Разработаны физические и математические модели, позволяющие изучать условия и характеристики столкновений капель жидкостей (коагуляция, фрагментация, измельчение) с соседними в составе аэрозольного облака; (6) Теоретически и экспериментально изучены распределения вторичных капель жидкостей по размерам, образующихся при соударениях исходных, как функций от группы основных параметров и факторов: начальные размеры и скорости движения капель; угол атаки; свойства жидкостей (плотность, вязкость, поверхностное натяжение, межфазное натяжение); температура нагрева капель и газовой среды; турбулентность потока; (7) Получены результаты экспериментальных и теоретических исследований синергетических эффектов вторичного измельчения капель жидкостей за счет комбинированного применения четырех методик: при соударении исходных капель между собой; за счет взаимодействия капель с твердой поверхностью; при ударе по капле газовой (воздушной) струей; микро-взрывное разрушение фрагментов жидкости (существенно неоднородной по структуре и компонентному составу) за счет интенсивного нагрева; (8) Результаты исследований обобщены в виде безразмерных критериальных выражений и соответствующих зависимостей (через критериальные выражения с использованием чисел Рейнольдса, Вебера, Лапласа, Онезорге, капиллярности и др.); (9) Выполнено обобщение результатов исследований для всех рассмотренных условий (варьирование температуры, давления, состава газовой среды; тип и свойства жидкости; параметры соударения), установление границ применимости разработанных моделей и выделение корректирующих методов и подходов, а также получение безразмерных критериев для учета специфических закономерностей исследуемых процессов; (10) Сформулированы рекомендации для практического использования результатов выполненных исследований в образовательном процессе, а также для развития науки, техники и технологий. Исполнители проекта (аспиранты Шлегель Н.Е. и Антонов Д.В.) представили диссертации с результатами проектных экспериментальных и теоретических исследований на соискание ученых степеней кандидатов физико-математических и технических наук, соответственно. Результаты проекта РНФ 18-71-10002 с 2018 по 2021 гг. опубликованы в виде более чем 20 статей в международных журналах 1 квартиля, в частности, Experimental Thermal Fluid Science, International Journal of Heat and Mass Transfer, International Communications in Heat and Mass Transfer, Journal of Engineering Physics and Thermophysics, Applied Sciences, Chemical Engineering Research and Design, Chemical Engineering Science, Fuel, Microgravity Science and Technology, Powder Technology и др. Результаты исследований, публикуемые в этих журналах, используются исследователями и инженерами для развития существующих и создания новых технологий. Это выражается, в том числе, и в цитировании публикаций с полученными научными результатами зарубежными и отечественными научными коллективами. В последние годы особую актуальность приобретают так называемые композиционные жидкие топлива, которые содержат, как правило, от 2 до 5 жидких и твердых компонентов. В каплях таких топлив содержатся частицы разного размера, формы, концентрации. Предварительные эксперименты авторского коллектива (приложены к заявке в виде дополнительного файла) показали, что характеристики взаимодействия таких капель между собой в газовой среде существенно отличаются от аналогичных параметров при соударениях капель без твердых частиц. Поэтому разработанную в рамках проекта теорию взаимодействия капель в высокотемпературных газовых средах сложно перенести на композиционные жидкие топлива с твердыми частицами из различных материалов. Границы на картах режимов соударений, распределения вторичных фрагментов, соотношения энергий в зоне взаимодействия описываются совершенно другими выражениями, используются отличающиеся модели и дополнительные модули (субмодели). Для решения сформулированной задачи необходимы экспериментальные данные о взаимодействии капель жидкостей с твердыми частицами различной формы, с варьируемыми размерами, из материалов с разными свойствами (гидрофильность и гидрофобность, пористость, шероховатость поверхности и др.). Целесообразно выполнить варьирование ключевых параметров (размеры и форма частиц, их концентрация в капле, схема расположения – частица в капле, частица отдельно от капли) в широких диапазонах, соответствующих обозначенным приложениям, чтобы обеспечить возможность использования результатов исследований не только в области композиционных жидких топлив, но и в других газопарокапельных многофазных приложениях. В распылительных технологиях с композиционными жидкими топливами актуальна задача разработки методов эффективного смешения вдуваемых твердых частиц и впрыскиваемых капель жидкостей непосредственно в предтопках, завихрителях и камерах сгорания. Поэтому в рамках проекта планируется решение группы задач от изучения бинарных соударений твердых частиц и капель жидкостей и многофазных капель до исследований характеристик соударений капель и частиц в потоках в условиях (давление, температура, скорость), приближенных к камерам, типичным для котельных установок, двигателей, термических теплообменных систем. Многофазные и многокомпонентные смеси содержат твердые частицы с разными размерами, формой и дисперсностью. Важно детально изучить условия взаимодействия капель с такими частицами, их влияние на форму и размеры, результирующую энергию исходных многокомпонентных капель и мелких вторичных фрагментов, особенно в условиях интенсивных фазовых превращений и химического реагирования. По результатам экспериментов станет возможным разработка физических и математических моделей соответствующих процессов. В этом будет состоять научная новизна запланированных исследований. Планируется спроектировать и изготовить универсальный стенд для проведения исследований с раздельным и смешанным впрыском жидкостей и вдувом твердых частиц для технологических условий, соответствующих указанным приложениям. В качестве основных методов исследований планируется: (1) эксперимент с применением высокоскоростной видеорегистрации, оптических методов PIV, Stereo PIV, Micro PIV, Tomo PIV, PTV, IPI, SP, PLIF, LIP, программных комплексов слежения Tema Automotive, PCC Viewer, Phantom Viewer и др.; (2) моделирование с применением авторских программных кодов в средах Matlab, Mathematica, C++ и коммерческие пакетов Ansys Fluent, Comsol Multiphysics, Sigma Flow,. Ключевая задача теоретических исследований состоит в разработке упрощенных (для инженеров) и наиболее полных (для исследований на фундаментальном уровне) моделей. Основные ожидаемые результаты проекта будут включать карты режимов соударений капель и частиц, капель с частицами между собой, распределения вторичных капель и частиц по размерам, скоростям, компонентному составу, зависимости критических значения чисел Вебера, Рейнольдса, капиллярности, Онезорге, Бонда, линейных и угловых параметров взаимодействия от всех варьируемых параметров. Будут построены карты режимов взаимодействия трехфазных и многокомпонентных капель (на примере содержащих пузырьки воздуха, частички льда, различные горючие жидкие и твердые компоненты, пары воды и горючих жидкостей) в газовой среде, распределения вторичных фрагментов по размерам, скоростям, компонентному составу, энергиям и др. Эти результаты будут опубликованы в международных журналах 1 квартиля (в частности, Experimental Thermal Fluid Science, International Journal of Heat and Mass Transfer, International Communications in Heat and Mass Transfer, Journal of Engineering Physics and Thermophysics, Applied Sciences, Chemical Engineering Research and Design, Chemical Engineering Science, Fuel, Microgravity Science and Technology, Powder Technology и др.), апробированы на международных конференциях в ведущих научных центрах (запланировано участие не менее чем в 3-4 мероприятиях). По результатам экспериментальных исследований будут подготовлены заявки на полезные модели технологий формирования и разделения многокомпонентных капель при соударениях капель и частиц. На разработанные модели будут получены свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ. Исполнителями проекта планируется подготовить кандидатские и магистерские диссертации. Результаты проекта будут включены в лекционные и учебно-методические материалы для магистрантов и аспирантов, обучающихся по направлениям «Механика жидкости, газа и плазмы», «Теплофизика и теоретическая теплотехника», «Промышленная теплоэнергетика» в Национальном исследовательском Томском политехническом университете. Эти материалы будут выложены на сайт лаборатории Коллектива (http://hmtslab.tpu.ru/), с которого могут быть использованы коллегами из разных вузов, институтов и предприятий.

Ожидаемые результаты
(I) Основные ожидаемые научные результаты проекта в 2021-2023 гг.: 1. Универсальный стенд для проведения исследований с параллельным и раздельным впрыском жидкостей и вдувом твердых частиц для условий, соответствующих топливным технологиям, тепломассообменному оборудованию, термическим и огневым системам очистки жидкостей от примесей. 2. Видеограммы экспериментов с режимами соударений капель жидкостей с твердыми частицами, капель, содержащих твердые частицы с различными размерами, формами и концентрацией для двух категорий экспериментов: бинарные взаимодействия и взаимодействия в составе полидисперсного аэрозоля. 3. Распределения капель и частиц по размерам при различных режимах взаимодействия, поля скорости движения, компонентный состав капель с частицами, значения энергии в зоне взаимодействия. 4. Результаты применения основных методов математической статистики при оценке воспроизводимости результатов опытов в серии. 5. Экспериментальные зависимости основных характеристик процесса взаимодействия капель и частиц от исходных параметров и свойств материалов. 6. Прогностические физические и математические модели соударений капель и частиц; капель, содержащих частицы, в газовой среде в условиях интенсивных фазовых превращений и химического реагирования. 7. Теоретические зависимости характеристик соударений капель и частиц; капель, содержащих частицы, от ключевых параметров взаимодействия. 8. Карты режимов соударений капель и частиц; капель с частицами между собой; распределения вторичных капель по размерам, скоростям, компонентному составу; зависимости критических значений чисел Вебера, Рейнольдса, капиллярности, Онезорге, Бонда, линейных и угловых параметров взаимодействия от всех варьируемых параметров. 9. Обобщающие критериальные зависимости и выражения для прогнозирования влияния эффектов дробления, фрагментации и коагуляции капель и частиц на структуру и основные характеристики движения многофазных и многокомпонентных сред. 10. Карты режимов взаимодействия трехфазных и многокомпонентных капель в газовой среде (на примере содержащих пузырьки воздуха, частички льда, различные горючие жидкие и твердые компоненты, пары воды и горючих жидкостей), а также распределения вторичных фрагментов по размерам, концентрациям, компонентному составу, скоростям движения, значениям энергии. 11. Соотношения энергий в зоне соударения капель жидкостей и частиц; капель, содержащих твердые частицы, в условиях интенсивных фазовых превращений и физико-химических процессов. 12. Сравнительный анализ влияния взаимодействия капель жидкостей с твердыми частицами; капель, содержащих твердые частицы, в газовой среде на скорости фазовых превращений и физико-химических процессов. 13. Статьи в высокорейтинговых (1 квартиль) международных журналах (Experimental Thermal Fluid Science, International Journal of Heat and Mass Transfer, International Communications in Heat and Mass Transfer, Journal of Engineering Physics and Thermophysics, Applied Sciences, Chemical Engineering Research and Design, Chemical Engineering Science, Fuel, Microgravity Science and Technology, Powder Technology и др.); доклады на крупных профильных международных конференциях, семинарах, симпозиумах, форумах; 14. Патенты на полезные модели и изобретения (не менее 2 шт) технологий формирования и разделения многокомпонентных капель при соударениях капель и частиц. 15. Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ (не менее 3 шт) на разработанные программные коды для моделей соударений капель и частиц в газовых средах. 15. Дополненные новыми экспериментальными и теоретическими результатами разработанные в рамках выполнения проекта в 2018–2021 гг. лекционные и учебно-методические материалы для магистрантов и аспирантов, обучающихся по направлениям «Механика жидкости, газа и плазмы», «Теплофизика и теоретическая теплотехника», «Промышленная теплоэнергетика». 16. Защиты кандидатских и магистерских диссертаций исполнителями проекта по результатам выполнения экспериментальных и теоретических исследований. (II) Оценка соответствия запланированных результатов мировому уровню исследований: Запланированные результаты представленного проекта будут опережать мировой уровень исследований, если судить по публикациям в международных журналах 1 квартиля. Пока не опубликованы экспериментальные данные о характеристиках процессов взаимодействия капель и твердых частиц в газовой среде в условиях интенсивных фазовых превращений и химического реагирования. Соответственно, известные модели, используемые для описания таких процессов, основаны на ряде допущений, условия применимости которых следует уточнить. Это обусловлено тем, что для проведения экспериментов по перемешиванию потока твердых частиц и капель жидкостей или капель с твердыми частицами между собой необходимы скоростные следящие системы, специализированные красители, световые системы, программное обеспечение. Коллектив располагает основной частью необходимых для исследований программно-аппаратных средств. Целесообразно расширить приборную базу за счёт высокоскоростной камеры с минимальным временем экспозиции и объективов с варьируемой глубиной резкости. Также необходим стенд для обеспечения регистрации смешения и разделения потоков твердых частиц и капель жидкостей с различным компонентным составом. Планируется создать программно-аппаратный комплекс для проведения экспериментальных исследований, аналогов которому пока нет в мире, если судить по публикациям в международных журналах 1 квартиля. (III) Возможность практического использования запланированных результатов проекта в экономике и социальной сфере: Наиболее актуальным приложением результатов исследований можно считать технологии первичного и вторичного измельчения капель композиционных жидких топлив. Эти топлива содержат воду до 40–60% массы. Соответственно, инерционность зажигания довольно высока. В составе капель композиционных жидких топлив содержится довольно высокая доля твердых частиц (от 30 до 70%) и горючих жидкостей (например, до 15% масла или нефтешламов). Вязкость таких композиций очень высока (сопоставима с мазутом и эмульсиями на его основе), поэтому их первичное измельчение с применением форсунок до малых размеров капель (например, до 50-150 мкм) затруднено и экономически затратно. За счет пересечения факелов распыла возможно уменьшение размеров капель вследствие соударений. Авторский коллектив настоящей заявки в двух статьях по проекту [Chemical Engineering Science. 2019. V. 209. 115199; Chemical Engineering Research and Design. 2021. V. 168. P. 1–12] обосновал, что интенсивное измельчение капель топлив при соударениях позволяет увеличить тепловую мощность, т.е. тепловыделение в единицу времени, в 5–70 раз в зависимости от задействованных схем вторичного измельчения. При таких условиях реализуется наиболее полное выгорание топлива, снижаются выбросы. Если рассматривать теплообменные технологии и термическую очистку воды от примесей, то в этом случае вторичное измельчение капель способствует росту площади фазовых превращений. Внедрение каждой из перечисленных технологий может оказать значительный экологический, экономический, энергетический и социальный эффект. В рамках продления проекта следует определить конкретные диапазоны роста интегральных показателей в указанных технологиях при применении схем измельчения капель за счет соударений с твердыми частицами и в условиях, при которых капли содержат твердые частицы с различной формой, типом, размерами и концентрацией.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Основные результаты исследований, полученные с июня 2021 г. по май 2022 г.: (I) При реализации проекта созданы стенды (для изучения бинарных соударений капель, частиц и подложек, а также большой совокупности капель и частиц в составе спреев) для экспериментальных исследований соударений капель с частицами, а также капель, содержащих частицы различной формы, размеров, концентрации и с разными свойствами, между собой. Разработанные стенды и методика измерений позволяют исследовать процессы бинарных соударений капель и частиц, а также распыленных потоков жидкости и твердых частиц в составе полидисперсного аэрозоля при варьировании свойств жидкости (вязкости, плотности, поверхностного натяжения, температуры нагрева) и характеристик твердых частиц (их размеров, формы, шероховатости, смачиваемости, температуры нагрева) в широких диапазонах. (II) Полученные в рамках выполнения проекта результаты экспериментальных и теоретических исследований имеют высокую практическую значимость для развития технологий, в которых реализуется столкновение капель и частиц (распылительная сушка, тушение пожаров, очистка жидкостей от примесей, смешение и сжигание топлив, тепломассобменные системы). Для частиц с разными размерами, формой, смачиваемостью и шероховатостью поверхности и сталкивающихся с ними капель жидкости с варьируемыми размерами, скоростями движения, вязкостью, плотностью и поверхностным натяжением установлены: режимы взаимодействий капель и частиц, распределения образующихся фрагментов (вторичных капель) жидкости по размерам, отношение площадей свободных поверхностей после и до взаимодействия капель и частиц. (III) При обработке видеограмм экспериментов выделены два основных режима взаимодействия: агломерация (капля полностью оседает на частице, вторичные фрагменты не образуются), разделение растяжением (фрагментация капли вследствие растягивания капли при ее взаимодействии с частицей). Результаты проведенных экспериментов обобщены в виде карт режимов соударений капель и частиц в системе координат, учитывающей безразмерный параметр взаимодействия, числа Вебера, Рейнольдса, Онезорге. С использованием полученных результатов можно прогнозировать достаточные для перехода между режимами агломерации и фрагментации капель и частиц условия для частиц с разными характеристиками шероховатости и смачиваемости поверхности, размерами формой, скоростью движения, а также жидкостей с различными значениями динамической вязкости, плотности, поверхностного и межфазного натяжения. (IV) Определены распределения капель и частиц по размерам при различных режимах взаимодействия, поля скорости движения, компонентный состав капель с частицами, энергии в зоне взаимодействия. По видеограммам экспериментов установлены минимальные, максимальные и средние размеры вторичных капель, а также их количество. Рассчитаны площади поверхности капель до и после фрагментации при их взаимодействии с частицами, проанализирована степень измельчения капель при их взаимодействии с частицами и подложками. Показано влияние на данные процессы размеров, форм, материалов, а также шероховатости и смачиваемости поверхности твердых частиц и свойств жидкости (вязкости, плотности, поверхностного и межфазного натяжений). Приведена оценка баланса энергий в зоне соударения капель и частиц, в результате которой установлено соотношение кинетических энергий капель и частиц после и до измельчения исходных капель. С использованием предложенного подхода можно прогнозировать исходы взаимодействий капель и частиц, а также условия для реализации стабильной фрагментации капель. (V) Результаты опытов обобщены с использованием зависимостей чисел Вебера, Рейнольдса, капиллярности, Онезорге, Бонда, линейных и угловых параметров взаимодействия от всех варьируемых параметров. Установлено влияние на положение границ режимов на картах B(We), We(Oh), Re(Oh) всех исследуемых характеристик и свойств твердых частиц и капель жидкости. Карты режимов взаимодействий капель и частиц построены с учетом всех ключевых параметров взаимодействия (размеров, скоростей движения капель и частиц, формы частиц, температуры капель и частиц, свойств жидкости (вязкости, плотности, поверхностного и межфазного натяжений) и твердой поверхности (шероховатость и смачиваемость). (VI) Разработаны прогностические физические и математические модели соударений капель и частиц в газовой среде в условиях интенсивных фазовых превращений и химического реагирования. С использованием разработанных математических моделей изучены закономерности реализации режимов агломерации, разделения растяжением и фрагментации. Научная новизна и практическая значимость разработанных моделей состоит в том, что с их использованием можно выполнять описание особенностей процессов вторичного измельчения капель при их столкновениях с каплями и частицами с учетом широкой группы факторов. (VII) Установлено влияние фазовых превращений и физико-химических процессов в газовой среде на условия и характеристики взаимодействия капель жидкостей и твердых частиц. Проанализированы результаты экспериментальных исследований по установлению основных закономерностей соударения капель воды с поверхностью и частицами пиролизирующегося угля, а также влияния выхода летучих на режимы взаимодействия. Полученные экспериментальные результаты представляют интерес для развития технологий раздельной подачи компонентов композиционных топлив в котельные агрегаты, флотационных установок, пылеулавливания, а также вторичного измельчения капель жидкостей и агломерации частиц и капель. (VIII) Определены характеристики смешения потоков вдуваемых твердых частиц и впрыскиваемых капель жидких компонентов с целью установления наиболее эффективных условий перемешивания для технологии приготовления многокомпонентных капель в газовой среде. Проведены экспериментальные исследования взаимодействий капель и частиц в составе полидисперсного аэрозоля, генерируемого за счет смешения потока твердых частиц и капель жидкости. Установлены необходимые и достаточные условия для стабильного смешения капель и частиц в топочных камерах. (IX) Сформулированы практические рекомендации на основе варьирования технологических условий в потенциальных рабочих камерах смешения с использованием экспериментального стенда и разработанных моделей с целью обеспечения возможности переноса результатов фундаментальных исследований на перспективные газопарокапельные приложения. Сформулированы методы и подходы для формирования потока капель суспензионных топлив непосредственно в камере сгорания за счет раздельной подачи составляющих суспензионные топлива компонентов (вода, уголь, отработанное моторное масло). Показано, что на основании полученных в экспериментах карт режимов, а также за счет контролирования расстояния, на котором будет происходить взаимодействие капель и частиц, и их скоростей, можно обеспечить реализацию необходимого режима взаимодействия капель и частиц. (X) Результаты исследований опубликованы в высокорейтинговых международных журналах: Energies 2021. Vol. 14, No 9, 6150; Entropy 2021. Vol. 23, No 9, 1476; Powder Technology 2022, Vol. 403, 117371; Chemical Engineering Research and Design 2022, Vol. 177, P. 200–229; Chemical Engineering Research and Design 2022, Vol. 179, P. 201–226. (XI) Выполнена апробация результатов исследований на ведущих всероссийских и международных конференциях: 15 th Triennial International Conference on Liquid Atomization and Spray Systems; Всероссийская конференция «XXXVII Сибирский теплофизический семинар»; VIII международная конференция «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках»; XII семинар вузов по теплофизике и энергетике; IV Всероссийская молодежная научно-практическая конференция «ЭНЕРГОСТАРТ»; XV Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации»; 13th International Colloquium on Pulsed and Continuous Detonations; Всероссийская научно-техническая конференция ЭНЕРГИЯ–2022.

Публикации

1. Исламова А.Г., Керимбекова С.А., Шлегель Н.Е., Стрижак П.А. Droplet-droplet, droplet-particle, and droplet-substrate collision behavior Powder Technology, V. 403, 117371 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.powtec.2022.117371

2. Кропотова С.С., Стрижак П.А. Collisions of Liquid Droplets in a Gaseous Medium under Conditions of Intense Phase Transformations: Review Energies, 14(19), 6150 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/en14196150

3. Кропотова С.С., Шлегель Н.Е., Стрижак П.А. Соударения капель жидкости в потоке дымовых газов Journal of Engineering Physics and Thermophysics, - (год публикации - 2022)

4. Ткаченко П.П., Шлегель Н.Е., Стрижак П.А. Experimental research of liquid droplets colliding with solid particles in a gaseous medium Chemical Engineering Research and Design, V. 177, P. 200-209 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.cherd.2021.10.025

5. Ткаченко П.П., Шлегель Н.Е., Стрижак П.А. Collisions of Two-Phase Liquid Droplets in a Heated Gas Medium Entropy, 23(11), 1476 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/e23111476

6. Ткаченко П.П., Шлегель Н.Е., Стрижак П.А. The transition boundaries between interaction regimes of liquid droplets colliding in a gas Chemical Engineering Research and Design, V. 179, P. 201-226 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.cherd.2022.01.019

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В соответствии с планом ниже кратко перечислены основные результаты: (1) Разработаны стенды и методики, позволяющие провести эксперименты в условиях, приближенным к реальным промышленным приложениям: стенд для проведения экспериментальных исследований по соударению аэрозольных потоков капель жидкостей и твердых частиц в условиях интенсивных фазовых превращений (при температуре газовой среды от 100 °С до 500 °С и давлении от 0.5 атм до 6 атм); стенд для проведения экспериментов по пылеулавливанию и пылеосаждению с техническими характеристиками, аналогичными Скрубберам Вентури. (2) По видеограммам экспериментов для капель жидкостей, содержащих различные по свойствам материалов твердые частицы разной формы, размеров, концентрации, а также свойства материалов частиц (плотность, пористость, гидрофильность, гидрофобность и др.) и капель жидкостей (плотность, вязкость, поверхностное и межфазное натяжение) установлены: режимы взаимодействия, количество, форма, размеры, скорости и траектории движения, отношение площадей свободных поверхностей после и до взаимодействия капель и частиц. (3) Установлены распределения капель и частиц по размерам при различных режимах взаимодействия для капель с различным компонентным составом. Определены отношения площадей свободных поверхностей после и до взаимодействия частиц с каплями, содержащими твердые частицы. Предложены конструктивные изменения в системах смешения спреев жидкостей и твердых частиц. (4) Установлены экспериментальные зависимости основных характеристик процесса взаимодействия капель, содержащих различные по свойствам материалов твердые частицы разной формы, размеров и концентрации, от свойств материалов и исходных параметров последних. Исследования проведены для 2 категорий экспериментов: бинарные взаимодействия и в составе полидисперсного аэрозоля. Сформирована экспериментальная база данных с основными характеристиками взаимодействия капель суспензий на основе гидрофобных и гидрофильных частиц. (5) Результаты экспериментов обобщены в виде режимных карт в координатах B(We), We(Ca), We(Oh) и Re(Oh). Определены критические условия и последствия измельчения капель суспензий с частицами угля. Получены аппроксимационные выражения для прогнозирования положения границ переходов между режимами на картах взаимодействий. (6) Разработаны прогностические физические и математические модели соударений капель, содержащих различные по свойствам материалов твердые частицы различной формы (сфера, куб, треугольник), размеров (50-150 мкм) и концентрации (0-5 масс.%), в газовой среде в условиях интенсивных фазовых превращений и химического реагирования. Учтено поле действия силы тяжести при варьировании указанных параметров для максимального приближения условий соударений к реальным газопарокапельным технологиям. (7) Получены аппрксимационные выражения, позволяющие прогнозировать влияние перечисленных факторов на исходы взаимодействий. (8) Определены критериальные зависимости и выражения для прогнозирования влияния эффектов дробления, фрагментации и коагуляции капель, содержащих различные по свойствам материалов твердые частицы. При математической обработке получены выражения для прогнозирования границ перехода от агломерации к разделению растяжением: В=a·We^2-b·We+d, где коэффициенты a, b и d зависят от концентрации частиц в капле, ее формы и размера. (9) Установлено влияние фазовых превращений и физико-химических процессов в газовой среде на условия и характеристики взаимодействия капель, содержащих твердые частицы из разных материалов. Получены математические выражения для описания границ переходов между режимами соударений с учетом температуры газовоздушной среды: B=We^2·2.98·T^(-1.04)·10^(-4)+(0.026·ln(T)+0.0589)·We+0.709·T+3.96. (10) Установлены отличия характеристик взаимодействия капель с частицами льда при варьировании температуры жидкости от 20 °C до 80 °C, размеров капель и частиц от 1.5 мм до 9.3 мм и результирующей скорости взаимодействия от 0.2 м/с до 2 м/с. Построены карты режимов столкновения частиц с каплями в координатах В(We), We(Oh), We(Ca) и Bo(Δ). Представлена схема для описания общей концепции применения результатов экспериментов при совершенствовании технологических процессов, базирующихся на соударении капель жидкостей и твердых частиц. (11) Исследования по определению характеристик смешения потоков впрыскиваемых капель, содержащих твердые частицы, показали, что для смешивания капель и частиц в топочных камерах оптимальным является соотношение их размеров более 2 при скорости движения более 4 м/с. Установлены значения скоростей конвекции в каплях до и после их соударений, вихревые контуры различного размера и в разных сечениях капель. Результаты исследований представляют интерес для развития технологий вторичного измельчения капель топливных композиций. (12) Результаты исследований опубликованы в высокорейтинговых международных журналах: Microgravity Science and Technology; Interfacial Phenomena and Heat Transfer; Thermal Science and Engineering Progress; International Journal of Heat and Mass Transfer; Appl. Sci.; Experimental Thermal and Fluid Science; Energies; Journal of Applied and Computational Mechanics; Defence Technology и др. (13) Выполнена апробация результатов исследований на ведущих всероссийских и международных конференциях: Восьмая Российская национальная конференция по теплообмену; XXVI Всероссийский семинар с международным участием по струйным, отрывным и нестационарным течениям; XXXVIII Сибирский теплофизический семинар; Международная конференция по Прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли; VII Всероссийская научная конференция "Теплофизика и физическая гидродинамика"; I Всероссийская научная конференция с международным участием «Енисейская теплофизика — 2023»; XXIV Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика А.И. Леонтьева. (14) С использованием разработанных экспериментальных методик и спроектированных стендов разработан лабораторный практикум «Экспериментальные и теоретические исследования взаимодействий элементов многофазных потоков» для проведения лабораторных работ у магистрантов и аспирантов, обучающихся по направлениям «Механика жидкости, газа и плазмы», «Теплофизика и теоретическая теплотехника», «Промышленная теплоэнергетика». (15) По результатам выполнения исследований членами проекта подготовлены кандидатские (Ткаченко Павел Петрович, Керимбекова Сусанна Александровна) и магистерская (Подгорная Елизавета Романовна) диссертации. (16) Получены 2 свидетельства (№ 2022684900 и № 2022684916) о государственной регистрации программ для ЭВМ. Программы предназначены для расчета характеристик: (1) процессов взаимодействия капель и частиц, (2) процессов взаимодействия капель суспензий. (17) Подготовлены и направлены на экспертизу заявки на патентование (1) способа получения композиционного топлива (повышение полноты смешения компонентов) и (2) способа измельчения капель топлива (повышение эффективности измельчения капель топлива непосредственно в реакционной камере котельной установки без использования дополнительного оборудования). (18) Подготовлен итоговый отчет о выполнении экспериментальных и теоретических исследований по проекту.

Публикации

1. Антонов Д.В., Федоренко Р.М., Стрижак П.А. TWO-DIMENSIONAL SIMULATION OF COLLISION BETWEEN LIQUID DROPLET: DETERMINING THE CONDITIONS OF INTENSE SECONDARY ATOMIZATION Interfacial Phenomena and Heat Transfer, 10(1), 67-73 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1615/InterfacPhenomHeatTransfer.2022044204

2. Антонов Д.В., Федоренко Р.М., Стрижак П.А. Математическое моделирование процесса формирования вторичных фрагментов при соударениях капель жидкостей ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 96, № 1, С. 19-29 (год публикации - 2023)

3. Антонов Д.В., Федоренко Р.М., Стрижак П.А. 2D Planar Simulation of Collisions between Liquid Droplets and Solid Particles in a Gas Journal of Applied and Computational Mechanics, 9(3), pp. 678–694 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.22055/jacm.2022.41832.3819

4. Исламова А.Г., Кропотова С.С., Стрижак П.А. Research into Energy Production from the Combustion of Waste-Derived Composite Fuels Energies, 15, 5660 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/en15155660

5. Исламова А.Г., Кропотова С.С., Шлегель Н.Е., Стрижак П.А. The collisions of droplets and particles at the different initial temperatures International Journal of Heat and Mass Transfer, 196(123301) (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123301

6. Исламова А.Г., Ткаченко П.П., Павлова К.А., Стрижак П.А. Interaction between Droplets and Particles as Oil–Water Slurry Components Energies, 15,8288 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/en15218288

7. Исламова А.Г., Ткаченко П.П., Стрижак П.А. Interaction of water droplets with pyrolyzing coal particles and tablets Defence Technology, - (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.dt.2023.03.013

8. Исламова А.Г., Ткаченко П.П., Шлегель Н.Е., Кузнецов Г.В. Effect of Liquid Properties on the Characteristics of Collisions between Droplets and Solid Particles Applied Sciences (Switzerland), 12,10747 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/app122110747

9. Исламова А.Г., Ткаченко П.П., Шлегель Н.Е., Стрижак П.А. Effect of surface roughness of solid particles on the regimes and outcomes of their collisions with liquid droplets Experimental Thermal and Fluid Science, 142, 110829 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2022.110829

10. Исламова А.Г.,Ткаченко П.П., Шлегель Н.Е., Кузнецов Г.В. Secondary Atomization of Fuel Oil and Fuel Oil/Water Emulsion through Droplet-Droplet Collisions and Impingement on a Solid Wall Energies, V. 16, 1008. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/en16021008

11. Кропотова С.С., Ткаченко П.П., Стрижак П.А. The Effect of Impurities on Water Droplet Collision Regimes and Behavior Microgravity Science and Technology, 34(54), 2022 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1007/s12217-022-09974-z

12. Ткаченко П.П., Исламова А.Г., Шлегель Н.Е., Стрижак П.А. Effect of gas pressure and temperature on the regimes of liquid droplet collisions Interfacial Phenomena and Heat Transfer, 10(1),25-46 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1615/InterfacPhenomHeatTransfer.2022044027

13. Ткаченко П.П., Шлегель Н.Е., Стрижак П.А. Collisions between liquid droplets during the intersection of aerosol flows in a heated gas Thermal Science and Engineering Progress, 34(101425) (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.tsep.2022.101425

14. Антонов Д.В., Стрижак П.А., Федоренко Р.М. Расчет характеристик взаимодействия капель и частиц -, 2022684900 (год публикации - )

15. Антонов Д.В., Стрижак П.А., Федоренко Р.М. Расчет характеристик взаимодействия капель суспензий -, 2022684916 (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
Полученные результаты экспериментов и численного моделирования соударения капель жидкости, содержащих твердые частицы, с частицами, подложками, каплями и газовоздушными струями целесообразно использовать при модернизации и оптимизации работы промышленных аппаратов мокрой очистки воздуха и газов. Предложены схемы организации эффективных условий улавливания твердых частиц каплями жидкости для практических приложений. Разработанные рекомендации практического использования полученных экспериментальных результатов позволяют обосновать выбор основных (начальные размеры капель в потоке, их температура, скорость движения и компонентный состав) параметров технологического оборудования (распылительных систем, нагревателей, сушилок, газоочистных установок и других блоков) для реализации технологий размораживания сыпучих сред газопарожидкостными потоками, очистки поверхностей газопарокапельными смесями, технологии создания теплоносители на базе уходящих дымовых газов и парокапельных потоков.