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 18-71-10002
НазваниеКоагуляция, дробление и фрагментация капель жидкостей в многофазных и многокомпонентных газопарокапельных средах
Руководитель Стрижак Павел Александрович, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл
Конкурс №30 - Конкурс 2018 года по мероприятию «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; 01-311 - Гидромеханика многофазных сред
Ключевые слова капли жидкости; коагуляция; фрагментация; дробление; многофазные потоки; многокомпонентные среды; кросскорреляционные методы; высокоскоростная видеорегистрация; моделирование
Код ГРНТИ30.17.33
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Актуальность темы проекта обусловлена группой факторов. Мировое научное сообщество в большой группе технологий сделало ставку на многофазные и многокомпонентные среды. Такой подход вполне оправдан, так как способствует более высоким экологическим, энергетическим и технико-экономическим характеристикам работы соответствующих агрегатов, блоков, узлов и систем в целом. Например, можно выделить группу технологий, в которых указанные характеристики были увеличены на 20–60% при переходе к многофазных и многокомпонентных газопарокапельным средам: термическая и огневая очистка воды и других жидкостей от нерегламентированных примесей; теплообменные технологии испарения и конденсации в теплоэнергетических трактах, узлах, блоках и агрегатах; теплоносители из дымовых газов, паров и капель воды; зажигание композиционных топлив с исключением эффектов закупоривания форсунок и угасания факела в топочных камерах; распределенная во времени и пространстве подача специализированных газопарокапельных смесей в зону пожара для эффективной локализации и ликвидации в целом. Однако основной проблемой применения многофазных и многокомпонентных газопарокапельных сред остается сложно прогнозируемая структура последних. Распределения капель по скорости и траектории движения, размерам и концентрации изменяются за счет эффектов коагуляции, дробления (полного измельчения родительских капель) и фрагментации (отрыва от поверхности фрагментов жидкости с разными размерами и объемами) капель. Пока не разработаны адекватные математические модели, описывающие достоверно процессы движения отдельных капель в многофазных и многокомпонентных газопарокапельных средах или последних с учетом эффектов взаимодействия капель. В заявке рассмотрены основные причины, сдерживающие создание адекватных моделей и получения соответствующих достоверных экспериментальных данных, и сформулированы пути решения данной проблемы.
Целью проекта является создание таких моделей на основе анализа результатов запланированных экспериментов с применением высокоскоростной (до 100 000 кадров в секунду) видеорегистрации, кросскорреляционных программно-аппаратных комплексов (на базе Actual Flow и DaVis), реализующих оптические высокоточные и малоинерционные методы регистрации скорости, температуры, дисперсности и размеров элементов, других параметров, и программного обеспечения, предназначенного для непрерывного слежения за динамическими объектами (каплями или частицами), контроля их скорости, размеров, конфигурации поверхности.
Научная новизна проекта состоит в том, что запланированы широкомасштабные экспериментальные исследования эффектов коагуляции, дробления и диспергирования капель жидкости с применением высокоскоростной видеорегистрирующей техники, специализированных алгоритмов слежения Tama Automotive и кросскорреляционных оптических методов изучения основных характеристик многофазных сред: Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF), Laser Induced Phosphorescence (LIP), Particle Image Velocimetry (PIV), StereoPIV, MicroPIV, TomoPIV, Interferometric Particle Imagine (IPI), Shadow Photography (SP). Планируется выполнить эксперименты в наиболее типичных (для указанных выше технологий) условиях движения капель в сложных многокомпонентных и многофазных газовых средах. Станет возможным детальное изучение закономерностей влияния группы основных сил (сцепления, поверхностного натяжения, тяжести и аэродинамического сопротивления, подъемной силы, молекулярных, электрического притяжения, Магнуса, турбофореза, термофореза и др.) и эффектов (несферичности, внутренних течений, турбулентности несущей среды, сжимаемости последней, концентрации дисперсной фазы, нестационарности движения, фазовых превращений и др.) на перестраивание (изменение во времени и пространстве) структуры таких сред при коагуляции, дроблении и фрагментации капель. На основе экспериментальных результатов будут разработаны наиболее полные физические и математические модели движения многофазных и многокомпонентных сред и капель в них с учетом эффектов коагуляции, дробления и фрагментации последних.
Основные ожидаемые результаты выполнения проекта:
– информационная база экспериментальных значений основных характеристик процессов движения капель жидкости (с учетом их коагуляции, дробления и фрагментации) в многофазных и многокомпонентных газопарокапельных средах (начиная с потока воздуха и заканчивая смесью дымовых газов с твердыми частицами и воздухом в соответствии с выше изложенными приложениями);
– прогностические физические и математические модели движения капель жидкости в многофазных и многокомпонентных газопарокапельных средах с учетом эффектов коагуляции, дробления и фрагментации капель;
– экспериментальные и теоретические поля скорости, концентрации и температуры капель в многофазных и многокомпонентных газопарокапельных средах с учетом эффектов дробления, фрагментации и коагуляции, а также в целом газопарокапельных сред для изучения режима движения, их структуры, компонентного состава;
– экспериментальные и теоретические зависимости основных характеристик (скорости, вихревые контуры движения, давления, температуры, ламинарный, переходный и турбулентный режимы течения) процессов движения многофазных и многокомпонентных газопарокапельных сред с учетом эффектов дробления, фрагментации и коагуляции капель;
– результаты критериальной обработки экспериментальных и теоретических исследований, обобщающие выражения;
– широкая апробация полученных результатов проектных исследований в виде: статей в высокорейтинговых (1 и 2 квартиль Web of Science) международных (Physics of Fluids, Atomization and Sprays, Mechanica, European Physical Journal B, Experimental Thermal and Fluid Science, International Journal of Multiphase Flow, International Journal of Heat and Fluid Flow, International Journal of Thermal Science, International Journal of Heat and Mass Transfer, Thermal Science) и российских (Доклады РАН, Механика жидкости и газа, Теплофизика и аэромеханика, ПЖТФ, ПЖЭТФ) профильных рецензируемых журналах; докладов на крупных форумах, симпозиумах, семинарах; патентов на изобретения и свидетельств на программные коды;
– монография в престижном издательстве Российской академии наук с основными результатами исследований по проекту;
– кандидатская и магистерские диссертации членов научного коллектива;
– лекционные и учебно-методические материалы для магистрантов и аспирантов, обучающихся по направлениям «Механика жидкости, газа и плазмы», «Теплофизика и теоретическая теплотехника», «Промышленная теплоэнергетика».
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ