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

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

Публикации

1. Войтков И.С., Волков Р.С., Стрижак П.А. Temperature and Velocity of the Gas–Vapor Mixture in the Trace of Several Evaporating Water Droplets Journal of Heat Transfer, 2019. V. 141. No 011502. P. 1–12 (год публикации - 2019)
10.1115/1.4041556

2. Войтков И.С., Высокоморная О.В., Пискунов М.В., Шлегель Н.Е. The main reasons of rebound, coagulation, and explosive disintegration of the liquid drops in gas-vapor-droplet streams Matec Web of Conferences, 2018, V. 194, No 01067. P. 1-5 (год публикации - 2018)
10.1051/matecconf/201819401067

3. Антонов Д.В., Беллетре Ж., Тарлет Д., Массоли П., Высокоморная О.В., Пискунов М.В. Impact of Holder Materials on the Heating and Explosive Breakup of Two-Component Droplets Energies, 2018. V. 11 (12). No 3307. P. 1–17 (год публикации - 2018)
10.3390/en11123307

4. Шлегель Н.Е., Стрижак П.А. Характеристики "отскока" взаимодействующих капель воды / Characteristics of "bounce" of interacting water droplets Журнал технической физики / Technical Physics, 2019. том 89, вып. 6. С. 856-861 / 2019. No 6. (год публикации - 2019)

5. Высокоморная О.В., Ребров А.К., Стрижак П.А., Шлегель Н.Е. Сравнительный анализ режимов взаимодействия двух капель и большой совокупности последних в составе аэрозольного облака / Comparative analysis of interaction modes of two droplets and of a large population in an aerosol cloud Доклады академии наук. Механика / Doklady Physics, 2019. Т. 485, № 1. С. 38–43 / 2019, Vol. 64, No. 3, pp. 97–101 (год публикации - 2019)
10.1134/S1028335819030030

6. Высокоморная О.В., Шлегель Н.Е., Стрижак П.А. Interaction of Water Droplets in Air Flow at Different Degrees of Flow Turbulence Journal of Engineering Thermophysics, 2019. V. 28, No 1. P. 1–13 (год публикации - 2019)
10.1134/S1810232819010016

7. Кузнецов Г.В., Ребров А.К., Стрижак П.А., Шлегель Н.Е. Влияние углового и линейного параметров взаимодействия капель воды разной формы на характеристики их столкновений / Impact of angle and linear interaction parameters on the collisions of the water drops with different shape Прикладная механика и техническая физика / Journal of Applied Mechanics and Technical Physics (год публикации - 2019)

8. Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Столкновения капель жидкости разной формы в газовом потоке / Collisions between liquid drops of various shapes in a gas flow Письма в ЖТФ / Technical Physics Letters, 2019, том 45, вып. 6. C.23-26 / 2019, Vol. 45, No. 3, pp. 267–270 (год публикации - 2019)
10.21883/PJTF.2019.06.47494.17497

9. Антонов Д.В., Стрижак П.А. Heating, evaporation, fragmentation, and breakupof multi-component liquid droplets when heatedin air flow Chemical Engineering Research and Design, V. 1 4 6. P. 22–35 (год публикации - 2019)
10.1016/j.cherd.2019.03.037

10. Г.В. Кузнецов, Н.Е. Шлегель, Я. Соломатин, П.А. Стрижак Combined techniques of secondary atomization of multi-component droplets Chemical Engineering Science, 209 (2019) 115199 (год публикации - 2019)
10.1016/j.ces.2019.115199

11. Я. Соломатин, Н.Е. Шлегель, П.А. Стрижак Atomization of promising multicomponent fuel droplets by their collisions Fuel, 255 (2019) 115751 (год публикации - 2019)
10.1016/j.fuel.2019.115751

12. Ярослав Соломатин, Никита Шлегель, Павел Стрижак Secondary atomization of firefighting liquid droplets by their collisions Atomization and Sprays, 29(5):429–454 (2019) (год публикации - 2019)
10.1615/AtomizSpr.2019030766

13. Антонов Д.В., Высокоморная О.В., Пискунов М.В., Федоренко Р.М., Yan W.M. Influence of solid nontransparent inclusion shape on the breakup time of heterogeneous water drops International Communications in Heat and Mass Transfer, 2019. Vol. 101. pp. 21–25 (год публикации - 2019)
10.1016/j.icheatmasstransfer.2018.12.009

14. Шлегель Н.Е., Стрижак П.А., Волков Р.С. Collision Behavior of Heterogeneous Liquid Droplets Microgravity Science and Technology, 2019. Vol. 31. pp. 487–503 (год публикации - 2019)
10.1007/s12217-019-9702-5

15. Шлегель Н.Е., Стрижак П.А., Соломатин Я.С. Experimental research into the characteristics of child droplets formed due to collisions of liquid fragments in a gas Powder Technology, 2020. Vol. 363. pp. 122–134 (год публикации - 2020)
10.1007/s12217-019-9702-5

16. Демидович А.В., Кропотова С.С., Пискунов М.В., Шлегель Н.Е., Высокоморная О.В. The Impact of Single- and Multicomponent Liquid Drops on a Heated Wall: Child Droplets Applied Sciences, 2020. Vol. 10., 942 (год публикации - 2020)
10.3390/app10030942

17. Шлегель Н.Е., Ткаченко П.П., Стрижак П.А. Influence of viscosity, surface and interfacial tensions on the liquid droplet collisions Chemical Engineering Science, 2020. Vol. 220, 115639 (год публикации - 2020)
10.1016/j.ces.2020.115639

18. Д.В. Антонов, Г.В. Кузнецов, П.А. Стрижак Математическое моделирование процессов тепломассопереноса при движении капель жидкости в газовой среде в условиях интенсивных фазовых превращений и трансформации поверхности Инженерно-физический журнал / Journal of Engineering Physics and Thermophysics (год публикации - 2020)

19. Пискунов М.В., Шлегель Н.Е., Стрижак П.А. EFFECTS OF TARGET AND PROJECTILE PARAMETERS ON COLLISION CHARACTERISTICS OF WATER DROPLETS Atomization and Sprays, Vol. 30 (3). Pp. 171-187 (год публикации - 2020)
10.1615/AtomizSpr.2020033799

20. Ткаченко П.П., Шлегель Н.Е., Волков Р.С., Стрижак П.А. Experimental study of miscibility of liquids in binary droplet collisions Chemical Engineering Research and Design, Vol. 168. Pp. 1-12 (год публикации - 2021)
10.1016/j.cherd.2021.01.024

21. Ткаченко П.П., Шлегель Н.Е., Стрижак П.А. Collisions of water droplets in the high-temperature air International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 170. Article number 121011 (год публикации - 2021)
10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121011

22. Войтков И.С., Шлегель Н.Е., Высокоморная О.В. Duration of Periods of Temperature Decreasing in the Wake of a Time-Discrete Flow of Water Droplets Moving through High-Temperature Gases Journal of Engineering Thermophysics, No. 2., Vol. 29. Pp. 267–278. (год публикации - 2020)
10.1134/S1810232820020095

23. Высокоморная О.В., Кропотова С.С., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Коагуляция, дробление и фрагментация капель жидкостей в многофазных и многокомпонентных газопарокапельных средах Издательство Сибирского отделения Российской Академии наук, Новосибирск, 532 с. (год публикации - 2021)

24. Пискунов М.В., Шлегель Н.Е., Кралинова С.С., Ткаченко П.П., Высокоморная О.В. Interaction times of homogeneous and heterogeneous droplets in gases Thermal Science (год публикации - 2021)

25. Шлегель Н.Е., Ткаченко П.П., Стрижак П.А. Collision of water droplets with different initial temperatures Powder Technology, Vol. 367, Pp. 820-830 (год публикации - 2020)
10.1016/j.powtec.2020.04.017

26. Демидович А.В., Кралинова С.С., Ткаченко П.П., Шлегель Н.Е., Волков Р.С. Interaction of Liquid Droplets in Gas and Vapor Flows Energies, Vol. 12. Article number 4256. (год публикации - 2020)
10.3390/en12224256

27. Высокоморная О.В., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А., Шлегель Н.Е. Influence of the Concentration of Water Droplets in an Aerosol Cloud on the Characteristics of their Collisional Interaction Journal of Engineering Physics and Thermophysics, No. 2, Vol. 93. Pp. 298-309 (год публикации - 2020)
10.1007/s10891-020-02121-8

28. Г.В. Кузнецов, М.В. Пискунов, Н.Е. Шлегель, П.А. Стрижак Experimental research of the vapor zone between two coalescing droplets of heated water International Communications in Heat and Mass Transfer, V. 126, Article number 105410 (год публикации - 2021)
10.1016/j.icheatmasstransfer.2021.105410

29. П.П. Ткаченко, Н.Е. Шлегель, П.А. Стрижак Interaction between droplets of solutions in a heated gaseous medium Powder Technology, V. 390, Pp. 86-96 (год публикации - 2021)
10.1016/j.powtec.2021.05.084

30. Ткаченко П.П., Высокоморная О.В., Стрижак П.А. Effect of concentration of droplets in an aerosol cloud on the number and outcomes of their collisions in a gas medium Atomization and Sprays (год публикации - 2021)

Публикации