Исследование компонентного состава и интегральных характеристик вторичных фрагментов при слиянии и распаде капель жидкостей в газовой среде

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 21-71-10008

НазваниеИсследование компонентного состава и интегральных характеристик вторичных фрагментов при слиянии и распаде капель жидкостей в газовой среде

Руководитель Волков Роман Сергеевич, Кандидат технических наук

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

Конкурс №61 - Конкурс 2021 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; 01-311 - Гидромеханика многофазных сред

Ключевые слова капли; вторичное измельчение; микро-взрыв; топлива; эмульсии; суспензии; вторичные капли; компонентный состав; оптические методы регистрации

Код ГРНТИ30.17.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Большинство исследований в области первичного и вторичного измельчения капель жидкостей направлено на экспериментальное изучение параметров процессов, влияющих на распад капель и основные режимы их протекания. Основное внимание традиционно уделяется влиянию на процессы измельчения капель скоростей их движения и размеров, температуры жидкости и окружающей среды и др., а также установление зависимостей характеристик измельчения от безразмерных критериев (чисел Вебера, Онезорге, Рейнольдса, капиллярности и др.) и безразмерных параметров взаимодействия (линейных и угловых). Однако пока не получены результаты экспериментальных и теоретических исследований, на основе которых можно было бы сформулировать представления о механизмах смешения горючего и негорючего компонентов в высокотемпературной газовой среде. Это обусловлено большими сложностями регистрации компонентного состава двух- и многожидкостных капель. Отсутствие методик и результатов экспериментов, а также соответствующих математических моделей процессов смешения ограничивает возможности прогнозирования группы факторов, являющихся определяющими для процесса смешения капель, а также влияющих на компонентный состав последних (концентрация отдельных компонентов капель) после взаимодействия (столкновений или распада). В связи с этим в рамках настоящего проекта планируется изучение характеристик вторичных фрагментов, образующихся при различных (наиболее часто применяемых в практических приложениях) схемах разрушения исходных капель: за счет столкновения неоднородных капель друг с другом (технологии распылительной сушки, столкновение капель в камерах сгорания котлов на жидком топливе), при взаимодействии с твердой поверхностью (капельное охлаждение, нанесение спецпокрытий на поверхности, двигатели внутреннего сгорания) и встречным потоком воздуха (например, при тушении пожаров, когда аэрозольный поток огнетушащего состава тормозится встречным потоком воздуха), а также при микро-взрывном распаде (зажигание топлив, термическая очистка жидкостей, импульсная сушка). В ходе выполнения исследований основное внимание будет уделено следующим основным аспектам: (1) изучение количества, размеров, скоростей движения вторичных фрагментов, их компонентного состава (с использованием специальных трассирующих частиц и красителей); (2) исследования как предварительно подготовленных топливных суспензий и эмульсий, так и не перемешанных многокомпонентных капель; (3) численное исследование влияния группы определяющих факторов на такие характеристики вторичных капель как размеры, скорости, температуры, кинетическая энергия, формы, концентрации, а также компонентный состав. В рамках проекта РНФ 18-71-10002 получена фундаментальная база в области изучения условий и характеристик соударений капель жидкостей между собой. Показано, что соударения целесообразно использовать в системах вторичного измельчения капель, но при этом другие схемы измельчения могут быть гораздо эффективнее. Поэтому предстоит сравнить все интегральные характеристики вторичных капель жидкостей с учетом главного аспекта – их компонентного состава, т.е. интенсивности перемешивания и разделения капель. Актуальность темы проекта связана с масштабностью применения технологий, в которых используются многокомпонентные аэрозольные потоки: термическая и огневая очистка воды и других жидкостей от нерегламентированных примесей, термическая сушка, теплообменные технологии испарения и конденсации в теплоэнергетических трактах, узлах, блоках, агрегатах и др. Так, например, в технологиях зажигания композиционных топлив (КЖТ) для снижения вероятности угасания факела в топке важен анализ соотношения воды и горючего компонента. По компонентному составу можно также судить об эффективности термической очистки и процесса сушки. При этом необходимо отметить, что основное ограничение применения многокомпонентных потоков – сложность в прогнозировании как структуры потока, так и компонентного состава образующихся в результате вторичного дробления капель. Кроме того, научные труды, представленные в высокорейтинговых международных журналах, позволяют сделать вывод о том, что численных и экспериментальных исследований фазовых превращений недостаточно для прогнозирования последствий процессов образования облака мелких капель в указанных технологиях. В связи с этим целесообразным является исследование таких процессов с учетом взаимодействия капель по каждой из перечисленных выше схем (в связи с тем, что каждой технологии соответствует определенная схема получения капельного аэрозоля). В заявке рассмотрены основные причины, сдерживающие создание адекватных моделей и получение соответствующих достоверных экспериментальных данных, и сформулированы пути решения данной проблемы. Цель проекта заключается в определении по результатам экспериментальных и теоретических исследований компонентного состава и интегральных характеристик вторичных фрагментов при столкновении неоднородных капель перспективных топлив, эмульсий и суспензий друг с другом, их взаимодействии с твердой стенкой и с набегающим встречным потоком воздуха, а также микро-взрывном распаде. Такие исследования позволят комплексно изучить процессы смешения капельных потоков и прогнозировать характеристики вторичных капель (размеры, скорости, форма, температура, компонентный состав, концентрации и др.) в условиях, аналогичных реальным практическим приложениям, а также в условиях различных механизмов подвода энергии, соответствующих перспективным ресурсосберегающим технологиям. Научная новизна планируемых исследований заключается в том, что впервые будут установлены такие характеристики вторичных капель как компонентный состав, размеры, скорости, форма, температура и др. для всех наиболее распространённых схем вторичного измельчения: дробление за счет бинарных столкновений исходных капель, дробление встречным потоком воздуха, дробление о твердую стенку, микро-взрывное дробление. Исследования будут проведены с применением высокоскоростной видеорегистрации и современных оптических бесконтактных методов: Particle Image Velocimetry, Stereo Particle Image Velocimetry, Micro Particle Image Velocimetry, Tomo Particle Image Velocimetry, Planar Laser Induced Fluorescence, Particle Tracking Velocimetry, Interferometric Particle Imaging, Shadow Photography, Laser Induced Phosphorescence, 2Color Laser Induced Fluorescence. Использование в исследованиях таких методов позволит контролировать форму, размеры, компонентный состав, температурное поле, скорости и траектории движения как одиночных капель, так и их групп. Основные ожидаемые результаты проекта: - будет разработана группа экспериментальных методик (проведение экспериментов на стендах, позволяющих изменять температуру жидкости, газовой среды; варьировать процентное соотношение компонентов жидкостей) и моделей с возможностью последующего их применения в условиях использования суспензионных топлив; - будут установлено по результатам экспериментальных исследований влияние группы факторов и отдельных параметров (температура жидкости, температура газовой среды, концентрация компонентов, дисперсность капельных потоков, скорость и размеры исходных капель и др.) на характеристики вторичных капель (их размеры, температуру, скорости движения, компонентный состав); - будет сформирована база (по результатам экспериментальных и теоретических исследований) значений характеристик процессов дробления капель перспективных топливных композиций, эмульсий и суспензий, приводящих к образованию облака вторичных фрагментов при разных схемах измельчения (столкновение капель друг с другом, дробление капель о твердую стенку, разрушение встречным потоком воздуха, микро-взрывной распад капель) и подводах энергии (схема с кондуктивным, конвективным, радиационным и смешанным теплообменом); - будут определены наиболее эффективные условия измельчения капель водных композиций с акцентом на развитие существующих перспективных газопарокапельных технологий; - будут разработаны математические модели исследованных процессов с учетом обработки полученных при проведении экспериментальных исследований результатов для многокомпонентных капель; - будут сформулированы практические рекомендации по настройке основных параметров распыления многокомпонентных потоков для широкой группы газопарокапельных приложений (в частности, рекомендации, направленные на получение потока с необходимым компонентным составом).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ