Критические условия фрагментации разноразмерных неоднородных капель композиционных топлив в высокотемпературной 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 23-69-10006

НазваниеКритические условия фрагментации разноразмерных неоднородных капель композиционных топлив в высокотемпературной газовой среде

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 №82 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации» (междисциплинарные проекты)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-401 - Энергетические системы на органическом топливе

Ключевые слова многокомпонентные капли, суррогаты, композиционные топлива, фрагментация, паффинг, микро-взрыв, эксперимент, математическое моделирование, температура нуклеации, скорости нагрева

Код ГРНТИ44.31.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Экологические, экономические, энергетические и геополитические проблемы современного мира мотивируют развитие альтернативных топливных технологий. В этой связи все шире сфера применения мультитопливных технологий. Основные преимущества последних базируются на решении группы задач, направленных на уменьшение углеродного следа, замедление исчерпания полезных ископаемых, снижение отходов сырьевого сектора, повышение тепловой мощности, снижение расхода топлив, повышение кпд систем и установок. Композиционные топлива на основе отходов промышленности, бытового сектора, биомассы, растительного сырья и воды, а также различные суррогаты с заменой дорогостоящих углеводородов принято считать перспективной и доступной альтернативой традиционным энергоресурсам для многих государств. Активное использование таких мультитопливных смесей в реальных энергетических установках, наземных и авиационных двигателях сдерживается определенными сложностями распыления в камерах сгорания. Требуется получение мелкодисперсного топливного аэрозоля. Традиционные системы распыления требуют высоких давлений при работе с мультитопливными композициями. Решение данной задачи - интенсификация фрагментации капель топлив непосредственно в камере сгорания. Это возможно за счет перегрева воды в составе неоднородных капель до метастабильного состояния. Для переноса результатов исследований на перспективные суррогаты и композиционные топлива с наличием в составе как жидких, так и твердых горючих компонентов, необходимо определение критических условий стабильной фрагментации капель с применением безразмерных обобщающих комплексов. Такая задача пока не решена в мире. В Томском политехническом университете для двухжидкостных капель установлены предельные температуры перегрева воды, достаточные для вскипания и фрагментации. Установлены предельные размеры родительской капли, до которых она набухает перед фрагментацией. Эти данные сложно перенести на мультитопливные капли без обобщающих критериев. Для их получения необходимо привлечение специалистов из двух организаций-партнеров, указанных в заявке, и проведения междисциплинарного изучения критических условий фрагментации разноразмерных капель композиционных топлив в высокотемпературной газовой среде. Специалисты Института теплофизики УрО РАН имеют опыт изучения начальных условий вскипания сложных систем, сопровождающегося мощным тепловым и механическим откликом, на разномасштабных примерах. Их знания необходимы для описания детального механизма вскипания и фрагментации мультитопливных капель при разных скоростях нагрева. Специалисты Самарского университета имеют большой опыт моделирования распыления и горения перспективных суррогатов и традиционных жидких топлив в камерах сгорания летательных аппаратов и судоходных установок. Руководитель проекта Яновский Л.С. - ученый в области проблем разработки и применения (химмотологии) топлив различного агрегатного состояния в газотурбинных и других двигателях авиационной, морской и наземной техники. По итогу совместных исследований коллективу предстоит описать в виде безразмерных комплексов и выражений интегральные характеристики (времена задержки распада, режим, предельные температуры и др.) и критические условия (перегрев или скорость нагрева, перепад температуры и давления, соотношения концентраций компонентов и др.) вскипания и фрагментации разноразмерных капель композиционных топлив с начальными размерами от уровня нано- до миллиметров.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Д.В. Антонов, С. Тонини, Г.Е. Коссали, В.В. Долгих, П.А. Стрижак, С.С. Сажин Droplet heating and evaporation: A new approach to the modeling of the processes Physics of Fluids, 35, 073311 (год публикации - 2023)
10.1063/5.0158661

2. Д.В. Антонов, Р.М. Федоренко, Л.С. Яновский, П.А. Стрижак Physical and Mathematical Models of Micro-Explosions: Achievements and Directions of Improvement Energies, 16(16), 6034 (год публикации - 2023)
10.3390/en16166034

3. Цапенков К.Д., Кураева Ю.Г., Сидорова Е.И., Штырлов А.Е., Зубрилин И.А. Обзор математических моделей расчета физико-химических свойств оксигенированного углеводородного топлива Физика горения и взрыва (год публикации - 2024)

4. Игольников А.А., Рютин С.Б., Скрипов П.В. Отклик системы твердая поверхность - расслаивающийся раствор при мощном локальном тепловом воздействии. Методология эксперимента Прикладная механика и техническая физика (год публикации - 2024)

5. К.Д. Цапенков, Ю.Г. Кураева, П.А. Стрижак, А.Е. Штырлова, Е.И. Сидорова, И.А. Зубрилин Расчётно-экспериментальное исследование свойств распыла смесевых многокомпонентных топлив, включающих биокомпоненты Химическое и нефтегазовое машиностроение (год публикации - 2024)

6. Высокоморная О.В., Волков Р.С., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Deformation and breakup of droplets of stabilized coal slime fuels interacting with an air jet Advanced Powder Technology, Volume 36, Issue 6, 104887 (год публикации - 2025)
10.1016/j.apt.2025.104887

7. Федоренко Р.М.. Яновский Л.С.. Стрижак П.А. The effect of micro-explosive fragmentation of water-fuel droplets on their spray combustion emissions Fuel, Emulsified water-fuel blends; Micro-explosive fragmentation; Secondary atomization of droplets; Droplets in sprays; Gaseous pollutant emissions; Soot particles (год публикации - 2025)
10.1016/j.fuel.2025.135344

8. Антонов Д.В., Дорохов В.В., Ежов В.М., Яновский Л.С., Стрижак П.А. Effect of adding water to liquid fuel on the kinetic characteristics of its ignition Fuel, Volume 400, 135714 (год публикации - 2025)
10.1016/j.fuel.2025.135714

9. Антонов Д.В., Долгих В.В., Волокитин Д.И., Высокоморная О.В. Micro-explosive fragmentation of composite droplets: The effect of components of the aviation fuel Chemical Engineering Science, Volume 319, 122287 (год публикации - 2026)
10.1016/j.ces.2025.122287

10. К. Виногродский, Н. Шлегель, П. Стрижак Production Phases of Methane and Carbon Dioxide Hydrates Intended for Energy Conversion Industrial & Engineering Chemistry Research , V. 63, Iss. 29, Pp. 12745-12759 (год публикации - 2024)
10.1021/acs.iecr.4c00790

11. Д.В. Антонов, П.А. Стрижак, Л.С. Яновский Puffing/micro-explosion of two-liquid droplets: 2 Effect of fuel shell composition Physics of Fluids, V. 36, article number 062108 (год публикации - 2024)
10.1063/5.0207117

12. Д.В. Антонов, О.В. Высокоморная, Л.С. Яновский, П.А. Стрижак Critical conditions leading to puffing and micro-explosion of composite liquid droplets International Communications in Heat and Mass Transfer, V. 156, article number 107679 (год публикации - 2024)
10.1016/j.icheatmasstransfer.2024.107679

13. М. Эрнандэс Моралес, И.А. Зубрилин, К.И. Вильямовский, Д.В. Антонов, П.А. Стрижак Влияние впрыска капель эмульсии керосин/вода на эксплуатационные и эмиссионные характеристики камеры сгорания авиационного двигателя Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. (год публикации - 2025)

14. А.В. Мелких, П.В. Скрипов Peculiarity of Superheated Hydrocarbons: Jump in Heat Transfer Due to Micro-additives of Moisture International Journal of Thermophysics , V. 45, article number 130 (год публикации - 2024)
10.1007/s10765-024-03427-y

15. Г.В. Кузнецов, П.А. Стрижак, Р.С. Волков, О.В. Высокоморная Surface deformation of moving droplets of slurry fuels Physics of Fluids, V. 36, article number 053332 (год публикации - 2024)
10.1063/5.0199877

16. Д.В. Антонов, Г.В. Кузнецов, Д.С. Разумов, Р.М. Федоренко, Л.С. Яновский, П.А. Стрижак Puffing and micro-explosion effects in composite liquid fuels in different heating arrangements International Journal of Heat and Mass Transfer, V. 223, article number 125273 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.125273

17. А. Мелких, П. Скрипов Composite liquids under high-power heating: superheat of water in micro-explosion of water-in-fuel droplets Journal of Non-Equilibrium Thermodynamics, V. 49, Iss. 4, Pp. 543-554 (год публикации - 2024)
10.1515/jnet-2024-0017

18. А.А. Губин, А.А. Марчукова, И.И. Поволоцкий, Д.В. Волосников Python Processing of Data from a Pulsed Thermophysical Experiment Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, V. 88, No. 9, Зp. 1388–1394 (год публикации - 2024)
10.1134/S1062873824707591

19. Ситдыков А.А., Поволоцкий И.И., Волосников Д.В. Heat-Transfer Coefficient to Pulsed Superheated Aqueous Solution of Boric Acid Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, Volume 89, Issue 11, Pages 2071 - 2077 (год публикации - 2025)
10.1134/S1062873825713194

20. Антонов Д.В., Волокитин Д.И., Высокоморная О.В., Стрижак П.А. A Comparison of Characteristics of Two-Liquid Droplets Fragmentation with a Variable Volatile Compone Industrial & Engineering Chemistry Research, Volume 64, Issue 24, 12293–12308 (год публикации - 2025)
10.1021/acs.iecr.5c00867

21. Федоренко Р.М., Антонов Д.В., Лобасов А.С., Минаков А.В., Стрижак П.А. Mathematical model to predict child droplets sizes during the micro-explosive breakup of a twocomponent droplet Physics of Fluids, Volume 37, Issue 7, 072014 (год публикации - 2025)
10.1063/5.0273237

22. Мелких А.В., Рютин С.Б, Скрипов П.В. Heat Transfer in a Supercritical-Pressure Liquid Under Pulse Heating: Model for a Wide Range of Pressures and Temperatures International Journal of Thermophysics, Volume 46, Issue 10, 159 (год публикации - 2025)
10.1007/s10765-025-03635-0

23. Антонов Д.В., Федоренко Р.М., Высокоморная О.В., Яновский Л.С., Стрижак П.А. The relationship between these temporal characteristics of micro-explosive breakup of water/fuel composite droplets and the ambient gas temperature International Communications in Heat and Mass Transfer, Volume 164, Part A, 108896 (год публикации - 2025)
10.1016/j.icheatmasstransfer.2025.108896

24. Мелких А.В., Рютин С.Б., Антонов Д.В., Скрипов П.В. Short-Term Penetration beyond Diffusion Spinodal of a Mixture: Interaction of Liquid-Liquid and Liquid-Vapour Transitions Frontiers in Heat and Mass Transfer, Volume 23, Issue 3, 721 - 737 (год публикации - 2025)
10.32604/fhmt.2025.066528

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В соответствии с планом работы на 2024 получены все ожидаемые результаты. Основные из них: 1. Созданы экспериментальные методики для изучения микро-взрывной фрагментации капель с несмешивающимися и смешивающимися компонентами, позволяющие учитывать доминирование конвективного, кондуктивного, радиационного, смешанного теплового потока, и основанные на высокоскоростной видеорегистрации нагрева, испарения, фрагментации и зажигания одиночных и совокупности капель, а также спрея с композиционным топливом. 2. Выполнена модернизация экспериментальных стендов и установок для регистрации особенностей и интегральных характеристик микро-взрывной фрагментации при нагреве одиночных и совокупности капель альтернативных топлив: с повышенными интегральными параметрами видеорегистрации, постоянством условий нагрева композиционных капель для сокращения рассева экспериментальных данных; с регистрацией состава формирующихся дымовых газов, а также температуры в камере сгорания при сжигании альтернативного топлива. Поданы заявки на получение патентов «Способ подготовки и сжигания топлива в камере сгорания газотурбинной установки» и «Способ распыливания гетерогенных жидкостей». 3. Получены зависимости, аппроксимационные выражения и режимные карты по результатам проектных исследований на трех типах экспериментальных установок: 3.1. с нагревом капли в пламени спиртовой горелки: закономерности, режимы и характеристики нагрева, испарения и фрагментации композиционных капель 39 составов на базе керосина, алканов, суррогата, дизельного топлива; с разным составом низкокипящего ядра (вода с примесями и без, альтернативные низкокипящие жидкости - спирты, кислоты, фреоны); с добавлением эмульгатора; с применением корректирующих присадок к базовым топливам (осушительная, антиокислительная, противоизносная, промотор воспламенения). 3.2. при одновременном сбросе совокупности капель в высокотемпературную зону. Выявлены отличия реализации режимов фрагментации совокупности капель от дробления одиночных капель за счет возникновением каскадных и коллективных эффектов, проявляющихся в многостадийном дроблении капель и взаимном усилении этого эффекта при столкновениях капель в потоке. Определены оптимальные расстояния между каплями в спрее (L/D0 =2-10) для фрагментации с коллективными и каскадными эффектами. 3.3. при распылении двухжидкостного топлива: получены карты распределения скоростей капель в вертикальной и горизонтальной проекциях при давлении 3–6 атм, зарегистрирована локализация формирующихся вихрей. 4. Выполнено ранжирование исследованных составов топлив с точки зрения эффективности вторичной фрагментации по критериям: времена задержки распада и существования композиционных капель, относительное увеличение площади поверхности испарения; теплота сгорания композиционного топлива. С отобранными по результатам мультикритериального анализа эффективными составами выполнены исследования на стенде, моделирующем движение совокупности капель в высокотемпературной среде, что соответствует условиям нагрева и испарения капель топлив в технологических камерах. 5. На экспериментальной установке «ударная труба» определено влияние соотношения вода/топливо на инерционность воспламенения, скорости движения фронтов горения с добавлением и без воды, кинетические характеристики, физическую и химическую задержку воспламенения. Установлено влияние фрагментации капель топлив на условия их воспламенения. Выполнены оценки эксплуатационных характеристик энергетических установок при работе на альтернативных топливах, выявлены отличия режимов горения жидкого топлива с добавками воды и изопропанола, зарегистрированы характеристики сажеобразования и состав дымовых газов, выполнены мультикритериальные оценки эффективности использования топливных смесей, масштабы влияния воды и изопропанола на экологические, энергетические и эксплуатационные характеристики. 6. Разработаны авторские коды, позволяющие перейти от моделей прогрева и испарения одиночных гетерогенных капель к спреям и аэрозолям в программных продуктах вычислительной гидрогазовой динамики (CFD) с учетом микро-взрывных эффектов. Выполнен сравнительный анализ результатов моделирования горения в технологической камере капель эмульсии вода/топливо и керосина. Разработана математическая модель, позволяющая определить оптимальные расстояния между исходными каплями для наиболее эффективной фрагментации (2–10 диаметров). Получены 3 свидетельства о гос. регистрации программ для ЭВМ с авторскими кодами. 7. Построены карты режимов в безразмерных координатах, описывающие границы перехода между режимами фрагментации композиционных капель, в том числе безводных. Показано, что границы возникновения фрагментации капель безводных составов существенно более узкие относительно водотопливных составов. Результаты экспериментов, моделирования и испытаний обобщены с применением безразмерных критериев, описывающих совместное влияние совокупности свойств и эффектов (Онезорге, Вебера, Кутателадзе, Фурье, авторского критерия микро-взрыва МЕ). 8. Результаты исследований опубликованы в виде 9 статей в международных журналах (“International Journal of Heat and Mass Transfer” (Q1), “International Journal of Heat and Mass Transfer” (Q1), “Physics of Fluids” (Q1, 2 статьи), “Industrial & Engineering Chemistry Research” (Q1), “International Journal of Thermophysics”, “Journal of Non-Equilibrium Thermodynamics”, “Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics”), 2 статьи приняты к опубликованию в журналах «Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение», «Химическое и нефтегазовое машиностроение». 9. Результаты исследований апробированы в виде приглашенных, пленарных, устных, постерных докладов на 19 ведущих всероссийских и международных конференциях, соответствующих научным отраслям всех участников междисциплинарного проекта (механика жидкости, газа и плазмы; теплофизика и теплотехника; химическая физика, горение и взрыв; химические аппараты и технологии; энергетические системы и агрегаты).

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Проведены экспериментальные исследования на стендах с нагревом закрепленных на держателе двухкомпонентных и трехкомпонентных неперемешанных родительских капель при варьировании схемы с доминированием кондуктивного, конвективного, радиационного и смешанного теплообмена для разных групп составов: традиционные углеводородные топлива; масла (растительные; индустриальные); метиловые эфиры жирных кислот, полученные из разных сортов растительного масла; водные растворы предельных спиртов в качестве низкокипящего ядра и топливной оболочкой из традиционного нефтяного топлива, биотоплива, смеси нефтяного и биотоплива; базовый керосин с высокоэнергетическими твердыми добавками; дизельное топливо с жидкими добавками; низкокипящее водяное ядро с газовыми добавками и топливной оболочкой из традиционного нефтяного топлива. Исследования проведены при варьировании температуры нагрева, диаметра родительских капель, соотношения объема ядра и топлива в составе композиционных капель. 2. Выполнены оценки эффективности фрагментации композиционных капель и выявлены наиболее эффективные композиционные составы в каждой из выделенных групп. 3. Исследованы характеристики вторичного распада эмульгированных композиционных капель на основе нефтяных и биотоплив. Исследована седиментационная устойчивость водотопливных эмульсий при использовании разных методик их приготовления (варьирование показателя гидрофильно-липофильного баланса). 4. Выполнены исследования закономерностей и характеристик испарения и фрагментации при движении совокупности капель водотопливных эмульсий в нагревательной камере, в которой параметры первичного распыления соответствовали типичной дисперсности топливного потока в камерах сгорания двигательных и энергетических установок. Выявлены оптимальные для возникновения вторичной фрагментации параметры нагревательной камеры, параметры первичного распыления и свойства топливной композиции. Вычислены вероятности возникновения вторичной фрагментации для разных входных условий. 5. Разработан экспериментальный стенд с впрыском водотопливной эмульсии в камеру сгорания при варьировании давления и температуры газовоздушной среды для регистрации характеристик распыления, испарения и фрагментации полидисперсного потока (количества и характерных размеров вторичных капель). Проведены параметрические исследования. Построена физическая модель взрывного вскипания водотопливных смесей при повышенных давлении и температуре. 6. Проведены экспериментальные исследования на испытательном стенде со сжиганием композиционного топлива в малоразмерной огневой камере, воспроизводящей условия тепломассообмена в камерах сгорания двигательных и энергетических установок. Определено влияние соотношения топливо/воздух на экологические характеристики продуктов сгорания водотопливных эмульсий. 7. Разработаны математические модели для описания процессов достижения критических перегревов на межжидкостных границах композиционных капель с варьированием темпа нагрева для сжигания их в энергетических и двигательных установках. По результатам численных исследований построены карты режимов зажигания и фрагментации композиционных капель в безразмерных координатах. 8. Разработана комплексная тепловая и гидродинамическая модель, с использованием которой выполнены численные исследования для прогнозирования последствий микро-взрывной фрагментации двухжидкостных капель. Установлены зависимости распределения характерных размеров вторичных фрагментов, образовавшихся в результате вторичной фрагментации, от размера родительской капли. 9. Создана математическая модель, позволяющая прогнозировать скорость испарения капель топлив для широкого диапазона значений физико-химических свойств горючих жидкостей. С использованием разработанной модели показано снижение удельного содержания в продуктах сгорания водотопливных эмульсий оксидов азота и монооксида углерода в сравнении с традиционными способами сжигания топлив. 10. Определены критические для возникновения фрагментации подводимые тепловые потоки и достижимые температуры перегрева с использованием наиболее перспективных по результатам мультикритериальной оценки композиционных топливных составов. Получено прогностическое выражение, позволяющее устанавливать функциональные связи между выходными и входными параметрами, а также количество, размеры, скорости движения, энергию импульса вторичных капель в формирующемся спрее. 11. Выполнены численные исследования по впрыску и сжиганию наиболее перспективных по результатам мультикритериальной оценки композиционных топливных составов в камеру сгорания газотурбинных двигателей для определения рациональных, с энергетической точки зрения, режимов их эксплуатации при работе на альтернативных композициях. Сформулированы рекомендации для обеспечения условий устойчивой работы авиационных двигателей при впрыске топлива с водой. 12. Проведены исследования работы камеры сгорания испарительного типа для газотурбинного двигателя, а также эксперименты и расчеты кинетики окисления на стенде с «ударной трубой» альтернативных трехкомпонентых образцов топлив. Получены значения характерных времен задержки фрагментации капель, удельной массы формирующегося при сжигании топлива нагара. 13. Выполнено обобщение экспериментальных данных о режимах и характеристиках вторичной фрагментации композиционных капель. Результаты обобщения представлены в виде карт режимов фрагментации для разных групп топливных композиций. Обобщение экспериментальных данных в безразмерном виде выполнено в форме дополненных режимных карт, устанавливающих соответствие между критерием Онезорге и авторским критерием микро-взрыва ME, характеризующим степень перегрева внутренней границы раздела ядро/топливо. 14. Результаты исследований опубликованы в виде 10 статей в международных и российских журналах, из них 7 статей – в журналах 1 квартиля Web of Science). 15. Результаты исследований апробированы в виде пленарного и устных докладах на 14 ведущих всероссийских и международных конференциях. Файл с дополнительными материалами научного отчёта по проекту за 2025 год размещён по ссылке https://cloud.tpu.ru/index.php/s/BzH5YZQBtt75GzN

Публикации