Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Созданы три разномасштабных экспериментальных стенда для изучения механизмов фрагментации различных композиций (суспензий, эмульсий, двухжидкостных капель и слоев) в условиях микроволнового нагрева с генерируемой мощностью до 2200 Вт: первый стенд предназначен для прогнозирования необходимых критических условий и последствий микровзрывного распада в условиях эффективного микроволнового нагрева небольших экспериментальных образцов (до 10 мл) в виде слоя и изолированных гетерогенных капель; второй стенд предназначен для микроволнового нагрева свободнопадающих гетерогенных капель жидкостей, где качестве источника микроволнового излучения используется магнетрон (мощность 1000 Вт, частота 2.45 ГГц), а в качестве направляющей электромагнитного излучения используется алюминиевый прямоугольный волновод BJ22 (R22 в соответствии с IEC 60153-2:2016); третий стенд представляет собой полупромышленную установку камерного типа для микроволнового нагрева гетерогенных жидкостей в виде спреев и аэрозолей с магнетронным СВЧ генератором (мощность до 3 кВт и частота 2455 МГц). 2. Адаптированы методики приготовления суспензий, эмульсий, двухжидкостных капель с варьированием ключевых свойств в широких диапазонах для изучения их раздельного влияния на критерии распада: двухжидкостные капли формировались с помощью двух электронных дозаторов Finnpipette Novus (шаг варьирования генерируемого объема 0.1 мл); гетерогенные слои жидкостей формировались в лабораторной светопрозрачной кювете объемом до 2 мл и объемных соотношениях жидкостей 9:1, 7:3, 1:1, 3:7, 1:9; для генерации свободнопадающих гетерогенных капель использовалось двухжидкостное сопло; для приготовления суспензий с микроволновыми поглотителями (Al/Fe 0-1%) и эмульсий с поверхностно-активными веществами (ОП-7 и Tween 80) использовался лабораторный шейкер ЭКРОС-6500 с возвратно-поступательными колебаниями с частотой 200 л/мин; для генерации двухжидкостного спрея спроектирована пневматическая форсунка с двумя независимыми каналами для подачи воды и топлива. 3. Установлены времена задержки микровзрывного распада для двухжидкостных капель на основе трех горючих компонентов: сырое талловое масло, очищенное талловое масло, керосин ТС-1 при варьировании начальных размеров капель и температуры газовой среды. Благодаря эффектам микровзрывного распада можно снизить времена существования капель более чем в 20 раз. Зарегистрирован рост площади свободной поверхности жидкости более чем в 70 раз. Эти результаты обосновали целесообразность применения микровзрывного измельчения капель на основе сырого таллового масла в реакторах для получения синтез-газа. Установлены фундаментальные знания о механизмах микровзрывного вскипания двухжидкостных капель и слоев в условиях микроволнового нагрева для управления распадом капель в камерах сгорания газотурбинных двигателей и химических технологиях. Выявлены закономерности между временем задержки микровзрыва и рядом внешних и внутренних факторов, определяющих интенсивность распада капель, включая начальный радиус капель, объемную долю воды и компонентный состав капель. Экспериментальные исследования проведены при варьировании напряженности электромагнитного поля при микроволновом нагреве, соотношениях концентраций компонентов композиционных капель в диапазонах от 20 кВ/м до 40 кВ/м и от 0% до 100%. Установлено, что добавление микроволновых поглотителей на примере алюминия и железа в состав жидкостей приводит к сокращению времени задержки зарождения первых паровых пузырей. При воздействии микроволнового излучения в двухжидкостном потоке вода/масло регистрируется интенсивная фрагментация жидкостей с последующим образованием мелких вторичных капель. 4. Сформулирована методика расчета баланса энергий, необходимых и достаточных для реализации режимов паффинга и микровзрыва двухжидкостных капель при их интенсивном прогреве. Определены диапазоны изменения времени процессов прогрева, испарения, интенсивной фрагментации и механического переноса вторичных капель с последующими каскадными эффектами. Сформирована база данных по характеристикам микроволнового нагрева пленок и капель жидкостей (неперемешанных составов, суспензий, эмульсий), из которой следует, что с ростом микроволнового теплового потока и неизменной массы жидкостей закономерно снижается расчетное значение числа Фурье, при этом увеличивается расчетное значение числа Био. Выведен авторский безразмерный критерий взрывного вскипания пленок жидкостей при микроволновом нагреве, зависящий от времени микроволнового воздействия, микроволнового теплового потока, объема гетерогенных жидкостей, их температуропроводностей и плотностей. Безразмерный анализ и обобщение результатов проведённых экспериментальных исследований двухжидкостного распыла в условиях микроволнового нагрева подтвердил определяющую роль таких критериев подобия, как число Вебера, Рейнольдса и Онезорге для количественного описания характеристик распада двухжидкостной струи на капли. 5. Разработаны разномасштабные математические модели критических условий микровзрывного распада в условиях микроволнового нагрева. Процессы теплопереноса слоев несмешивающихся жидкостей описывались нестационарным уравнением теплопроводности. Механизм реализации микровзрывной фрагментации двухжидкостных капель связан с достижением на границе раздела компонентов температуры взрывного вскипания воды. Перегретая вода испаряется, образуя паровую прослойку с повышенным внутренним давлением. На следующем этапе капля быстро увеличивается в размерах вследствие роста паровых пузырей. Далее при превышении внутренних сил, действующих на каплю, главным образом со стороны давления пара над внешними силами происходит ее распад на вторичные фрагменты. Динамика фазового разделения в каплях эмульсий, содержащих разного рода поверхностно-активные вещества, исследована с помощью нестационарной модели фазового поля. Разработанные математические модели реализованы в коммерческих программных кодах MATLAB, Ansys Fluent и COMSOL Multiphysics. 6. Подготовлены и зарегистрированы два свидетельства о государственной регистрации программного обеспечения: 6.1. Определение времени задержки взрывной фрагментации композиционных капель топлива при микроволновом нагреве. Свидетельство № 2025661625 от 08.05.2025 г. 6.2. Определение времени задержки взрывной фрагментации композиционных слоев топлива при микроволновом нагреве. Свидетельство № 2025661626 от 08.05.2025 г.