Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Все запланированные работы на первый год выполнены. Основные результаты приводятся ниже: 1. Разработаны и приготовлены перспективные стабилизирующие добавки (эмульгаторы) со свойствами антигеля для обеспечения высокой эффективности топлива даже при его низких и отрицательных начальных температурах. В опытах образцы микроэмульгированного топлива оставались термически стабильными при температурах термостатирования от 73°С до -21°С, т.е. до температуры помутнения зимнего дизельного топлива, использованного в работе. Образец оптимальной вододизельной топливной микроэмульсии с шириной температурного диапазона термической стабильности около 86°С был приготовлен при ДТ/В (дизель/вода)=9/1, ПАВ/со-ПАВ=9/1 (ПАВ: Неонол АФ 9-6, со-ПАВ: 2-этилгексанол) и концентрации эмульгатора около 28 % об. 2. Разработаны методики определения наиболее перспективных образцов стабилизирующих добавок с точки зрения гибкости управления и контроля их свойствами и микро-эмульгированных топлив, способных функционировать при понижении температуры значительно ниже комнатной. Определены и проанализированы зависимости температурных диапазонов стабильности микроэмульсий от содержания в них эмульгатора. На текущей стадии исследования были предложены, рассмотрены и проанализированы несколько методов регулирования стабильности топливных микроэмульсий в относительно широком диапазоне температур (от -21°С до +73°С). Среди них применение различных спиртов в качестве со-ПАВ; варьирование соотношений ПАВ/со-ПАВ и ДТ/В, а также использование водно-солевых растворов в качестве дисперсной фазы. Проведено сравнение диапазонов термической стабильности топливных микроэмульсий полученных другими исследователями с результатами настоящей работы. Рассматриваемые микроэмульсионные системы имеют близкие характеристики с точки зрения ширины диапазонов термической стабильности. 3. Выполнен анализ влияния свойств стабилизатора на процесс эмульгирования (получение эмульсий). Установлено, что природа со-ПАВ в условиях увеличения общего количества эмульгатора влияет на температурные диапазоны существования стабильных микроэмульсий незначительно. Добавление со-ПАВ и изменение соотношения ПАВ/со-ПАВ в эмульгаторе позволило контролировать температурные диапазоны существования обратных топливных микроэмульсий. Выявлены характеристические области и точки, соответствующие критическим изменениям свойств микроэмульсий. Результаты проанализированы с точки зрения состава и строения мицелл. Найдены эмпирические зависимости между температурой инверсии фаз и составом мицелл в характеристических областях от относительной доли водной фазы в микроэмульсиях. 4. Выполнен анализ влияния свойств стабилизирующих добавок на вязкость микроэмульсии при варьировании ее начальной температуры. Разработаны образцы эффективно функционирующего при низких температурах микро-эмульгированного топлива. Измерена динамическая вязкость топливных микроэмульсий (т.е. в однофазном состоянии) в широком диапазоне температур термостатирования при концентрациях эмульгатора от ~10 до ~40 % об. Получены распределения вязкости в виде градиентных полей на тройных фазовых диаграммах. Установлено, что при увеличении концентрации эмульгатора вязкость микроэмульсий несколько возрастает при одинаковых температурах термостатирования. Вязкость микроэмульсий сильно зависит от температуры окружающей среды. Показано, что динамическая вязкость микроэмульсий, будучи оставаясь в однофазном состоянии в широком диапазоне температур среды, может изменяться в 13-14 раз. Вязкость топливных микроэмульсий слабо зависит от концентрации эмульгатора и определяется главным образом долей в них водной фазы. Полученные результаты позволяют предположить, что исследуемая область предпочтительно представлена обращенной мицеллярной фазой L2, в которой вода находится в ядрах мицелл, окруженных оболочкой из молекул ПАВ. Наблюдаемый рост вязкости вызван увеличением доли дисперсной (водной) фазы, а также ростом размера мицелл. В опытах образцы микроэмульгированного топлива оставались термически стабильными при температурах термостатирования от 73°С до -21°С, т.е. до температуры помутнения зимнего дизельного топлива, использованного в работе. Образец оптимальной вододизельной топливной микроэмульсии с шириной температурного диапазона термической стабильности около 86°С был приготовлен при ДТ/В=9/1, ПАВ/со-ПАВ=9/1 (ПАВ: Неонол АФ 9-6, со-ПАВ: 2-этилгексанол) и концентрации эмульгатора около 28 % об. 5. Проведен анализ влияния свойств стабилизирующих добавок на характеристики паффинга и микровзрыва капель микроэмульсий, стабильных в широком диапазоне температур среды. Выполнен анализ влияния свойств эмульгатора на характеристики разрушения капель микроэмульсий при использовании таких со-ПАВ как нонанол-1, 2-этилгексанол и изомиловый спирт с длиной главной углеродной цепи 9, 8 и 5, соответственно. Изменения времен существования капель микроэмульсий с добавлением рассматриваемых со-ПАВ незначительны. При использовании различных со-ПАВ изменяется минимальная температура пленочного кипения капель микроэмульсий при их кондуктивном нагреве. Измерены времена фрагментации капель микроэмульсий с добавлением различных со-ПАВ в зависимости от температуры поверхности стенки. Зарегистрированные времена фрагментации характеризуют нестабильность процессов частичного разрушения капель и формирования струй жидкости в ходе их дробления. 6. Изучены характеристики взрывного разрушения капель микроэмульсии при варьировании температуры нагрева и способа подвода теплоты. Для капель вододизельных микроэмульсий исследованы гидродинамические режимы взаимодействия с разогретой твердой стенкой и построены соответствующие режимные карты с выделением определяющих соотношений сил инерции, вязкости (внутреннего трения) и поверхностного натяжения. Установлены критические значения чисел Вебера и Рейнольдса, соответствующие переходам между режимами взаимодействия: осаждение (включая растекание и стекание), термическое разрушение, отскок. Выполнено сравнение режимов взаимодействия капель микроэмульсий, зимнего дизельного топлива и дистиллированной воды. Это сравнение показало, что возникновение трех гидродинамических режимов для капель микроэмульсий обусловлено природой водной фазы. Для определения влияния температуры нагрева на гидродинамические режимы построены карты с указанием пороговых температур. Для установления параметров взаимодействия, определяющих режим термического разрушения капель микроэмульсий, проведены эксперименты при постоянной температуре поверхности подложки и различных диаметрах и скоростях капель перед взаимодействием. Установлено, что переход к режиму термического разрушения капель вододизельных микроэмульсий не может быть показан лишь с помощью числа Вебера, который, как правило, характеризует процесс разрушения капли, обусловленный силами инерции. Большое влияние оказывают силы вязкости, которые судя по всему и характеризуют переход гидродинамических режимов. Установлены количественные характеристики гидродинамического дробления капель топливных микроэмульсий при их взаимодействии с разогретой стенкой. Проанализированы времена существования и задержки зажигания капель рассматриваемых топливных микроэмульсий. Сформулированы рекомендации по формированию топливных микроэмульсий в отношении компонентного состава для удовлетворения условий наиболее интенсифицированного парообразования и зажигания. Показано, что эффективное дробление происходило в условиях горения капель микроэмульсий при температурах нагрева 600–1000°С. Наиболее интенсивное дробление при горении капель характерно для микроэмульсии с высоким содержанием растительной добавки. 7. Исследован механизм и закономерности режимов разрушения (паффинга и микровзрыва) капель микроэмульсий. Приведены физические модели парообразования и разрушения капель топливных микроэмульсий при различных способах подвода теплоты. Анализ результатов экспериментов позволил установить зависимости рассматриваемых процессов от ряда варьируемых параметров исследуемой системы: концентрации компонентов топлива, размера капель дисперсной фазы, вязкости, природы эмульгатора, начального размера капли микроэмульсии. Определены основные параметры системы, влияющие на интенсивность взрывного разрушения капель микроэмульсий. Среди них: размер частиц дисперсной фазы, концентрация эмульгатора, температурный режим, способ подвода теплоты к капле микроэмульсии, компонентный состав и соотношение компонентов в смеси, свойства микроэмульсий (реологические и поверхностные). Существование границы перехода от паффинга к микровзрыву в опытах не зафиксировано. Получены эмпирические выражения для характерных зависимостей в экспериментах с гидродинамическим взаимодействием капель микроэмульсий (Re(We), Re(Oh) и в опытах по изучению теплообмена капель топливных микроэмульсий при кондуктивном нагреве (зависимость времени пленочного кипения от температуры поверхности нагрева). 8. Подготовлены 3 статьи с результатами исследований в высокорейтинговые международные и российские переводные журналы («Письма в Журнал технической физики»/Technical Physics Letters, Journal of Dispersion Science and Technology (Q2 согласно данным SJR), «Коллоидный журнал»/Colloid Journal). Статья в журнал «Письма в Журнал технической физики»/Technical Physics Letters была принята к публикации. Статья в журнал Journal of Dispersion Science and Technology (Q2 согласно данным SJR) прошла первый круг рецензирования. Статья в российский переводной журнал «Коллоидный журнал»/Colloid Journal рассмотрена рецензентами, сейчас статья находится на стадии доработки. Результаты исследований представлены в виде устных докладов на 3 ведущих всероссийских и международных конференциях (the 4th International Conference on Combustion Science and Processes (4-я Международная конференция по горению), г. Рим, Италия. Устный секционный доклад; XXIII Международный научный симпозиум имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр», г. Томск, Россия. Устный секционный доклад; Международная молодежная научная конференция «Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования», г. Томск, Россия. Устный секционный доклад). На данный момент материалы, полученные в рамках проекта, приняты для публикации в сборниках трудов и очного выступления на 3 конференциях до конца 2019 года.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Основные результаты второго года проекта приводятся ниже: 1. Выполнены экспериментальные исследования процессов прогрева и парообразования капель топливных микроэмульсий бесконтактным оптическим методом лазерно-индуцированной фосфоресценции. Показана неоднородность и нестационарность температурных полей капель топливных микроэмульсий до момента их частичного разрушения вследствие интенсивного парообразования. Установлен порог по температуре (около 230-250 °С) жидкости в кипящей в состоянии Лейденфроста капле топливной микроэмульсии непосредственно перед локальным разрушением, известным как паффинг. При кондуктивном нагреве капли микроэмульсии через стабильную паровую пленку внутренний перепад температур жидкости в капле мог достигать более 100 °С. Определены времена задержки зажигания, существования и взрывного разрушения капель перспективных вододизельных и водобиодизельных микроэмульсий. Установлено, что добавление метиловых эфиров жирных кислот рапсового масла (как известного компонента биотоплива) оказывает пренебрежимо малое влияние на характеристики зажигания и парообразования капель микроэмульсий при нагреве в среде с температурой более 600 °С и с атмосферным давлением. Выявлено влияние объемной концентрации эмульгатора на времена задержки зажигания и существования топливных микроэмульсий с и без добавления биодобавки. При увеличении концентрации эмульгатора с 20 до 30 об. % наблюдался рост значений времени задержки зажигания приблизительно на 20 %. 2. Выполнен сравнительный анализ установленных времен существования, фрагментации и задержки зажигания и известных в литературных источниках результатов в отношении тех же характеристик для подобных многокомпонентных составов со сложной структурой межфазной границы. Установлено, что в эмульсиях и микроэмульсиях на основе углеводорода влияние компонентного состава на время фрагментации является незначительным. При высоких температурах греющей среды (750-800 °С) природа жидкостей в меньшей степени влияет на времена задержки зажигания. Определяющую роль играет размер нагреваемых капель. Проведен статистический анализ последствий взрывного разрушения капель топливных микроэмульсий. Выделены такие режимы разрушения капель микроэмульсий как локальное разрушение (паффинг), микровзрыв и дробление при горении. Установлено, что процесс локального разрушения капель микроэмульсий (паффинг) происходит с вероятностью 100 % при температурах нагрева 600-1000 °С. Дробление при горении реализуется всегда при тех же температурах, при которых происходит газофазное зажигание исследуемых жидкостей, т.е. при 650-675 °С. 3. Исследованы особенности и закономерности парообразования (зарождение, рост, коагуляция пузырьков пара при нагреве низкокипящего компонента в составе дисперсной фазы, конвективное испарение, пузырьковое кипение) низкокипящего компонента в каплях микроэмульсии. Рассмотрено влияние компонентного состава и свойств компонентов на парообразование дисперсной фазы микроэмульсий. Установлены отличия в процессах парообразования микроэмульсий. Их наличие может быть обусловлено склонностью к изменению их фазового состояния (только у наименее термостабильных составов наблюдался процесс коагуляции) и варьированием их физических свойств (реологических и поверхностных) из-за существенных различий в концентрации воды. Измерены времена испарения дисперсной фазы микроэмульсий. Установлено, что при увеличении температуры поверхности подложки время испарения нелинейно снижается (в рамках функции полинома второй степени). При этом, увеличение количества воды в микроэмульсиях положительно способствовало процессу испарения. Рассчитаны удельные скорости испарения дисперсной фазы водобиодизельных микроэмульсий. С ростом температуры поверхности подложки скорости нелинейно увеличивались. Выявлено, что скорость испарения дисперсной фазы во многом зависит от суммарной концентрации эмульгатора и дистиллированной воды в микроэмульсиях. Также удельная скорость испарения дисперсной фазы существенно зависит от кинетической вязкости микроэмульсий, в частности, с увеличением вязкости скорость испарения нелинейно возрастала. 4. Выявлены режимы и исходы взаимодействия капель вододизельных и водобиодизельных микроэмульсий с разогретой стенкой. При использовании до 50 % растительной добавки в углеводородной фазе микроэмульсии и снижении концентрации эмульгатора до 10,45 об. % можно добиться разрушения капли с ее трансформацией в форму «короны» при растекании. Получены двумерные и пространственные зависимости для ключевых параметров (средний диаметр вторичных фрагментов, их количество и суммарная площадь поверхности) вторичного измельчения капель жидкостей при взаимодействии с разогретой твердой стенкой при варьировании концентрации воды (8-16 об. %) в составе микроэмульсии, температуры нагрева (300-500 °С), размеров (1,8-2,8 мм) и скорости движения (3-4 м/с) капель, а также концентрации эмульгатора (10,45 об. % и 20 об. %). Измерены и учтены при анализе полученных результатов реологические свойства изучаемых составов. Установлено определяющее влияние температуры нагрева подложки и концентрации воды в составе капель микроэмульсий на режимы и последствия взаимодействия с разогретой стенкой. При повышении концентрации воды от 8 об. % до 16 об. % отличие среднего диаметра вторичного фрагмента при температурах 300-500 °С составляет более 50%. При этом общая площадь вторичных капель, сформированных вследствие дробления, увеличивается более чем в 10 раз. Показано, что двумерную регистрацию можно использовать при проведении экспериментов, как менее затратную, но вводить корректирующий коэффициент для учета пространственных распределений образующихся вторичных капель. 5. Разработаны два эффективных метода анализа фазового поведения рассматриваемых топлив: экспресс-метод и метод длительного термостатирования микроэмульсионных образцов. Для микроэмульсий с высокой долей эмульгатора оба метода показали вполне сопоставимые результаты. При методе длительного термостатирования пробирка с микроэмульсией выдерживалась при одной температуре достаточное количество времени для того, чтобы разница температур между слоями жидкости внутри пробирки стала минимальной. Это позволило более точно идентифицировать фазовые переходы, а также определить точки инверсии фаз. Отличия, обуславливающие ширину диапазона термостабильности микроэмульсионного топлива, в измерениях, проведенных методом длительного термостатирования и экспресс-методом составляют в среднем около 22 %. Добавление биодобавки и увеличение ее количества способствует существенному снижению значений верхних температур помутнения. Это является весьма нежелательным фактором, предписывающим ограничивать концентрацию растительной добавки в пределах 10 об. %. Выполнено исследование реологических свойств водобиодизельных микроэмульсий. Результаты представлены в виде градиентных карт вязкости, встроенных в диапазоны термостабильности образцов, на фиш-диаграммах. Затем оценен вклад каждого из компонентов в суммарную вязкость микроэмульсии. Установлено, что влияние добавления биодобавки в целом выраженно влияет на прирост значений вязкости. Однако, увеличение доли биодобавки довольно посредственно отражается на этом процессе. Наибольшее влияние на увеличение вязкости оказывает прирост дисперсной фазы за счет увеличения доли воды и эмульгатора. Отдельно рассмотрено влияние температуры среды на показания вязкости. Функция, описывающая данный процесс, является исключительно экспоненциальной. Повышение температуры среды снижало вязкость. Выполнено соотнесение измеренных значений вязкости в выделенном диапазоне температур среды с регламентированными значениями вязкости судоходных дистиллятных топлив. 6. Установлено, что присутствие воды и метиловых эфиров жирных кислот рапсового масла (МЭРМ) в дизельном топливе (Дт) в концентрации до 6,5–7 об. % (на каждый компонент) исключает негативное влияние на термостабильность. Увеличение доли МЭРМ в микроэмульсиях пропорционально снижало относительный показатель термостабильности. Оценено синергетическое воздействие относительных показателей эффективности разработанного топлива на основную характеристику дробления капли при ее взаимодействии с нагретой поверхностью в режиме пленочного кипения – средний диаметр вторичных фрагментов (позволяет охарактеризовать дисперсность потока после вторичного измельчения отдельных капель топлива). Установлено, что капли состава (далее указаны объемные отношения основных компонентов и концентрация эмульгатора) Дт/МЭРМ=90/10, Дт+МЭРМ/Вода=90/10, 30 об. % эмульгатора) дробились на самые мелкие вторичные фрагменты. Показано, что наиболее эффективный состав максимально измельчается при определённых свойствах/характеристиках жидкого топлива. Этот вывод позволил заявить о синергетическом влиянии ряда изученных относительных показателей на вторичное измельчение капель топливных микроэмульсий при взаимодействии с разогретой поверхностью в режиме пленочного кипения, а также использовать характеристики вторичного измельчения в качестве отдельной категории показателей в интегральном анализе эффективности жидкого топлива. С экономической точки зрения, показано, что разработанное альтернативное топливо является конкурентоспособным продуктом при строгом ограничении концентраций каждого из компонентов. 7. Опубликовано 4 статьи, включая две статьи в журналах Q1 согласно SJR. 1. Ashikhmin A., Piskunov M., Yanovsky V., Yan W.-M. Properties and Phase Behavior of Water-in-Diesel Microemulsion Fuels Stabilized by Nonionic Surfactants in Combination with Aliphatic Alcohol // Energy and Fuels. 2020. V. 34. No. 2. P. 2135–2142. Журнал Q1 согласно SJR. Импакт-фактор: 3.021 (WoS). 2. Ashikhmin A.E., Khomutov N.A., Piskunov M.V., Yanovsky V.A. Secondary atomization of a biodiesel micro-emulsion fuel droplet colliding with a heated wall // Appl. Sci. 2020. V. 10. No. 2. 685. Журнал Q1 согласно SJR. Импакт-фактор: 2.217 (WoS). 3. Ashihmin A., Piskunov M., Roisman I., Yanovsky V. Thermal stability control of the water-in-diesel microemulsion fuel produced by using a nonionic surfactant combined with aliphatic alcohols // J. Dispers. Sci. Technol. 2020. V 41. No. 5. P. 771–778. Журнал Q2 согласно SJR. Импакт-фактор: 1.479 (WoS). 4. Ashihmin A., Lavrentiev G., Piskunov M., Yanovsky V. Effect of emulsifier properties and dispersed particle size on the explosive breakup of fuel microemulsion drops // AIP Conference Proceedings. 2019. V. 2135. Article number 020004. Импакт-фактор: 0.40 (WoS). Готовятся к отправке несколько статей в журналы Fuel и Fuel Processing Technology, а также Applied Thermal Engineering (все Q1 согласно SJR). Результаты исследований представлены в виде устных и стендовых докладов на 4 ведущих всероссийских и международных конференциях: 1) 14th Conference on Sustainable Development of Energy, Water and Environment Systems, 1-5 октября 2019 г., г. Дубровник, Хорватия, устный доклад; 2) IV Всероссийская научная конференция «Теплофизика и физическая гидродинамика» с элементами школы молодых ученых, 15-22 сентября 2019 г., г. Ялта, Россия, стендовый доклад; 3) XXII Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», 20-24 мая 2019 г., г. Москва, Россия, стендовый доклад (отмечен дипломом I степени); 4) XXIV Международный научный симпозиум имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр», 6-10 апреля 2020 г., г. Томск, Россия, устный (дистанционный онлайн) доклад (отмечен дипломом).