Ученые Томского политеха проанализировали процесс растекания капли эмульсии «вода-в-масле» при соударении с нагретой стенкой камеры. Это одно из немногих подобных исследований в мире, касающихся эмульсионных многокомпонентных жидкостей. Результаты работы политехников опубликованы в International Journal of Heat and Mass Transfer (Q1, IF:5.584).

В лаборатории ТПУ

В лаборатории ТПУ

 

Специалисты НОЦ И.Н. Бутакова и лаборатории тепломассопереноса ИШЭ ТПУ смоделировали процесс взаимодействия капли распыленного топлива со стенками, после чего изучили влияние температуры стенки и зависящей от температуры вязкости на максимальное растекание капли. Исследование приблизило ученых к пониманию поведения капель эмульсий как многокомпонентных жидкостей с управляемыми характеристиками, активно применяемых в различных отраслях и технологиях, при соударении с нагретой стенкой. В том числе в качестве альтернативы жидким видам топлива.

Эмульсии представляют собой смесь двух и более жидкостей, которые обычно не смешиваются. В их составе — вода и масло или топливо.  Многие современные технологии и процессы основаны на работе сложных многокомпонентных жидкостей. Это, например, синтезирование функциональных покрытий, 3D-печать, струйная печать, спрейное охлаждение, создание воздушно-топливных смесей в промышленных установках с камерой сгорания и в двигателях внутреннего сгорания. Последнее является одной из наиболее перспективных и востребованных сфер применения.

В качестве топлива используется эмульсия типа «вода-в-масле». Для него характерна структура, когда внутри углеводорода есть частички воды микронных размеров. Форсунка, специальное устройство внутри камеры, распыляет топливо. Далее первично-распыленный капельный поток попадает на стенки камеры сгорания. Специалисты ТПУ экспериментальным путем изучили, что происходит в процессе соударения капли эмульсионной жидкости со стенкой при разных внешних условиях.

«В исследовании были рассмотрены процессы, предшествующие зажиганию топлива. Мы предложили модель для максимального диаметра растекания. При взаимодействии с поверхностью капля может вторично измельчаться на более мелкие фрагменты, которые далее проще зажечь. Момент максимального растекания капли — это процесс между ее вторичным измельчением и зажиганием. Чем больше диаметр и время растекания, тем больше капля прогреется, перед тем как покинет полностью или частично стенку и станет частью газопарокапельной топливной смеси. Чем больше капля прогрелась, тем быстрее произойдет ее зажигание в камере в рамках смеси. Эффекты дополнительного измельчения-разбрызгивания, кипения с отделением мелких капель — это приятные бонусы, которые сопровождают процесс растекания капли и также способствуют формированию топливной смеси и ее скорейшему зажиганию», — рассказывает один из авторов статьи, доцент Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова Максим Пискунов.

Ученые задействовали в модели известные свойства жидкости — вязкость и поверхностное натяжение. Для более точного описания процесса в модель были включены два важных фактора — температурный диапазон поверхности, с которой происходит взаимодействие капли, и изменяющиеся в связи с этим значения вязкости жидкости. В существующих ранее моделях процесса не учитывалось изменение вязкости при разных температурах. Учет данных факторов позволяет получить более точные результаты прогнозирования максимального диаметра растекания.   

Для экспериментальных наблюдений политехники использовали усовершенствованный хомутовый нагреватель. В центре нагревательной камеры было размещено сквозное отверстие небольшого диаметра, сверху на нем располагалась оптически прозрачная подложка, с которой взаимодействовала капля. В сочетании с двумя высокоскоростными видеокамерами это позволило наблюдать за процессом детально и с разных ракурсов: снизу, сбоку и под заданным углом. В эксперименте нагрев поверхности проводился от 40 до 400°C. Это диапазон температур, свойственный стенкам камер сгорания в реальной установке.

«При взаимодействии капли с поверхностью в зависимости от начальных параметров капли — ее скорости и диаметра растекания, свойств вязкости и поверхностного натяжения — при ударе о стенку могут наблюдаться разные явления. В ходе экспериментов были выявлены различные режимы теплообмена: пленочное испарение, пузырьковое кипение, переходное кипение и пленочное кипение (эффект Лейденфроста). Кроме того, мы изучили гидродинамические последствия удара капли, включая осаждение, отскок, растекание, разбрызгивание двух типов. В результате была предложена эмпирическая модель максимального растекания, включающая температуру ударной поверхности и зависящую от температуры вязкость», — комментирует Максим Пискунов.

После получения универсальной модели, апробированной на биотопливах и традиционных жидких топливах (дизель, керосин, авиационное топливо) в широком диапазоне варьируемых начальных параметров и свойств жидкостей, ученые ТПУ приступили к более детальному рассмотрению взаимодействия капли эмульсии и поверхности. На данном этапе исследования они изучают характеристики процесса для каждого режима теплообмена.

 

Информация и фото предоставлены пресс-службой Томского политехнического университета