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

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).