Коагуляция, дробление и фрагментация капель жидкостей в многофазных и многокомпонентных газопарокапельных средах

Обозначенные в заявке на проект с 2018 года газопарокапельные технологии в области первичного и вторичного измельчения капель топлив, термической и огневой очистки воды и других жидкостей от нерегламентированных примесей, испарения и конденсации в теплоэнергетических трактах, узлах, блоках и агрегатах на протяжении последних 5 лет интенсивно развиваются в мире вследствие появления новых результатов (фундаментальных знаний и научно-технических разработок) экспериментальных и теоретических исследований. Особенно интенсивное развитие можно отметить в области топливных технологий. Это стало возможным в том числе и благодаря результатам теоретических и экспериментальных исследований, выполненных коллективом проекта РНФ 18-71-10002. В рамках проекта РНФ 18-71-10002 в течение 2018-2021 гг. получены важные научные результаты: (1) Разработаны экспериментальные методики двумерной и пространственной регистрации основных характеристик процессов коагуляции, дробления и фрагментации сталкивающихся капель жидкостей в газовых средах с применением комбинации оптических методов PIV, Stereo PIV, Micro PIV, Tomo PIV, PTV, IPI, SP, PLIF, LIP, группы высокоскоростных видеокамер, программных комплексов слежения (Tema Automotive, PCC Viewer, Phantom Viewer и др.); (2) Проанализировано влияние основных характеристик газовой среды и капель на условия и характеристики столкновений последних (коагуляция, фрагментация, дробление, отскок); (3) Выполнен статистический анализ последствий столкновений капель (отскок, коагуляция, фрагментация, дробление) с учетом всех основных действующих сил, импульсов, энергии и факторов на основе результатов обработки высокоскоростной и кросскорреляционной видеорегистрации; (4) Разработана группа физических и математических моделей движения капель в газовой среде с учетом всех основных действующих сил (сцепления, поверхностного натяжения, тяжести и аэродинамического сопротивления, молекулярных, электрического притяжения, подъемной силы, молекулярных, электрического притяжения, Магнуса, турбофореза, термофореза и др.), эффектов (несферичности, внутренних течений, турбулентности несущей среды, сжимаемости последней, концентрации дисперсной фазы, нестационарности движения, фазовых превращений и др.) и ее столкновения (коагуляция, фрагментация, измельчение) с соседними каплями: (5) Разработаны физические и математические модели, позволяющие изучать условия и характеристики столкновений капель жидкостей (коагуляция, фрагментация, измельчение) с соседними в составе аэрозольного облака; (6) Теоретически и экспериментально изучены распределения вторичных капель жидкостей по размерам, образующихся при соударениях исходных, как функций от группы основных параметров и факторов: начальные размеры и скорости движения капель; угол атаки; свойства жидкостей (плотность, вязкость, поверхностное натяжение, межфазное натяжение); температура нагрева капель и газовой среды; турбулентность потока; (7) Получены результаты экспериментальных и теоретических исследований синергетических эффектов вторичного измельчения капель жидкостей за счет комбинированного применения четырех методик: при соударении исходных капель между собой; за счет взаимодействия капель с твердой поверхностью; при ударе по капле газовой (воздушной) струей; микро взрывное разрушение фрагментов жидкости (существенно неоднородной по структуре и компонентному составу) за счет интенсивного нагрева; (8) Результаты исследований обобщены в виде безразмерных критериальных выражений и соответствующих зависимостей (через критериальные выражения с использованием чисел Рейнольдса, Вебера, Лапласа, Онезорге, капиллярности и др.); (9) Выполнено обобщение результатов исследований для всех рассмотренных условий (варьирование температуры, давления, состава газовой среды; тип и свойства жидкости; параметры соударения), установление границ применимости разработанных моделей и выделение корректирующих методов и подходов, а также получение безразмерных критериев для учета специфических закономерностей исследуемых процессов; (10) Сформулированы рекомендации для практического использования результатов выполненных исследований в образовательном процессе, а также для развития науки, техники и технологий. Исполнители проекта (аспиранты Шлегель Н.Е. и Антонов Д.В.) представили диссертации с результатами проектных экспериментальных и теоретических исследований на соискание ученых степеней кандидатов физико-математических и технических наук, соответственно. Результаты проекта РНФ 18-71-10002 с 2018 по 2021 гг. опубликованы в виде более чем 20 статей в международных журналах 1 квартиля, в частности, Experimental Thermal Fluid Science, International Journal of Heat and Mass Transfer, International Communications in Heat and Mass Transfer, Journal of Engineering Physics and Thermophysics, Applied Sciences, Chemical Engineering Research and Design, Chemical Engineering Science, Fuel, Microgravity Science and Technology, Powder Technology и др. Результаты исследований, публикуемые в этих журналах, используются исследователями и инженерами для развития существующих и создания новых технологий. Это выражается, в том числе, и в цитировании публикаций с полученными научными результатами зарубежными и отечественными научными коллективами. В последние годы особую актуальность приобретают так называемые композиционные жидкие топлива, которые содержат, как правило, от 2 до 5 жидких и твердых компонентов. В каплях таких топлив содержатся частицы разного размера, формы, концентрации. Предварительные эксперименты авторского коллектива показали, что характеристики взаимодействия таких капель между собой в газовой среде существенно отличаются от аналогичных параметров при соударениях капель без твердых частиц. Поэтому разработанную в рамках проекта теорию взаимодействия капель в высокотемпературных газовых средах сложно перенести на композиционные жидкие топлива с твердыми частицами из различных материалов. Границы на картах режимов соударений, распределения вторичных фрагментов, соотношения энергий в зоне взаимодействия описываются совершенно другими выражениями, используются отличающиеся модели и дополнительные модули (субмодели). Для решения сформулированной задачи необходимы экспериментальные данные о взаимодействии капель жидкостей с твердыми частицами различной формы, с варьируемыми размерами, из материалов с разными свойствами (гидрофильность и гидрофобность, пористость, шероховатость поверхности и др.). Целесообразно выполнить варьирование ключевых параметров (размеры и форма частиц, их концентрация в капле, схема расположения – частица в капле, частица отдельно от капли) в широких диапазонах, соответствующих обозначенным приложениям, чтобы обеспечить возможность использования результатов исследований не только в области композиционных жидких топлив, но и в других газопарокапельных многофазных приложениях. В распылительных технологиях с композиционными жидкими топливами актуальна задача разработки методов эффективного смешения вдуваемых твердых частиц и впрыскиваемых капель жидкостей непосредственно в предтопках, завихрителях и камерах сгорания. Поэтому в рамках проекта планируется решение группы задач от изучения бинарных соударений твердых частиц и капель жидкостей и многофазных капель до исследований характеристик соударений капель и частиц в потоках в условиях (давление, температура, скорость), приближенных к камерам, типичным для котельных установок, двигателей, термических теплообменных систем. Многофазные и многокомпонентные смеси содержат твердые частицы с разными размерами, формой и дисперсностью. Важно детально изучить условия взаимодействия капель с такими частицами, их влияние на форму и размеры, результирующую энергию исходных многокомпонентных капель и мелких вторичных фрагментов, особенно в условиях интенсивных фазовых превращений и химического реагирования. По результатам экспериментов станет возможным разработка физических и математических моделей соответствующих процессов. В этом будет состоять научная новизна запланированных исследований. Планируется спроектировать и изготовить универсальный стенд для проведения исследований с раздельным и смешанным впрыском жидкостей и вдувом твердых частиц для технологических условий, соответствующих указанным приложениям. В качестве основных методов исследований планируется: (1) эксперимент с применением высокоскоростной видеорегистрации, оптических методов PIV, Stereo PIV, Micro PIV, Tomo PIV, PTV, IPI, SP, PLIF, LIP, программных комплексов слежения Tema Automotive, PCC Viewer, Phantom Viewer и др.; (2) моделирование с применением авторских программных кодов в средах Matlab, Mathematica, C++ и коммерческие пакетов Ansys Fluent, Comsol Multiphysics, Sigma Flow,. Ключевая задача теоретических исследований состоит в разработке упрощенных (для инженеров) и наиболее полных (для исследований на фундаментальном уровне) моделей. Основные ожидаемые результаты проекта будут включать карты режимов соударений капель и частиц, капель с частицами между собой, распределения вторичных капель и частиц по размерам, скоростям, компонентному составу, зависимости критических значения чисел Вебера, Рейнольдса, капиллярности, Онезорге, Бонда, линейных и угловых параметров взаимодействия от всех варьируемых параметров. Будут построены карты режимов взаимодействия трехфазных и многокомпонентных капель (на примере содержащих пузырьки воздуха, частички льда, различные горючие жидкие и твердые компоненты, пары воды и горючих жидкостей) в газовой среде, распределения вторичных фрагментов по размерам, скоростям, компонентному составу, энергиям и др. Эти результаты будут опубликованы в международных журналах 1 квартиля (в частности, Experimental Thermal Fluid Science, International Journal of Heat and Mass Transfer, International Communications in Heat and Mass Transfer, Journal of Engineering Physics and Thermophysics, Applied Sciences, Chemical Engineering Research and Design, Chemical Engineering Science, Fuel, Microgravity Science and Technology, Powder Technology и др.), апробированы на международных конференциях в ведущих научных центрах (запланировано участие не менее чем в 3-4 мероприятиях). По результатам экспериментальных исследований будут подготовлены заявки на полезные модели технологий формирования и разделения многокомпонентных капель при соударениях капель и частиц. На разработанные модели будут получены свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ. Исполнителями проекта планируется подготовить кандидатские и магистерские диссертации. Результаты проекта будут включены в лекционные и учебно-методические материалы для магистрантов и аспирантов, обучающихся по направлениям «Механика жидкости, газа и плазмы», «Теплофизика и теоретическая теплотехника», «Промышленная теплоэнергетика» в Национальном исследовательском Томском политехническом университете. Эти материалы будут выложены на сайт лаборатории Коллектива (http://hmtslab.tpu.ru/), с которого могут быть использованы коллегами из разных вузов, институтов и предприятий