Комплексные экспериментальные и расчетные исследования процессов синтеза и горения композитных топлив на основе углеводородов и наночастиц металлов и металлоидов

Дальнейшее развитие двигателей перспективных летательных аппаратов и наземных установок связывается во многом с созданием новых энергоемких топлив. Такие топлива должны характеризоваться более высокой теплотой сгорания, высокой скоростью горения, низкой температурой воспламенения, широкими концентрационными пределами горения и высокой полнотой сгорания. Одним из перспективных направлений на пути оптимизации совокупности этих параметров является изготовление и организация сжигания традиционных углеводородных топлив с добавлением в них наночастиц легких металлов и металлоидов, таких как Al, В. Наиболее актуальны такие топлива для двигателей высокоскоростных летательных аппаратов, в которых очень важно обеспечить высокую полноту сгорания при минимальном времени пребывания газа в камере сгорания. Поэтому одной из задач данного проекта является разработка методов синтеза и производство жидких углеводородных топлив с наночастицами металлов и металлоидов заданного размера и состава. Такие наночастицы предлагается синтезировать с помощью лазерной абляции мишеней из алюминия или бора, помещаемых в жидкое топливо. Такой способ создания и внедрения наночастицв топливо обладает очень важными особенностями:во-первых, лазерная абляция мишени может быть осуществлена практически в любой жидкости, во-вторых, наночастицы, получаемые таким образом в бескислородной среде, не содержат оксидной оболочки и могут обладать более высокими характеристикамигорения,в-третьих, получаемые таким способом наночастицы могут быть насыщены молекулярным водородом. Вторая задача проекта состоит в экспериментальном исследовании воспламенения и горения синтезированных топлив. Будет исследовано как гомогенное горение топливовоздушных смесей, инициированное воздействием резонансного лазерного излучения, приводящего к фотодиссоциации молекул кислорода, так и диффузионное горение в горелочном устройстве при раздельной подаче испаренного топлива и воздуха.Диагностика процесса горения будет осуществляться с использованием современных не возмущающих поток оптических методов (КАРС, ЛИФ, эмиссионная спектроскопия) для измерения температуры и концентраций компонентов непосредственно в зоне пламени. Третье направление исследований посвящено моделированию горения композитных топлив с добавками наночастиц алюминия и бора. Для этого будут разработаны реакционные механизмы, описывающие воспламенение и горение композитных топлив на основе декана и этанола с добавками наночастиц алюминия и бора в смеси с воздухом; будет разработан кинетический механизм неравновесной конденсации оксида бора, учитывающий конечность скорости конверсии метаборной кислоты в оксид бора и конечность скорости формирования квазистационарного распределения по размерам докритических кластеров оксида бора; будут разработаны физико-химические и математические модели воспламенения и горения наночастиц алюминия и бора, в том числе, пассивированных неокисными покрытиями; будет проведено CFD моделирование горения композитных топлив как для условий эксперимента, так и в модельной камере сгорания. Все планируемые исследования обладают безусловной новизной. Будут созданы новые комбинированные энергоемкие топлива на основе жидких углеводородов (декан, этанол) и наночастиц металлов и металлоидов (Al, B) с заданными свойствами. Для этого будут разработаны методысинтеза, создана соответствующая аппаратура и отработана технология производства наночастиц заданного размера и состава, поскольку размер наночастиц и их состав существенным образом влияют на процесс воспламенения и горения таких комбинированных топлив, а, следовательно, определяют эффективность и преимущества использования двухкомпонентных топлив в двигателях аэрокосмических систем. Впервые будут исследованы процессы образования наночастиц алюминия с включениями водородом, и проведен поиск параметров процесса синтеза, приводящих к максимальному содержанию водорода в синтезируемых наночастицах алюминия. Новыми будут и результаты экспериментальных исследований воспламенения и горения синтезированных комбинированных топлив в воздухе. Сравнительный анализ горения разных топливных композиций позволит сделать вывод о наиболее перспективных составах с точки зрения наибольшей скорости горения и тепловыделения. Будут разработаны новые реакционные механизмы для описания воспламенения и горения композитных топлив, состоящих из жидких углеводородов (декан, этанол) и наночастиц (Al, B), в воздухе;новыефизико-химические и математические модели воспламенения и горения наночастиц алюминия и бора, в том числе наночастиц, пассивированных неокисными покрытиями;новый кинетический механизм неравновесной конденсации оксида бора, который образуется при горении любых борсодержащих топлив. Новыми будут и результаты моделирования как ламинарного диффузионного горения композитных топлив в воздухе, так и горения этих топлив в камерах сгорания энергоустановок различного назначения. Полученные данные позволят сделать вывод об перспективности использования новых топливных композиций в двигателях разного назначения по сравнению с чистыми углеводородами.