Фундаментальные особенности диспергирования двухкомпонентных эмульсий: прямое численное моделирование и оптические измерения

Значительным конкурентным преимуществом современных двигателей внутреннего сгорания и энергетических установок являются высокая эффективность сжигания топлива, относительно низкий уровень вредных выбросов и надежность работы. Однако, проектирование нового оборудования, обеспечивающего эти характеристики в широком диапазоне режимных параметров, затруднено многомасштабными физико-химическими процессами, которые представляют собой серьезный вызов для вычислительной термогазодинамики многофазных потоков. В частности, принципиальной проблемой является организация эффективного распыла и описание режимов горения новых перспективных композитных жидких топлив, которые с одной стороны позволяют уменьшить уровень вредных выбросов, а с другой стороны приводят к снижению эффективности горения и КПД оборудования. В рамках Проекта 2022 были получены результаты экспериментального и численного исследования процессов создания эмульсии, ее распыла при помощи центробежной форсунки, включая первичную и вторичную атомизацию струйного потока, слияние и дробление водотопливных капель жидкости, однако преимущественно при постоянной температуре. Целью данного проекта является развитие физических основ моделирования процессов взаимодействия двух компонентов жидкости, а также их испарения. При помощи современных экспериментальных методов измерения и суперкомпьютерного моделирования многофазных потоков планируется описать процессы взаимодействия отдельных одно- и двухкомпонентных капель со слоем жидкости и нагретой поверхностью для валидации моделей испарения. В экспериментах будут использованы современные оптические высокоскоростные методы измерения, а также прямое численное моделирование уравнений Навье-Стокса на основе метода volume of fluid, который будет использовать адаптивное сгущение вычислительной сетки порядка 10^9 ячеек с разрешением межфазной границы до 1 мкм. На базе полученной информации будет составлена карта режимов течения в пространстве параметров, характеризующихся размером капель, характеристиками используемых жидкостей, скоростью падения капель, толщиной покоящегося слоя жидкости, а также температуры твердой поверхности. Основываясь на полученном научном заделе, будут верифицированы и предложены модификации современных моделей испарения и взаимодействия компонент несмешивающихся жидкостей. Данный комплексный подход может быть успешно применен к широкому спектру задач при проектировании энергетического оборудования и развития российского инженерного программного обеспечения. Актуальность и востребованность результатов планируемых исследований подтверждается письмом о намерениях от ГК «Росатом».