Ученые Томского политеха проанализировали процесс растекания капли эмульсии «вода-в-масле» при соударении с нагретой стенкой камеры. Исследование поможет лучше понимать поведение эмульсий, например, в водно-эмульсионном топливе, которое применяется сегодня в качестве альтернативы жидким видам топлива. Результаты работы опубликованы в International Journal of Heat and Mass Transfer.
Эмульсии — смесь двух и более жидкостей, в состав которых входят вода и масло или топливо. Многие современные технологии и процессы основаны на работе сложных многокомпонентных жидкостей: 3D-печать, струйная печать, спрейное охлаждение, создание воздушно-топливных смесей в промышленных установках с камерой сгорания и в двигателях внутреннего сгорания.
Специалисты НОЦ И.Н. Бутакова и лаборатории тепломассопереноса ИШЭ ТПУ смоделировали процесс взаимодействия капли распыленного топлива со стенками камеры. В исследовании ученые рассмотрели процессы, предшествующие зажиганию топлива. Форсунка, специальное устройство внутри камеры, распыляет топливо. Далее первично-распыленный капельный поток попадает на стенки камеры сгорания. Ученые экспериментальным путем исследовали, что происходит в процессе соударения капли эмульсионной жидкости со стенкой при разных внешних условиях. Температура поверхности была от 40 до 400 °C: это диапазон температур, свойственный стенкам камер сгорания в реальной установке.
Для экспериментальных наблюдений политехники использовали усовершенствованный хомутовый нагреватель, который позволил наблюдать за процессом с разных ракурсов: снизу, сбоку и под заданным углом. Устройство представляет собой нагревательную камеру, в центре которой размещено сквозное отверстие небольшого диаметра. Сверху на нем располагается оптически прозрачная подложка, с которой взаимодействует капля. Наблюдение же ученые вели при помощи двух высокоскоростных видеокамер.
«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», — рассказывает один из авторов статьи, доцент Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова Максим Пискунов.
В ходе экспериментов ученые выявили различные режимы теплообмена: пленочное испарение, пузырьковое кипение, переходное кипение и пленочное кипение (эффект Лейденфроста), а также исследовали гидродинамические последствия удара капли — осаждение, отскок, растекание, разбрызгивание двух типов. В результате была предложена эмпирическая модель максимального растекания, включающая температуру ударной поверхности и зависящую от температуры вязкость.
Это одно из немногих подобных исследований в мире, касающихся эмульсионных многокомпонентных жидкостей. Важно, что в существующих ранее моделях процесса изменение вязкости при разных температурах не учитывалось. Учет этого фактора позволил исследователям более точно спрогнозировать максимальный диаметр растекания.
После получения универсальной модели, апробированной на биотопливах и традиционных жидких топливах (дизель, керосин, авиационное топливо), ученые ТПУ приступили к более детальному рассмотрению взаимодействия капли эмульсии и поверхности. На данном этапе исследования они изучают характеристики процесса для каждого режима теплообмена.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
