Коллектив лаборатории тепломассопереноса одного из ведущих российских вузов — Томского политехнического университета — под руководством инженера-исследователя Романа Федоренко реализовал яркий научный прорыв. Их работа открывает новые горизонты для развития эффективных систем топливораспыления, а также оптимизации процессов термической очистки жидкостей при поддержке Российского научного фонда.
Современный вызов топливной энергетике и значение капель
Точные знания о процессах, проходящих в недрах горюче-водных капель, крайне важны для современного двигателестроения и топливной энергетики. Изначально любые инновации в этой области стартуют с глубокого анализа динамики единичных капель. При их нагревании возникают особые явления: микровзрывная фрагментация и разделение на дочерние частицы. В момент резкого закипания микрокапель воды, заключенной внутри исходной капли с топливом, происходит резкое дробление, а продукты — те самые дочерние капли — становятся ключевыми для дальнейшей работы двигателя.
Тонкое понимание этих процессов позволяет грамотно настроить параметры сжигания топлива, поднять коэффициент полезного действия и снизить экологическую нагрузку за счет уменьшения вредных выбросов. Именно благодаря этому исследованию появляется возможность более гибко управлять процессами распыления и сгорания в современных установках.
Математическая модель — шаг к точности и эффективности
Командой лаборатории был предложен уникальный математический аппарат, детально описывающий формирование и размерные характеристики дочерних капель под воздействием ряда факторов. Разработка позволяет прогнозировать диаметр и массу капель во время микровзрыва с минимальной погрешностью — расхождение с реальными экспериментальными данными не превышает 10%. Ключевыми переменными для расчетов выступают температура среды, темп нагрева, внутренний состав самой капли и распределение жидкостей внутри нее.
Для обоснования эффективности своей методики ученые провели масштабную экспериментальную серию, включающую более 150 опытов. Образцы капель из комбинаций дизельного топлива и рапсового масла смешивались с водой, подвергались действию потока горячего газа с температурой от 300 до почти тысяча градусов по Цельсию. Настраиваемое лабораторное оборудование гарантировало точный контроль всех параметров вплоть до микроскопического уровня и обеспечило чистоту научного эксперимента.
Влияние физических свойств на поведение капель
В ходе исследований были выявлены закономерности, которые легли в основу принципиально нового понимания микровзрывной фрагментации. Повышение температуры приводит к увеличению давления во внутреннем паровом слое, оболочка капли разрывается быстрее, а сами дочерние частицы оказываются меньше по размеру.
Форма и распределение фаз (например, смещённое водное ядро относительно центра топливной капли) имеют существенное влияние: такие изменения провоцируют образование более крупных дочерних капель. Это открытие значительно расширяет возможности по прогнозу и корректировке работы топливных систем различной сложности на практике.
Различия между топливами и практический эффект открытия
Отдельного внимания заслуживают результаты, полученные на смесях с разной вязкостью. Вязкие жидкости — в частности, используемое исследователями рапсовое масло — демонстрировали меньшую интенсивность разрушения родительских капель, по сравнению с дизельным топливом. Это напрямую сказалось на итоговом размере дочерних капель: для рапсового масла частички превосходили размер 20–30 микрометров, в то время как при использовании дизеля они редко превышали 10 микрометров.
Понимание этих тонкостей крайне важно для точной настройки промышленных и транспортных топливных систем, позволяя выбирать оптимальные составы топлив в зависимости от технических задач и экологических требований.
Вклад в улучшение технологий и возможности для дальнейших исследований
Востребованность разработанного математического подхода уже очевидна для множества инженерных задач. Современные двигатели внутреннего сгорания, промышленные системы термообработки жидкостей, энергетические установки могут стать еще эффективнее и экологичнее благодаря учетам новых закономерностей и параметров.
Благодаря поддержке Российского научного фонда и активному вкладу Романа Федоренко и его команды был получен ценный инструмент, который значительно ускоряет инновационные процессы в отечественной и мировой научной практике. Ожидается, что результаты исследования станут базой для новых материалов, продвинутых топливных смесей и безопасных технологий промышленной переработки.
Новые горизонты — синергия науки и практики
Открытия, сделанные учеными Томского политехнического университета, открывают широкие перспективы для дальнейших разработок и внедрения новых стандартов в производстве и эксплуатации топливных систем. Исследование демонстрирует приверженность университета передовым научным задачам и умение создавать инновационные решения, востребованные на практике.
В столь значимых работах, как это исследование, важен вклад каждого участника команды, поддержка национальных научных фондов и интеграция опыта промышленности в академическую среду. Только синергия усилий позволяет выходить на качественно новый уровень технологий — технологически, экологически и экономически.
Источник фото: ru.123rf.com
Источник: scientificrussia.ru