Ученые лаборатории тепломассопереноса Томского политехнического университета разработали новый математический метод, позволяющий с высокой точностью предсказать размеры так называемых дочерних капель, образующихся при распылении топлива. Это важно для улучшения работы двигателей и создания новых способов очистки жидкостей.
Любое исследование в области топливной энергетики начинается с изучения отдельных капель. Дочерними называют капли, которые отделяются в процессе микровзрывной фрагментации.
В процессе прогрева гетерогенных капель, содержащих в своем составе топливо и воду, могут возникать микровзрывы, вызванные вскипанием микрокапель воды. Такие капли проходят два этапа: прогрев до условий микровзрывной фрагментации и распад. Причем распад может быть частичным (пыхтение) – и полным (микровзрыв).
Понимание, как это происходит, позволяет сделать распыление топлива более эффективным, двигатель – мощнее, а выбросы вредных веществ – меньше.
Новая модель позволила с высокой точностью предсказывать размеры дочерних капель в зависимости от различных факторов – температуры окружающей среды, скорости нагрева и состава самих капель. Модель показала свою эффективность – отклонение от экспериментальных данных не превышает 10 %, это статистическая погрешность.
Для проверки модели провели более 150 экспериментов, в которых родительские капли, состоящие из дизельного топлива и рапсового масла, нагревались в потоке горячего газа с температурой от 300 до 973 оС. Оказалось, что при повышении температуры размеры дочерних капель уменьшаются. Это связано с увеличением давления в паровом слое и более быстрым распадом оболочки капли.
Форма и размер капель также играют важную роль в процессах фрагментации. Например, при смещении водяного ядра относительно центра капли размер дочерних капель увеличивается. Такие закономерности позволяют предсказать, как будут изменяться параметры сжигания топлива в разных условиях эксплуатации и открывают новые возможности для управления этими процессами.
Ученые ТПУ также установили закономерность в образовании дочерних капель для разных составов. Так, у капель, состоящих из более вязких жидкостей, наблюдался менее интенсивный распад по сравнению с каплями на основе дизельного топлива. В случаях более вязких жидкостей капли превышали 20–30 мкм, а у менее вязких – не превышал 10 мкм.