В мире научных открытий, где даже микроскопические капли способны вызвать бурю, учёные Томского политехнического университета (ТПУ) и Сибирского федерального университета сделали шаг вперёд. Они создали математическую модель, которая с точностью предсказывает размеры так называемых «дочерних» капель. Эти результаты не только помогут усовершенствовать системы распыления топлива в двигателях, но и откроют новые горизонты в технологиях термической очистки жидкостей.
Дочерние капли, словно потомки в семье капель, формируются при микровзрывной фрагментации «родительской» капли. Они образуются, когда микровзрыв разрывает частицы жидкого топлива.
«В процессе прогрева гетерогенных капель, содержащих топливо и воду, происходят микровзрывы из-за кипения микрокапель воды. Эти капли проходят два этапа: нагрев до микровзрывной фрагментации и распад, который может быть частичным, называемым «пыхтением», или полным — микровзрывом», — пояснил Роман Федоренко, инженер-исследователь лаборатории тепломассопереноса ТПУ.
Эти дочерние капли критически важны для эффективности сгорания топлива и уровня выбросов. Новая модель позволяет точно предсказывать размеры и поведение дочерних капель, будь то «пыхтение» или взрыв, в зависимости от таких факторов, как температура окружающей среды, скорость нагрева и состав капель.
Чтобы проверить свою модель, исследователи провели свыше 150 экспериментов, в которых «родительские» капли из воды и топлива (дизельное и рапсовое масло) нагревались в потоке горячего газа с температурой от 300 до 973 ℃. Эксперименты проходили в специальной установке, где тщательно контролировались температура, скорость газа и параметры капель. Модель показала высокую эффективность, с отклонением от экспериментальных данных не более 10 %, что укладывается в статистическую погрешность.
«Мы выяснили, что при повышении температуры среды размеры дочерних капель уменьшаются, что связано с увеличением давления в паровом слое и более быстрым распадом оболочки капли. Свойства капель, такие как форма и размер, играют важную роль в процессах микровзрывной фрагментации. Например, смещение водяного ядра относительно центра капли увеличивает размеры дочерних капель. Это позволяет точно предсказывать изменения параметров сжигания топлива и открывает новые возможности для управления этими процессами», — отметил Роман Федоренко.
Учёные также обнаружили, что капли из более вязких жидкостей, таких как рапсовое масло, распадаются менее интенсивно по сравнению с дизельным топливом. Это влияет на размеры дочерних капель, которые в случае более вязких жидкостей часто превышают 20–30 мкм, тогда как у менее вязких их размер не превышает 10 мкм.
По словам авторов, понимание механики образования дочерних капель позволит оптимизировать параметры распыления, повысить эффективность сгорания топлива и общую производительность двигателя, а также снизить уровень выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.
