Исследование влияния температуры на распространение струй жидких углеводородов в сносящем воздушном потоке

Актуальность темы исследования:
Одной из серьёзных экологических проблем являются большие выбросы уг-лекислого газа. По данным всемирного энергетического агентства транспорт при сжигании топлива производит 24% прямых выбросов СО2 [1]. Согласно Глобаль-ной Инициативе Повышения Топливной Экономичности Транспортных Средств общее снижение выбросов CO2 к 2050 году для всех видов наземного транспорта должно составить 65% [2]. Обязательства данной инициативы взяла на себя и Рос-сийская Федерация, обозначив в энергетической стратегии до 2035 года цель по удельному снижению расхода топлива на транспорте на 13–15% вследствие опти-мизации двигателей внутреннего сгорания [3].
Одним из главных методов, который позволит снизить выбросы СО2 от транспорта, является оптимизация процесса смесеобразования в камере сгорания двигателя. Одним из важных факторов, влияющих на данный процесс, является температура впрыскиваемого топлива, определяющая такие параметры впрыскива-емой струи топлива как дальнобойность, угол раствора, количество жидкой и па-ровой фаз, параметры распыла, характер испарения капель. Топливная струя в ка-мере сгорания подвергается влиянию сносящего воздушного потока, поступаю-щего из впускного клапана и раздувающего струю в поперечном направлении. Это также оказывает влияние на поле концентраций, давлений и температур в камере сгорания. Помимо этого, необходимо понимание влияния физических свойств впрыскиваемых жидкостей на параметры распространения струй. Понимание механизмов влияния температуры на распространение струй, в том числе при наличии сносящего потока, также актуально для других многочис-ленных областей техники, таких как процессы смесеобразования в топках промыш-ленных печей, котельных установок и в камерах сгорания двигателей, струйное охлаждение поверхностей изделий и промышленных аппаратов, процессы в ороси-тельных камерах систем кондиционирования, охлаждение воды в эжекционных градирнях, системы напыления и покраски, сушка пищевых продуктов.
Таким образом, актуальность выполнения настоящей работы обусловлена необходимостью качественного систематического описания процесса смесеобразо-вания в камере сгорания двигателя и факторов, оказывающих на него влияние, с целью снижения вредных выбросов от автомобильного транспорта, а также необ-ходимостью расширения понимания закономерностей распространения струй уг-леводородов различной температуры в том числе в сносящем потоке для их даль-нейшего применения в других областях науки и техники.
Целью работы является экспериментальное исследование и численное моде-лирование влияния температуры на процесс распространения жидких струй угле-водородов в сносящем потоке и при его отсутствии.
Задачи исследования
1. Разработка и монтаж экспериментальной установки с использованием двух оптических методов исследования – прямого теневого метода и Шлирен-ме-тода.
2. Проведение экспериментов по впрыску двух углеводородов при следу-ющих условиях – температура 25–98 °С, давление впрыска 100,170 бар, скорость сносящего потока 0–50 м/с. Для получения достоверных результатов каждый впрыск повторить 10 раз.
3. Разработка метода и проведение обработки полученных результатов в среде Matlab.
4. Определение и анализ механизмов влияния температуры на дальнобой-ность, угол раствора, количество жидкой и паровой фаз струи. Определение и ана-лиз влияния сносящего потока на траекторию паровой и жидкой фаз струи. Выяв-ление основного механизма влияния температуры на распространение жидких струй углеводородов.
5. Проведение численных экспериментов в программном комплексе O-penFOAM. Оценка достоверности полученных результатов путём их сравнения с результатами экспериментов, оценка применимости программного комплекса для моделирования течения жидких струй различной температуры в сносящем потоке и в его отсутствие