ИСТИНА

Проект направлен на решение фундаментальной проблемы теплофизики, связанной с исследованием возможности управления процессом спонтанной конденсации при истечении парогазовой смеси через сверхзвуковое сопло.

The project is aimed at solving an actual problem in the field of thermophysics related to the study of the possibility of controlling spontaneous condensation in a supersonic nozzle. During adiabatic expansion in the nozzle, the vapor pressure can fall below the pressure corresponding to the saturation line at a given temperature. In this case, the formation and growth of liquid phase nuclei (spontaneous condensation) occurs in the volume. This phenomenon is often encountered in various technological processes (surface treatment with cluster ion beams, vacuum spraying of coatings) and industrial plants (steam turbines, supersonic separators, desalination plants). Depending on the specific application, it is required to either suppress or intensify spontaneous condensation or to obtain specific characteristics of the condensation aerosol (droplet size distribution function). In steam turbines or cryogenic turboexpanders, the formation of microscopic droplets leads to erosive wear of the blades, while the efficiency of supersonic separation (a promising natural gas processing technology) is directly related to the size of condensed particles, since larger droplets are much easier to separate in the field of centrifugal forces. Spontaneous condensation can also be realized in the nozzles of nitrogen engines designed for maneuvering and orienting a spacecraft in orbit. In this case, the thrust force and specific impulse can increase due to the conversion of the latent heat of the phase transition into kinetic energy. However, the effect of spontaneous condensation on the energy characteristics of the engines is poorly understood. The scientific novelty of the project is that the study of spontaneous condensation in a supersonic nozzle will cover a wide range of inlet flow parameters (pressure, temperature, and vapor-gas mixture composition) and different configurations (geometry) of the channel. This will help to gain a deeper understanding of the physical processes governing condensation, which in turn will allow its control. To describe the kinetics of spontaneous condensation, it is proposed to use the kinetic equation for the droplet size distribution function, which will be solved using a direct numerical solution method without formal restrictions on the condensate droplet growth law. This fact will make it possible to describe the condensation kinetics in more detail and accurately. It is also worth noting that the above-mentioned method has not been previously used to solve multidimensional non-stationary problems.

В ходе выполнения проекта планируется получить следующие результаты: 1. Адаптированный для решения двумерных нестационарных задач метод прямого численного решения кинетического уравнения для функции распределения капель по размерам, а также соответствующий программный код. 2. Результаты численного моделирования процесса спонтанной конденсации при истечении парогазовой смеси через сверхзвуковое сопло в широком диапазоне параметров потока на входе: давление, температура и состав парогазовой смеси. 3. Результаты численного моделирования процесса спонтанной конденсации при истечении парогазовой смеси через сверхзвуковые сопла различных конфигураций. 4. На основе полученных результатов численного моделирования планируется определить, каким образом возможно управлять (интенсифицировать/подавлять, получать необходимые характеристики аэрозоля) спонтанной конденсацией, изменяя параметры парогазовой смеси на входе и конфигурацию соплового аппарата. Методы и подходы, которые планируется использовать в ходе реализации проекта, не уступают мировому уровню. Использование метода прямого численного решения для кинетического уравнения функции распределения капель по размерам, не имеющего формальных ограничений по закону роста конденсированных частиц, позволит более детально и точно описать кинетику конденсации. Также стоит отметить, что вышеупомянутый метод ранее не использовался для решения двумерных нестационарных задач. Результаты, полученные в ходе реализации проекта, поспособствуют более глубокому пониманию процесса и возможностей управления спонтанной конденсации в сверхзвуковом сопле. Это имеет важное значения для развития новых и совершенствования существующих технологий различных отраслей промышленности, а именно оптимизация работы паровых турбин с целью повышения их ресурса работы, разработка эффективных методом очистки природного газа от посторонних примесей и отделения целевых компонент, а также разработка более эффективных силовых установок малой тяги космических аппаратов. Помимо всего прочего, результаты, полученные в проекте, будут использоваться в образовательном процессе в НИУ МЭИ, способствуя подготовке квалифицированных специалистов через интеграцию передовых научных разработок и практического опыта в учебные программы. Это обеспечит передачу знаний и навыков следующему поколению инженеров и ученых.

Исследован процесс объемной конденсации в чистом паре, а также в паре с добавлением центров нуклеации (пылевых частиц). Исследование осуществлялось на базе системы моментных уравнений для процесса объемной конденсации. Разработана программа и проведены вычисления процесса объемной конденсации вблизи поверхности испарения для произвольной интенсивности процесса.