Репортаж от Wedoany，Исследователи Томского политехнического университета (ТПУ) совместно с Национальным исследовательским технологическим университетом «МИСиС» разработали математическую модель, описывающую процесс воспламенения самовоспламеняющихся топлив. Модель охватывает основные физико-химические характеристики самовоспламеняющихся топлив, а также их влияние на поля температуры и концентрации в нестационарных условиях воспламенения. Результаты экспериментов показали, что модель способна с удовлетворительной точностью прогнозировать поведение самовоспламеняющихся топлив. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 25-29-00637), а его результаты опубликованы в журнале FirePhysChem (квартиль Q1, импакт-фактор 5,1).
Система самовоспламеняющегося топлива состоит из топлива и окислителя, которые при контакте самопроизвольно начинают реагировать без дополнительного нагрева или внешнего воздействия. Такие топливные системы могут применяться в аэрокосмической технике, например, в системах аварийного запуска. В настоящее время существует несколько моделей, пытающихся описать механизм «запуска» самовоспламеняющихся топлив, однако ни одна из них не позволяет надежно прогнозировать ключевые параметры при достижении предельных условий начала горения, такие как температура, скорость испарения и скорость диффузии пара.
Ученые Томского политехнического университета совместно с коллегами предложили вышеупомянутую математическую модель и провели ее верификацию с помощью экспериментальных данных. В экспериментах использовалась комбинация топлива на основе тетраметилэтилендиамина (ТМЭДА) (с добавлением 5 масс.% диоксида кремния для загущения) и высококонцентрированной азотной кислоты в качестве окислителя. Эксперименты проводились при начальной температуре компонентов от 10 до 30 градусов Цельсия и размере капель от 1 до 3 мм, регистрировались время задержки воспламенения и температура в зоне горения. Исследование показало хорошее согласование расчетной модели с экспериментальными данными: при изменении начального размера капли отклонение расчетного времени задержки воспламенения от экспериментального не превышало 15%; при изменении начальной температуры компонентов отклонение не превышало 10%.
Модель всесторонне учитывает теплообмен между компонентами системы, фазовые переходы, диффузию пара, а также химические реакции в конденсированной и газовой фазах. В ходе исследования с использованием технологий Томского политехнического университета в реальном времени регистрировались поля температуры и концентрации, а также устанавливалась их взаимосвязь. Ольга Высокоморная, доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ и один из авторов исследования, отметила, что данная математическая модель позволяет более точно прогнозировать поведение систем самовоспламеняющегося топлива в условиях, приближенных к реальной эксплуатации.
Исследование выявило ряд важных закономерностей. Например, с увеличением начального размера взаимодействующих частиц скорость испарения растет экспоненциально; при этом существует критический начальный размер около 3 мм, превышение которого практически не влияет на время задержки воспламенения. Ольга Высокоморная отметила, что данная математическая модель полностью учитывает физико-химические процессы в момент воспламенения топлива в конденсированной и газовой фазах, а повышение точности расчетов имеет решающее значение для практического применения систем самовоспламеняющегося топлива. В будущем эта технология может стать основой для проектирования более безопасных и управляемых систем самовоспламеняющегося топлива. В исследовании принимали участие сотрудники лаборатории тепломассопереноса Томского политехнического университета и Национального исследовательского технологического университета «МИСиС».
