Цель проекта – экспериментальное и теоретическое исследование фундаментальных механизмов управления сажеобразованием в сферических диффузионных газовых пламенах, которые можно наблюдать только в условиях микрогравитации.

Сферическое диффузионное пламя будет создаваться с помощью пористых горелок шарообразной формы диаметром 6.4 мм, через которые будет подаваться либо газообразное горючее (метан или этилен с добавками или без добавок инертного газа), либо газообразный окислитель (кислород или кислород с инертным газом). В экспериментах и в расчетах кроме изменения способа подачи компонентов горючей смеси будут изменяться их расходы и концентрации, а также давление (от 0.1 до 3 атм) с тем, чтобы определить условия, при которых в пламени достигается минимальное сажеобразование. Кроме того, в зависимости от способа организации горения, расходов и концентраций компонентов горючей смеси будут определены границы существования сферического диффузионного пламени.

Задачи, решаемые в проекте российскими учеными, – на основе физико-математических моделей, вычислительных программ и баз химико-кинетических и термохимических данных, имеющихся в ИХФ РАН:

1) разработать и отладить вычислительную программу для моделирования ламинарных сферических диффузионных пламен с учетом детальных кинетических механизмов окисления горючих с полуэмпирической моделью сажеобразования;

2) провести расчетно-теоретические исследования сажеобразования в сферических диффузионных пламенах при разных значениях стехиометрического соотношения;

3) определить условия радиационного погасания сферического диффузионного пламени;

4) теоретически (на качественном уровне) исследовать влияние различных внешних воздействий (газодинамических, акустических, тепловых, химических и др.) на сажеобразование в сферических диффузионных пламенах;

5) разработать методику экспресс-анализа экспериментальных данных, на основе которой давать научно-обоснованные рекомендации к проведению КЭ по ходу его выполнения;

6) провести всесторонний анализ экспериментальных данных, полученных в КЭ.

Эксперимент будет проводиться на американском сегменте МКС в модуле Destiny на установке CIR “Combustion Integrated Rack”, оборудованной 100-литровой камерой со сменными горелками, системой автоматизации эксперимента, системами газораспределения и зажигания, а также контактными и оптическими диагностическими средствами. Техническая подготовка эксперимента осуществляется американской стороной. С российской стороны по ходу выполнения программы Flame Design будут даваться научно-обоснованные рекомендации.

Полученные результаты повлияют на углубление наших знаний о фундаментальных механизмах сажеобразования при диффузионном горении газов, которые позволят разработать систему мер по снижению эмиссии сажи в двигателях внутреннего сгорания, включая ракетные двигатели.

Эксперимент проводится в рамках проекта ACME (Advanced Combustion via Microgravity Experiments – «Уточняющие эксперименты по горению в условиях микрогравитации») на американском сегменте МКС в модуле Destiny (АС МКС) на оборудовании CIR (Combustion Integrated Rack – «Многофункциональный модуль для исследований горения»).

НА CIR реализована в виде интегрированной стойки для экспериментов по горению и предназначена для автоматизированных исследований горения газов и капель. Она включает 100-литровую камеру с оборудованием, позволяющим изменять состав газовой атмосферы. В камере предусмотрено размещение газовых горелок различных типов для изучения структуры пламени и воздействия внешних полей (например, электрического) на характеристики горения.

В данном КЭ (американское наименование: Flame Design) предусмотрено использование шарообразной пористой горелки диаметром 6.4 мм, а в качестве горючих газов предполагается использовать метан и этилен.

Полученные результаты позволят расширить наши знания о структуре диффузионных газовых пламен и о фундаментальных механизмах сажеобразования.

Предполагаемое использование результатов:

Полученные результаты могут быть использованы для совершенствования методов управления горением, направленных на значительное снижение сажеобразования в энергопреобразующих устройствах (газотурбинных и ракетных двигателях, в стационарных энергоустановках).

1. Басевич В. Я., Беляев А. А., Медведев С. М., Посвянский В. С., Фролов С.М. Механизмы окисления и горения нормальных парафиновых углеводородов С8Н18, С9Н20 и С10Н22». Химическая физика, Т.30, №12, С. 9-25 (2011).

2. Басевич В.Я., Медведев С.Н., Фролов С.М., Фролов Ф.С., Басара Б., Пришинг П. Макрокинетическая модель для расчета эмиссии сажи в дизеле. Горение и взрыв, Т. 9. №.3. С. 36 – 46 (2016).

3. Медведев С.Н., Власов П.А., Фролов С.М., Basara B., Priesching P., Suffa M. База данных для расчета функций распределения сажевых частиц по размерам в двигателях внутреннего сгорания. Горение и взрыв, № 5, с. 83-90 (2012).