Оптимальную конфигурацию структуры интерметаллидных горелок на основе никеля и алюминия, определили с помощью разработанных ими численных моделей ученые Томского научного центра (ТНЦ) СО РАН, 3 июня сообщает пресс-служба центра.

Согласно данным моделирования, подтвержденным экспериментально, эффективность таких горелок, изготавливаемых методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), была от 2,5 до 5 раз выше, чем у традиционных керамических горелок. При этом была доказана возможность управлять самим процессом горения в широком диапазоне параметров за счет изменения размера и геометрии пор.

Старший научный сотрудник лаборатории технологического горения ТНЦ СО РАН кандидат физико-математических наук Игорь Яковлев пояснил решаемую научным коллективом задачу:

«Сейчас огромное значение приобретает создание эффективных и экологичных энергоустановок, позволяющих экономить ресурсы и применять альтернативные виды топлива. Поэтому возможность управлять процессом горения относится к числу самых актуальных задач, стоящих перед наукой. Одним из перспективных технических решений являются пористые горелки, которые позволяют сжигать различные виды топлива с высокой эффективностью, практически не генерируя вредных выбросов в окружающую среду».

Однако в экспериментах с таким типом горелок практически нет возможности инструментально контролировать и наблюдать протекающие внутри пор во время горения физические процессы, чтобы их стабилизировать и оптимизировать. Поэтому ученые ТПУ решили использовать для этих целей численное моделирование.

Достигнутые в настоящее время вычислительные мощности уже позволяют в моделях перейти от использования усредненных полуэмпирических параметров, по которым ранее вычислялось влияние на процесс горения геометрии пористых сред, к учету влияния их реальной структуры, определяемой прямым сканированием образцов с помощью рентгеновской компьютерной томографии.

«Взяв оцифрованные объекты, мы можем построить численную модель, в которой видна вся структура пор, учитывается течение газов по этим поровым каналам, химические реакции и теплообмен между продуктами сгорания и пористой средой, а также передача тепла излучением. Всё это позволяет совершенно иначе взглянуть на физику процессов, протекающих внутри этих пористых сред», — рассказал ученый.

Полученные с помощью новых моделей данные о параметрах процессов горения топливных смесей на основе водорода показали более высокую (от 2,5 до 5 раз) эффективность горелок, полученных методом СВС, по сравнению с традиционными керамическими горелками.

Также у интерметаллидных горелок оказалась выше стабильность пламени, что обеспечивалось их особым образом связанной двухслойной структурой, которая также упрощает процедуру запуска горелки.

«Методы численного моделирования, которые успешно развиваются в ТНЦ СО РАН, помогают оптимизировать процессы горения за счет формирования специально подобранных размеров и формы элементов структуры пористых горелок, что позволяет достичь высоких показателей эффективности и экологичности новых энергетических устройств», — резюмировал Игорь Яковлев.

Результаты исследований, выполненных с помощью разработанных ими методов, ученые представили в статьях: «Синтез специальных интерметаллических пористых горелок для сжигания: влияние двухсекционной и ступенчатой морфологии на стабильность пламени обедненного водорода» (Combustion Synthesis of Tailored Intermetallic Porous Burners: Effects of Two-Section and Graded Morphologies on Lean Hydrogen Flame Stability), опубликованной в журнале Combustion Science and Technology, и «Стабилизация водородно-воздушного пламени в двухсекционной металлической пористой горелке на пределе мощности» (Stabilization hydrogen-air flame in two-section metallic porous burner near lean limit), опубликованной в International Journal of Hydrogen Energy.

Эти результаты ученые ТНЦ СО РАН будут использовать при создании методами СВС и 3D-печати эффективных пористых горелок с заданной морфологией, которые предназначаются для использования в конкретных производственных целях.