В НИИ механики МГУ провели исследование процесса дробления капель воды при движении двухфазного потока через сверхзвуковое сопло. Учёные изучили, как число Маха и давление воды влияют на распределение капель по размерам.

Актуальность работы связана с исследованием нового метода охлаждения поверхности с помощью организации высокоскоростного газо-капельного потока. Результаты могут найти применение при разработке систем тепловой защиты проточных частей авиационных и стационарных энергоустановок.

На первом этапе учёные отработали методику теневой визуализации и изучили, как капли воды дробятся при распыле форсункой в атмосфере. Затем форсунки установили в форкамеру аэродинамической установки. С помощью теневого метода фиксировалось мгновенное состояние капель при прохождении потока через критическое сечение и расширяющуюся часть сопла.

Для освещения использовался двойной импульсный лазер. Фоновая подсветка создавалась с помощью светорассеивающего экрана с люминофором, а цифровая ПЗС-камера с объективом-микроскопом позволяла регистрировать капли размером от 5 микрометров. Анализ теневых изображений дает возможность точно определять размеры и положение капель, что важно для задач аэротермодинамики двухфазных потоков.

«Использование высокоскоростных газо-капельных потоков может помочь снизить аэродинамический нагрев. При малой массовой концентрации жидкости — до 1% — капли практически не влияют на свойства несущего потока, но при этом капли могут охлаждаться до низкой температуры. Например, при числе Маха 3 температура потока может снижаться до около 100 К при исходной температуре потока 293 К. Однако при этом возникают сложности с формированием капель нужного размера и их осаждением на охлаждаемую стенку», — отметил старший научный сотрудник лаборатории аэродинамики больших скоростей и термогазодинамики Сергей Попович.

Полученные результаты могут быть использованы для валидации математических моделей распыла жидкости форсунками, а также при расчете течения двухфазных потоков в соплах.

Работа выполнена в рамках госзадания НИИ механики МГУ (№АААА-А19-119012990115-5). Результаты опубликованы в журнале Scientific Visualization (Научная Визуализация). С полным текстом работы можно ознакомиться по ссылке: http://dx.doi.org/10.26583/sv.17.3.06