Исследователи из Объединенного института высоких температур (ОИВТ) РАН посмотрели, как горит топливо с высоким содержанием воды, и выяснили условия, которые нужны для того, чтобы этот процесс начался. Использование водосодержащего топлива в транспорте поможет снизить выбросы углекислого газа. Статья ученых опубликована в журнале Proceedings of the Combustion Institute. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).

Объектом исследования ученых стала вспененная эмульсия, которая представляет собой массу пузырьков кислорода, распределенных в объеме жидкости. Сама жидкость состоит из двух фаз, которые не смешиваются друг с другом при нормальных условиях. В зависимости от своего состава вспененные эмульсии находят применение в разных сферах промышленности, используются в качестве моющих средств и пищевых добавок.

Сравнительно недавно ученые доказали, что вспененные эмульсии можно использовать как горючее. Результаты предыдущих исследований показывают, что к горению при определенных условиях способны эмульсии с содержанием воды до 95%. При этом вода существенно снижает цену и повышает экологичность вспененных эмульсий по сравнению с традиционными видами топлива.

Системы, применяемые в качестве горючего, состоят из пузырьков кислорода, распределенных в объеме жидкости и необходимых для горения, и эмульсии, которая содержит масло и воду. Для того чтобы масло смешалось с водой и они образовали однородную смесь, в систему добавляют молекулы поверхностно-активного вещества, которое «склеивает» водную и масляную части.

Ученые проанализировали горение нескольких эмульсий с содержанием воды более 40% и выяснили механизм их горения. Оказалось, что этот процесс отличается от сгорания пены на водной основе (в отличие от эмульсии она содержит только две части: однородную жидкость и растворенный в ней газ). Также ученые измерили все основные характеристики процесса горения: преддетонационное ускорение пламени (расстояние от точки зажигания до возникновения детонации), скорость горения и скорость распространения пламени.

По словам авторов работы, во время горения вспененной эмульсии пена внутри нее распадается. Из-за этого образуются капли воды, которые определяют потери тепловой энергии очага возгорания. Диаметр капель очень сильно влияет на тепловой эффект реакции, температуру горения и показатели пламени, поэтому, чтобы получить полную модель сжигания эмульсии, этот диаметр очень важно определить экспериментально. Для этого ученые фотографировали поток продуктов сгорания, полученных после прохождения смеси через лазерный луч. Для исследования детонационных характеристик ученые проводили другой эксперимент: они сжигали эмульсию внутри небольшой трубки и замеряли скорость распространения пламени и его преддетонационное ускорение. Анализ этих измерений показал, что ускоренное горение, как правило, сопровождается возникновением волн небольшого давления и уменьшением размера образующихся капель воды. Эти данные помогли установить механизм горения и влияние на него различных факторов.

«В этой работе мы впервые представили экспериментальные результаты одновременных измерений скорости пламени и распределения давления внутри трубки при горении вспененной эмульсии. Взаимодействие волн сжатия с фронтом пламени может влиять на скорость горения вспениваемой эмульсии. Как мы предполагаем, ускорение пламени и детонация эмульсии связаны с взрывным кипением жидкой фазы системы», – говорит автор работы, ведущий научный сотрудник ОИВТ РАН Борис Кичатов.