В Самарском университете строят уникальную установку для исследования реакций горения

В Самарском национальном исследовательском университете имени академика С.П. Королева в рамках мегагранта, выделенного правительством РФ, создается экспериментальная установка для исследования реакций горения. Эта работа ведется под руководством профессора Международного университета Флориды Александра Мебеля. По результатам исследований коллектив ученых предложит инженерам-двигателистам физически обоснованные модели горения для конструирования принципиально новых экологичных и энергоэффективных камер сгорания для газотурбинных двигателей.
Задача сотрудников лаборатории под руководством Александра Мебеля - разработать физически обоснованные модели горения на основе получения новых данных о химических процессах горения и характеристик пламен.
Проект направлен на решение злободневной проблемы - предотвращение загрязнения окружающей среды. Международные нормы на эмиссию вредных выбросов постоянно ужесточаются и для обеспечения конкурентоспособности российских производителей нужны новые экологически чистые технологии горения.
"Важно минимизировать образование сажи, канцерогенных веществ еще на этапе проектирования двигателей внутреннего сгорания, дизеля, газовых турбин, авиационных и ракетных двигателей. А чтобы их минимизировать, необходимо понять, как они образуются. Для этого в рамках работы над мегагрантом мы исследуем соответствующие фундаментальные механизмы", - пояснил Александр Мебель.
По словам ученого, лаборатория, которая создается для решения этих задач по уровню своей оснащенности приборной базой и по квалификации участников будет одной из лучших в мире. Уникальность лаборатории в том, что в ней будет реализован завершенный цикл исследований процессов горения, начиная от изучения элементарных атомно-молекулярных столкновений до разработок экологически чистых и энергоэффективных технологий горения.
В лаборатории будет построена экспериментальная установка для исследования реакций горения. "Таких установок в мире всего три - в США (в Беркли и на Гавайях) и в Китае (Хэфей), - пояснил профессор Международного Университета Флориды. - Для строительства четвертой установки в Самарском университете сейчас закупается оборудование: турбомолекулярные насосы, которые позволяют обеспечивать очень высокий вакуум (из Японии), масс-спектрометр (из США), а необходимой лазерной системой уже располагают НОЦ ФНОС и НОЦ ГДИ Самарского университета".
К сборке экспериментальной установки ученые приступят в начале лета 2018 года, чтобы уже следующей осенью продемонстрировать первые результаты испытаний.
Пока же коллектив лаборатории занимается теоретическими расчетами, которые, в частности, касаются механизмов реакций ароматических углеводородов с различными окислителями. "В рамках экспериментов мы планируем добавлять в качестве окислителя вместе с кислородом озон - это будет способствовать более эффективному и быстрому горению", - привел пример Александр Мебель. Одна из последних научных статей коллектива лаборатории на эту тему вышла в мае 2017 года в ведущем журнале по проблемам горения "Combustion and Flame", индексируемом Scopus и Web of Science. В данной работе изложены квантово-химические расчеты и выведенные на их основе уравнения для скоростей химических реакций, которые могут быть использованы для моделирования поведения пламени.
Ученые будут детально изучать элементарные атомно-молекулярные процессы, в ходе которых в камерах сгорания различных типов образуются и распадаются вредные вещества. В частности, Александра Мебеля интересуют процессы образования и окисления полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Изучением процессов окисления углеводородных колец он занимается уже 20 лет.
"Ранее понимания механизмов элементарных реакций на молекулярном уровне не было. Только когда появились быстрые компьютеры - то есть в последние 50 лет - стало возможно проводить расчеты для молекул, которые интересны не только теоретикам, но и практикам. И сейчас, например, мы можем достаточно точно рассчитывать молекулы, состоящие из 200 атомов", - пояснил Александр Мебель.
Также в ходе работы над мегагрантом ученым предстоит рассчитать, при каких условиях химические реакции ведут к полному сгоранию энерговыгодных продуктов. Это необходимо для того, чтобы новые камеры сгорания были более энергоэффективными и работали с гораздо большим КПД, чем сейчас.
После того как ученые сделают все необходимые теоретические расчеты и прогнозы, компьютерные модели горения проверят уже в ходе эксперимента. Для этого будут использованы лазерные установки. После получения экспериментального подтверждения корректности и точности, полученные надежные модели горения (которые позволят рассчитать как ведет себя пламя в различных камерах сгорания) передадут инженерам-двигателистам для конструирования оптимальной конструкции камер сгорания двигателей.
"Мы занимается фундаментальной наукой, на основе которой можно разработать модели горения воздушно-топливных смесей, которые позволят инженерам проектировать новые реальные модели двигателей. Это основная задача мегагранта", - добавил Александр Мебель.
Ученый предполагает, что переход на принципиально новые экологичные газотурбинные двигатели - это вопрос 5-10 лет: "Модели двигателей становятся все современнее. Важно, чтобы и уровень научных исследований в университете соответствовал мировым стандартам. Усиление позиций Самарского университета в данном направлении исследований - также одна из целей мегагранта, над которым мы работаем".
Для справки
В сентябре 2016 г. Самарский университет стал победителем конкурса правительства РФ на получение мегагрантов по теме "Разработка физически обоснованных моделей горения" в рамках государственной поддержки научных исследований. Ученые начали проводить исследования по теме мегагранта в 2017 г. и продолжат до 2019 года. Для реализации мегагранта создана международная научная лаборатория "Физика и химия горения" под руководством профессора Международного университета Флориды Александра Мебеля. Результаты исследований, проводимых учеными Самарского университета в тесной кооперации как с международными, так и с российскими научными центрами будут способствовать созданию более экологичных и эффективных камер сгорания газотурбинных двигателей.
Фото: Екатерина Винокурова (фотоклуб "Иллюминатор")