Obrazowanie rentgenowskie przy dużej prędkości ujawniło, że kawitacja znacząco poprawia wydajność strumieni paliwa w silnikach poprzez zwiększenie atomizacji paliwa. Odkrycie to oferuje potencjał projektowania bardziej wydajnych silników, optymalizujących zużycie paliwa w miarę przechodzenia na alternatywne źródła energii.
Kawitacja polega na tworzeniu się pęcherzyków pary w cieczy poddanej szybkiemu przyspieszaniu i może potencjalnie uszkodzić sprzęt, taki jak śmigła statku. Jego wpływ na urządzenia mikroskopowe pozostaje w dużej mierze nieznany. W ramach tego badania naukowcy wykonali obrazy z dużą prędkością kawitujących strumieni paliwa w mikroskali, ujawniając ruch strumieni cieczy z prędkościami dźwiękowymi wytwarzanymi przez wysokociśnieniowe wtryskiwacze paliwa typowe dla silników pojazdów.
Analiza wykazała, że kawitacja wpływa na niewidoczną wcześniej dynamikę przepływu w szerokim zakresie ciśnień i temperatur, co znacznie zwiększa efektywność konwersji energii w procesie wtrysku paliwa.
Obrazowanie rentgenowskie odkrywa tajemnice wydajności wtrysku paliwa
Wykorzystując obrazowanie rentgenowskie, badacze zbadali rolę kawitacji w poprawie wydajności wtrysku paliwa. Wyniki sugerują, że te pęcherzyki pary można wykorzystać do zwiększenia wydajności konwersji energii, szczególnie gdy paliwo jest wtryskiwane bezpośrednio do cylindrów silnika – jest to metoda znana ze zwiększania wydajności spalania.
Odkrycia te mogą pomóc w opracowaniu bardziej wydajnych silników spalinowych, poprawiając w ten sposób wykorzystanie paliw ropopochodnych w miarę przechodzenia na alternatywne źródła energii.
Zaawansowane źródło fotonów usprawnia badania dynamiki płynów
Trudno jest zbadać dynamikę rozpylonego paliwa ciekłego, ponieważ przepływ jest bardzo przejściowy i optycznie nieprzezroczysty. Ultraintensywne wiązki promieniowania rentgenowskiego dostarczane przez unikalny nadprzewodzący helikalny undulator (SCHU) stanowią idealne narzędzie do wizualizacji szybkiej dynamiki paliwa ciekłego. SCHU znajduje się w Advanced Photon Source, obiekcie użytkownika Biura Naukowego Departamentu Energii (DOE), obsługiwanym przez Argonne National Laboratory.
Zespół badawczy wykazał, że źródło SCHU umożliwia obrazowanie z dużą szybkością wynoszącą 65 000 klatek na sekundę przy czasie ekspozycji wynoszącym zaledwie 100 miliardowych części sekundy i rozdzielczości przestrzennej wynoszącej 1 mikrometr. Bezprecedensowa rozdzielczość czasoprzestrzenna jest możliwa dzięki unikalnym właściwościom promieniowania urządzenia SCHU.
Przełomy w dynamice płynów dzięki szybkiemu obrazowaniu
Obrazy, ułatwione dzięki wysoce ilościowej analizie, ujawniają szczegółową dynamikę płynów, która jest nie tylko wrażliwa na parametry hydrodynamiczne, takie jak, co zaskakujące, ciśnienie wtrysku, ale także na ich wzajemne oddziaływanie z temperaturą płynu, ważnym, ale często pomijanym parametrem termodynamicznym.
Po raz pierwszy naukowcy odkryli, że dynamikę przepływu związaną z prędkością płynu można doskonale skalować za pomocą pojedynczego bezwymiarowego parametru, liczby kawitacyjnej, w rozszerzonym zakresie ciśnienia i temperatury. Naukowcy odkryli, że kawitacja pod wysokim ciśnieniem i temperaturą sprzyja osiągnięciu przez strumień cieczy 90% wartości idealnych, znacznie poprawiając konwersję energii podczas procesu atomizacji w nowoczesnych silnikach.
Odniesienie: „Zwiększona efektywność konwersji energii promowana przez kawitację w bezpośrednim wtrysku benzyny”, Qing Zhang, Ya Gao, Miaoqi Chu, Pice Chen, Qingteng Zhang i Jin Wang, 21 listopada 2022 r., Energia.
DOI: 10.1016/j.energy.2022.126117
Badania były częściowo wspierane przez Biuro Naukowe DOE, Biuro Podstawowych Nauk o Energii, Dział Naukowych Obiektów Użytkowników i Krajowe Laboratorium Argonne. W badaniu wykorzystano zasoby Advanced Photon Source, placówki użytkownika Departamentu Nauki DOE obsługiwanej przez Argonne National Laboratory.
