Учёные Казахского национального университета имени аль-Фараби оптимизируют процессы горения с помощью 3D-моделирования

В Казахском национальном университете имени аль-Фараби реализуется масштабный научный проект, направленный на оптимизацию процессов сжигания жидких углеводородных топлив. Исследование основано на применении современных методов 3D-компьютерного моделирования и физических подходов и посвящено комплексному анализу теплофизических процессов, протекающих в камерах сгорания. Проект выполняется в рамках приоритетного научного направления «Интеллектуальный потенциал страны» и ориентирован на повышение энергетической эффективности и снижение экологической нагрузки.

Жидкие углеводородные топлива — бензин, дизельное топливо и другие нефтепродукты — по-прежнему остаются ключевыми источниками энергии в транспорте, промышленности и теплоэнергетике. Несмотря на активное развитие возобновляемых источников энергии, их полная замена традиционных ресурсов пока невозможна. В этой связи особую актуальность приобретает задача повышения эффективности и экологической безопасности процессов горения.

Основная цель проекта — исследование физических механизмов распыла, дробления, диспергирования и испарения жидкого топлива в условиях высокой турбулентности в камерах сгорания, а также определение оптимальных режимов горения на основе компьютерного моделирования. Для этого разрабатывается комплексная трёхмерная модель, основанная на физико-математических, геометрических принципах и глобальной химической кинетике. Модель позволяет описывать движение топливных капель, их взаимодействие, воспламенение и образование продуктов реакции.

В ходе исследования используются современные вычислительные технологии, позволяющие строить расчётную сетку с учётом реальной геометрии камеры сгорания. Компьютерные эксперименты проводятся при варьировании размеров, температуры и массы капель топлива, а также параметров впрыска. В результате определяются температурные поля, динамика двухфазного потока, распределение концентраций продуктов сгорания (оксидов углерода, оксидов азота и других соединений), плотность тепловых потоков и поля векторов скоростей. Полученные данные визуализируются с помощью трёхмерных графических инструментов.

Научная новизна проекта заключается в разработке статистической модели распыла жидкого топлива в условиях высокой турбулентности. Модель описывает механизмы дробления, коалесценции, конденсации и испарения капель, что позволяет прогнозировать поведение системы при различных режимах работы. Результаты моделирования сопоставляются с экспериментальными лабораторными данными, что обеспечивает верификацию и подтверждение достоверности полученных выводов.

Практическая значимость проекта заключается в возможности оптимизации процессов горения, снижении расхода топлива и повышении коэффициента полезного действия теплотехнических установок. Одновременно достигается сокращение вредных выбросов — углекислого газа, оксидов азота и твёрдых частиц, — что способствует улучшению качества атмосферного воздуха. Это особенно важно в условиях ужесточения экологических требований.

Для Казахстана подобные исследования имеют стратегическое значение, поскольку углеводородные ресурсы занимают важное место в экономике страны. Их рациональное и экологически ответственное использование является одним из ключевых факторов энергетической безопасности. Разработанные в рамках проекта научные решения могут быть использованы при совершенствовании теплотехнического оборудования и систем впрыска топлива, а также при создании новых технологий сжигания.

Результаты исследования планируется публиковать в международных научных журналах, индексируемых в базах Web of Science и Scopus, а также в отечественных рецензируемых изданиях. Проект также способствует подготовке молодых учёных, магистрантов и докторантов, которые принимают участие в разработке вычислительных моделей, совершенствовании программных комплексов и анализе полученных результатов.

Таким образом, реализуемый проект направлен на формирование нового научного уровня в области исследования процессов сжигания жидких углеводородных топлив. Сочетание 3D-компьютерного моделирования и физических методов позволяет глубже понять механизмы горения, повысить эффективность энергетических систем и снизить их негативное воздействие на окружающую среду, обеспечивая устойчивое развитие и технологический прогресс.