Химические взаимодействия в форсунках с окисляющим компонентом и химически реагирующим агентом могут либо вызывать слабую реакцию, вызывающую медленное окисление реактивного компонента, либо быстро развиваться и вызывать тепловой разгон, что приводит к быстрому повышению температуры, которое самопроизвольно вызывает возгорание. Самовоспламенение происходит, когда это самовозгорание приводит к появлению видимого пламени. В статье, опубликованной ранее на этой неделе в журнале SIAM Journal on Applied Mathematics, Питер В. Гордон, Удай Г. Хегде и Майкл К. Хикс представляют математическую модель самовоспламенения в турбулентных струях свободного вращения.
Математика самовоспламенения в реактивных материалах восходит к 20-30-м годам, особенно к ранним работам Николая Семенова, Давида Франк-Каменецкого и Якова Борисовича Зельдовича. Их исследования основали математическую теорию горения, называемую теорией теплового взрыва, и последующие исследования, как правило, основывались на их выводах. Все исследования теплового взрыва характерно объединяет одна общая истина: до самовоспламенения динамика реактивных систем довольно проста.
В результате ученые могут упростить систему уравнений, управляющих эволюцией реактивных систем, для создания и детального изучения моделей самовоспламенения.Гордон и др. использовать последние экспериментальные достижения в изучении гидротермального пламени для анализа самовоспламенения в свободных струях. Впервые наблюдаемое около 30 лет назад, гидротермальное пламя возникает в водной (водной) среде при условиях, превышающих термодинамическую критическую точку воды. Они являются ключевым компонентом развивающейся «зеленой» технологии очистки воды, называемой сверхкритическим окислением воды (SCWO), и возникают самопроизвольно во время SCWO из-за самовоспламенения. «Основное преимущество этой технологии состоит в том, что она обеспечивает почти идеальную конверсию потоков органических загрязненных отходов без образования вредных промежуточных веществ», — сказал Хикс. «Присутствие гидротермального пламени в устройствах SCWO часто желательно, поскольку оно позволяет существенно сократить время реакции — с секунд до миллисекунд, тем самым значительно увеличивая скорость разложения».
Экспериментальные исследования гидротермального пламени обычно включают закрытый сосуд для сжигания с впускным отверстием. Авторы выводят простейшую модель самовоспламенения для полностью развитой круглой турбулентной реактивной струи. Струя формируется за счет впрыска топлива и окислителя в емкость, содержащую чистую воду в сверхкритическом состоянии в состоянии покоя.
Вводимый поток создает круглую струю, которая может быть ламинарной (плавный с параллельным потоком) или турбулентной (неравномерной). При подходящих условиях струя автоматически воспламеняется в осевом направлении после точки впрыска.Чтобы наглядно проиллюстрировать самовоспламенение, Gordon et al. сделать определенные предположения о форме и общих условиях струи. «Ключевые экспериментальные факты, которые мы используем в нашей теории, заключаются в том, что форма струи, а также поля скорости и концентрации веществ внутри струи до самовоспламенения могут рассматриваться как заранее предписанные», — сказал Гордон. «В частности, в первом приближении основная область струи принимает форму усеченного конуса (конуса со срезанной заостренной вершиной).
Причем скорость внутри основной части струи — в направлении, перпендикулярном струя — незначительна по сравнению со струей в направлении впрыска. Последняя радиально симметрична и обратно пропорциональна расстоянию от точки впрыска, и то же самое относится к полям концентрации реактивных и окисляющих компонентов внутри струи ».
Используя экспериментальные наблюдения и сделанные выше предположения, авторы разделяют гидродинамическую и реактивную составляющие модели. Это значительно упрощает самовоспламенение, сводя его к одному дифференциальному уравнению. «Проблема сводится к анализу одного уравнения, описывающего эволюцию температурного поля внутри струи, которое мы можем проанализировать, используя общие рамки теории теплового взрыва Франка-Каменецкого», — сказал Гордон. «Это приводит к точной характеристике события самовоспламенения с точки зрения основных физико-химических и геометрических параметров».Модель Гордона и др. Является аналогом их предыдущей модели самовоспламенения для ламинарных сопутствующих струй и раскрывает некоторые ценные истины о самовоспламенении. «Результаты анализа модели позволяют нам соотнести конкретные значения основных физико-химических и геометрических параметров проблемы с событием самовоспламенения или его отсутствием», — сказал Хегде. «Это, в свою очередь, позволяет идентифицировать параметрические режимы, в которых имеет место самовоспламенение, и, следовательно, может использоваться при проведении экспериментальных исследований гидротермального пламени».
Выводы авторов будут служить экспериментальным исследованиям ученых, изучающих связь между гидротермальным пламенем и самовоспламенением. «Эта работа применима при проектировании реакторов SCWO следующего поколения, которые будут полагаться на самовозгорание и последующий контроль гидротермального пламени для поддержания температуры и кинетики реакций процессов SCWO в реальных приложениях, таких как очистка отходов и регенерация воды», — сказал Хикс. сказал. Такие исследования проводятся в Исследовательском центре Гленна НАСА в Кливленде, штат Огайо.«В настоящее время мы проводим лабораторные эксперименты с гидротермальным пламенем в среде, загрязненной органическими веществами, чтобы проверить предсказания модели», — сказал Хегде. «В качественном отношении мы уже увидели хорошее согласие с предсказанными модельными тенденциями.
Количественные сравнения более сложны из-за технических трудностей, связанных с выполнением точных измерений на месте в средах SCWO, и являются предметом текущей и будущей работы».