Документ с описанием работы, выполненной исследователями из Исследовательского центра по горению в Сандии и Отделения химических наук и инженерии Аргонны, представлен в выпуске журнала Science от 5 декабря.По словам Арен Джаспер из Sandia, ведущего автора исследования, ученые, работающие в области горения, работали в течение многих лет, чтобы лучше понять тысячи химических реакций, протекающих в процессе горения.По его словам, поскольку ученые определяют и понимают скорости и результаты все большего числа этих реакций, они могут использовать модели для более полного описания того, что происходит внутри двигателя, и, таким образом, лучше прогнозировать эффективность сгорания и выбросы, образующиеся при сгорании.
Более подробное фундаментальное понимание химии горения, в свою очередь, может привести к более чистым и эффективным стратегиям в области проектирования автомобилей и топлива.Аргоннский химик Стивен Клиппенштейн, автор исследования, сказал, что этот метод должен помочь в разработке глобальных моделей для всех химических сред в газовой фазе, включая атмосферу Земли. Более совершенные модели улучшат понимание изменения климата и активизируют усилия по его решению.
Реакции, зависящие от давления, исторически являлись неприятной проблемойМногие из ключевых шагов, лежащих в основе газофазного горения, включают элементарные химические реакции, которые сильно зависят от давления, и исследователям, разрабатывающим модели горения, требуется подробное описание этих реакций.Несмотря на то, что за прошедшие годы был достигнут значительный прогресс в понимании химии горения, исход и скорость химических реакций, зависящих от давления, — тех, которые зависят от давления газа в двигателе, — было очень трудно предсказать.
Эти реакции зависят от давления, потому что перераспределение энергии и углового момента, которое происходит, когда реагирующие молекулы сталкиваются с другими молекулами газа, изменяет скорость и исход реакций.Предыдущие качественные исследования были сосредоточены на том, как различные молекулярные свойства влияют на скорость передачи энергии, но ни один точный метод не мог сделать априорные предсказания констант скорости, то есть предсказания, основанные на теоретических выводах, а не на наблюдениях.«Мы отчаянно нуждались в способности вычислять и точно рассчитывать, как химические реакции зависят от температуры и давления, и теперь у нас это есть», — сказал Джаспер.
Сосредоточение внимания на передаче энергии приводит к техническому решениюКоманда сосредоточилась на моделировании столкновений молекул в атомистических деталях и описании передачи энергии и углового момента, которые происходят в результате этих столкновений.
«Нам удалось использовать более точные модели для описания взаимодействия сталкивающихся частиц и сосредоточить внимание только на тех аспектах передачи энергии, которые наиболее важны для определения скорости реакции», — сказал Джаспер. Это позволило исследователям разработать подробное описание последствий столкновения.Затем Джаспер и его коллеги смогли получить эту информацию о результате столкновения, используя прямые «классические траектории», которые явно описывают движение атомов в молекулах, и использовать эту информацию для расчета скоростей химических реакций.По словам Джаспера, ключевым шагом стала разработка модели для функции передачи энергии столкновения и углового момента, которая воспроизводила подробные характеристики, предсказанные траекториями, и была достаточно простой, чтобы ее можно было использовать в практических расчетах скорости реакции.
«Поиск способа точно вычислить и представить передачу энергии и углового момента от этих колебательно-возбужденных молекул оказалось последней частью, необходимой для решения проблемы», — сказал Джаспер.«Общая теоретическая модель довольно сложна, включает в себя множество отдельных, не связанных друг с другом вычислений, и удивительно, насколько точно можно теперь рассматривать все аспекты проблемы при разработке таких полностью априорных предсказаний», — сказал Клиппенштейн.
Соавторами исследования также были Клиппенштейн и Ларри Хардинг, оба выдающиеся научные сотрудники в Аргонне, и влиятельный разработчик моделей горения Джим Миллер, бывший сотрудник Sandia, ныне работающий в Аргонне. Работа является продолжением многолетних разработок команды по основному уравнению и элементарным теориям скорости реакции.
«Эти усилия были настоящим сотрудничеством с обеими лабораториями, играющими ключевую роль в интеллектуальных основах работы, а также в реальных вычислениях», — отметил Клиппенштейн. «Объединенный опыт в расчетах передачи энергии и в теориях скорости реакции сыграл ключевую роль в успехе проекта».Миллер добавил: «Сплоченная, но сплоченная рабочая группа была создана с этими экспертами по моделированию горения на протяжении многих лет, и у нас сложились прекрасные профессиональные отношения, которые привели к этому техническому достижению».