En model til autoignition i turbulente jetfly

Stråler er hurtige strømme af væsker eller gasser, der kraftigt skyder ind i et omgivende medium. Når der er tale om antændelige stoffer, forbrænding - hurtige kemiske reaktioner, der resulterer i varme og lys - kan forekomme. Forbrænding i jetfly har mange industrielle og teknologiske anvendelser, og er således af stor interesse for forskere og ingeniører.

De kemiske interaktioner i jetfly med en oxiderende komponent og et kemisk reagerende middel kan enten frembringe en svag reaktion, der fremkalder langsom oxidation i den reaktive komponent, eller udvikle dig hurtigt og tilskynde til termisk løb, hvilket resulterer i en hurtig temperaturstigning, der spontant udløser forbrænding. Selvantændelse opstår, når denne spontane forbrænding resulterer i en synlig flamme. I et papir, der blev offentliggjort tidligere på ugen i SIAM Journal on Applied Mathematics , Peter V.Gordon, Uday G. Hegde, og Michael C. Hicks præsenterer en matematisk model for autoignition i frie turbulente jetfly.

Selvantændelsens matematik i reaktive materialer går tilbage til 1920'erne og 30'erne, især til det tidlige arbejde med Nikolay Semenov, David Frank-Kamenetskii, og Yakov Borisovich Zel'dovich. Deres forskning etablerede en matematisk forbrændingsteori kaldet teorien om termisk eksplosion, og efterfølgende undersøgelser var typisk baseret på deres fund. En fælles sandhed forener karakteristisk alle termiske eksplosionsundersøgelser:før autoignition, de reaktive systemers dynamik er ret ligetil. Som resultat, forskere kan forenkle et ligningssystem, der styrer udviklingen af ​​reaktive systemer for at skabe og undersøge modeller for autoignition i detaljer.

Gordon et al. bruge nylige eksperimentelle fremskridt i undersøgelsen af ​​hydrotermiske flammer til at analysere autoignition i frie jetfly. Først observeret for omkring 30 år siden, hydrotermiske flammer opstår i vandige (vand) miljøer ved forhold over det termodynamiske kritiske punkt for vand. De er en nøglekomponent i en spirende "grøn" vandrensningsteknologi kaldet superkritisk vandoxidation (SCWO), og forekommer spontant under SCWO via autoignition. "Den største fordel ved denne teknologi er, at den tillader næsten perfekte konverteringshastigheder for organisk kontaminerede affaldsstrømme uden at producere skadelige mellemarter, "Hicks sagde." Tilstedeværelsen af ​​hydrotermiske flammer i SCWO-enheder er ofte ønskelig, da det giver mulighed for væsentligt reducerede reaktionstider-fra sekunder til millisekunder-og derved dramatisk øger nedbrydningshastighederne. "

Eksperimentelle undersøgelser af hydrotermiske flammer involverer typisk et lukket forbrændingsbeholder med et injektionsindløb. Forfatterne udleder en elementær autoignitionsmodel for en fuldt udviklet, rund turbulent reaktiv jet. Strålen dannes ved indsprøjtning af brændstof og oxidator i beholderen, som indeholder rent vand i en superkritisk tilstand i hvile. Den injicerede strøm skaber en rund stråle, der enten er laminær (glat med parallelstrøm) eller turbulent (uregelmæssig). Når forholdene er rigtige, strålen autoignitter aksialt nedstrøms fra injektionspunktet.

For effektivt at illustrere autoignition, Gordon et al. gøre visse antagelser om jetens form og overordnede forhold. "De vigtigste eksperimentelle fakta, vi bruger i vores teori, er, at jetens form, såvel som hastigheds- og koncentrationsfelterne for arten inden i strålen før autoignition, kan ses som foreskrevet på forhånd "Sagde Gordon." Specifikt, i en første tilnærmelse, jetens hovedområde antager formen af ​​en konisk frustum (en kegle med den spidse top skåret af). I øvrigt, hastigheden inden for hoveddelen af ​​strålen - i retningen vinkelret på strålen - er ubetydelig i forhold til en i injektionsretningen. Sidstnævnte er radialt symmetrisk og omvendt proportional med afstanden fra injektionspunktet, og det samme gælder koncentrationsfelter af reaktive og oxiderende komponenter i strålen. "

Ved hjælp af eksperimentelle observationer og de førnævnte antagelser, forfatterne adskiller modellens hydrodynamiske og reaktive komponenter. Dette forenkler autoignition drastisk, reducere det til en differentialligning. "Problemet reduceres til analyse af en enkelt ligning, der beskriver udviklingen af ​​temperaturfeltet i strålen, som vi kan analysere ved hjælp af en generel ramme for Frank-Kamenetskii-teorien om termisk eksplosion, "Gordon sagde." Dette fører til skarp karakterisering af en autoignitionshændelse med hensyn til de vigtigste fysisk -kemiske og geometriske parametre. "

Gordon et al .'s model er et modstykke til deres tidligere model for autoignition til laminære co-flow jets, og afslører nogle værdifulde sandheder om autoignition. "Resultaterne af modellens analyse giver os mulighed for at korrelere specifikke værdier for de vigtigste fysisk -kemiske og geometriske parametre for problemet med autoignition, eller fravær deraf, "Sagde Hegde." Dette, på tur, giver mulighed for at identificere parametriske regimer, hvor autoignition finder sted, og kan derfor bruges til at guide eksperimentelle undersøgelser af hydrotermiske flammer. "

Forfatternes konklusioner vil tjene de eksperimentelle undersøgelser af forskere, der undersøger forholdet mellem hydrotermiske flammer og autoignition. "Dette arbejde kan anvendes i designet af næste generations SCWO-reaktorer, der vil stole på spontan tænding og efterfølgende kontrol af hydrotermiske flammer for at opretholde temperaturer og reaktionskinetik for SCWO-processer i virkelige verdener, som affaldssanering og genvinding af vand, "Sagde Hicks. Sådan forskning sker ved NASA's Glenn Research Center, i Cleveland, Ohio.

"Vi udfører i øjeblikket laboratorieforsøg med hydrotermiske flammer i organisk kontaminerede miljøer for at verificere modelforudsigelserne, "Sagde Hegde." Kvalitativt, vi har allerede set god overensstemmelse med forudsagte modeltendenser. Kvantitative sammenligninger er mere udfordrende på grund af de tekniske vanskeligheder ved at foretage præcise in situ -målinger i SCWO -miljøer, og er genstand for løbende og fremtidigt arbejde. "