Science >> Wetenschap >  >> Fysica

Een theorie die ontsteking en vlam koppelt, biedt een routekaart naar betere verbrandingsmotoren

De relaties tussen de afstand tot de inlaatgrens en de inlaatsnelheid voor stoichiometrische methaan-luchtmengsels. De open cirkelvormige markeringen betekenen dat de inlaatsnelheid hetzelfde is als de snelheid van de deflagratiegolf. De open stervormige markeringen betekenen dat de inlaatsnelheid gelijk is aan de snelheid van de detonatiegolf. De open ruitvormige markeringen betekenen dat de snelheid de geluidssnelheid binnen de reactiegolf kan overschrijden wanneer de inlaatsnelheid subsonisch is. Credit:Youhi Morii

In een studie gepubliceerd op 18 januari 2024 in het tijdschrift Physics of Fluids , hebben onderzoekers van de Tohoku Universiteit theoretisch de ontsteking en deflagratie in een verbrandingssysteem met elkaar verbonden, waardoor nieuwe configuraties voor stabiele, efficiënte verbrandingsmotoren zijn ontstaan ​​dankzij het mogelijke bestaan ​​van een willekeurig aantal steady-state-oplossingen.



"Dit onderzoek pakt direct de uitdaging aan om de uitstoot van kooldioxide te verminderen door de efficiëntie van verbrandingsmotoren, een belangrijke bron van deze uitstoot, te verbeteren", zegt Youhi Morii van het Institute of Fluid Science van de Tohoku Universiteit.

"Een beter begrip van de verbrandingsdynamica zal ook de ontwikkeling van veiligere, duurzamere technische oplossingen ondersteunen", zegt Kaoru Maruta, eveneens van het Institute of Fluid Science.

De verbrandingsdynamica omvat complexe gekoppelde vloeistof- en chemische reacties. Onderzoekers gebruiken computationele vloeistofdynamica om hen te helpen het proces beter te begrijpen en te controleren.

Als een systeem kan worden gebruikt dat stabiel in een stabiele toestand werkt en een bepaald tolerantiebereik heeft voor kleine verstoringen, zou dit de structuur en controle van branders vereenvoudigen en de haalbaarheid van het commercialiseren van nieuwe branderontwerpen vergroten.

Om dit concept te onderzoeken, hebben de onderzoekers van de Tohoku Universiteit een eenvoudig, eendimensionaal reactief stroomsysteem overwogen, waarbij onverbrand voorgemengd gas een verbrandingskamer binnenkomt vanaf de linker inlaatgrens, terwijl verbrand gas, of deflagratiegolf, de rechter uitlaatgrens verlaat. /P>

De werktheorie tot nu toe stelde dat er alleen een stabiele oplossing bestaat als de inlaatsnelheid overeenkomt met de snelheid van de deflagratiegolf (die zich voortbeweegt met subsonische snelheden) of de snelheid van de detonatiegolf - een schokreactie waarbij de uittredende vlammen reis met supersonische snelheden.

Deze conventionele wijsheid is echter gebaseerd op de veronderstelling dat chemische reacties in de voorverwarmingszone verwaarloosbaar zijn. Recente onderzoeken benadrukken het belang van wat 'zelfontstekingsondersteunde vlammen' worden genoemd, waarbij een deflagratie die zich voortplant in een heet, onverbrand, voorgemengd gasmengsel een snellere voortplantingssnelheid heeft met behulp van chemische reacties vóór de vlam. Dit suggereert dat er een aantal steady-state-oplossingen zijn, die van invloed zijn op de hoeveelheid verblijftijd die het gas vóór de deflagratie blijft.

De uitkomsten van de onder deze omstandigheden uitgevoerde simulaties laten zien dat het verhogen van de inlaattemperatuur de vorming van een zelfontbrandende reactiegolf waarschijnlijker maakt. Bijgevolg leidt dit tot een groter scala aan steady-state-oplossingen, die niet beperkt zijn tot alleen maar deflagratie- en detonatiegolven. Credit:Youhi Morii

Voortbouwend op deze bevindingen ontwierpen de onderzoekers van de Tohoku Universiteit een theorie die met succes de kloof tussen ontstekings- en deflagratiegolven overbrugde, en onthulde het bestaan ​​van aanvullende steady-state-oplossingen die mogelijk zijn als ze rekening houden met de ‘auto-ontbrandingsreactiegolf’ – een golf die wordt beïnvloed door ontsteking in de voorverwarmzone, maar gedraagt ​​zich als een deflagratiegolf.

"In tegenstelling tot de heersende opvatting dat er slechts één stabiele oplossing bestaat voor deflagratiegolven in subsonische eendimensionale systemen, poneert onze benadering een oneindig aantal van dergelijke oplossingen als zelfontbrandende reactiegolven, waarbij wordt beweerd dat ontsteking en vlam intrinsiek met elkaar verbonden zijn", zegt Morii. zei.

Dit betekent dat stabiele oplossingen niet alleen bestaan ​​op de twee punten waar de inlaatsnelheid overeenkomt met de snelheden van de deflagratie- of detonatiegolven, maar ook in een breder gebied als rekening wordt gehouden met zelfontbrandingscondities.

Het team breidde de theorie verder uit naar scenario's met supersonische inlaatsnelheden. In het supersonische regime is het conventionele inzicht dat een stabiele oplossing alleen mogelijk is wanneer de inlaatsnelheid overeenkomt met de snelheid van de detonatiegolf. Omdat de zelfontbrandende reactiegolf echter afkomstig is van nuldimensionale ontsteking, voerden de onderzoekers aan dat deze onafhankelijk zou moeten zijn van de inlaatsnelheid.

"Wij stellen voor dat er een oneindig aantal stabiele oplossingen bestaan ​​voor de zelfontbrandende reactiegolf, zelfs in supersonische omstandigheden", zei Morii.

Door de ontsteking en de vlam theoretisch met elkaar te verbinden, kan de motor nu vanuit een nieuw perspectief worden bekeken. Door rekening te houden met ontstekingsverschijnselen ontstaat de mogelijkheid van een stabielere verbranding, wat leidt tot het idee van een nieuw motorconcept dat efficiënter is dan het conventionele.

"Dit werk aan het stabiliseren van zelfontbrandende reactiegolven markeert een fundamentele doorbraak en kan een revolutie teweegbrengen in het ontwerp van verbrandingssystemen, vooral op het gebied van supersonische verbranding", aldus Morii.

Hoewel theoretische en numerieke resultaten een nieuw motorconcept hebben opgeleverd, is dit nog niet experimenteel geverifieerd. Het team is daarom van plan de onderzoeksresultaten toe te passen op een echte motor door middel van verdere experimentele verificatie door middel van gezamenlijk onderzoek.

Meer informatie: Youhi Morii et al, Algemeen concept voor zelfontbrandende reactiegolven van subsonische tot supersonische regimes, Physics of Fluids (2024). DOI:10.1063/5.0176262

Journaalinformatie: Fysica van vloeistoffen

Aangeboden door Tohoku Universiteit




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Nieuwe methode om sneller en nauwkeuriger antigenen te vinden die specifieke immuuncellen activeren
  2. Cat Chromosome Information
  3. Volghalsbanden onthullen de geheimen van bavianen overvaltactieken
  4. Hoe tardigrades uitdroging overleven
  5. Uit herbebossingsonderzoek blijkt dat slechts enkele boomsoorten een eeuw van snelle klimaatverandering kunnen overleven
  6. Recombinante DNA-technologie voor vaccinontwikkeling
  7. Genetici ontdekken nieuwe ondersoorten van wilde geiten via oud DNA
  8. De IQ-schaal:wat betekent uw IQ-score echt?
  9. Nieuwe bevindingen over de biomechanica en evolutie van zuigvallen in vleesetende blaasjes

Wetenschap