Jets zijn snelle stromen van vloeistoffen of gassen die krachtig in een omringend medium schieten. Als er ontvlambare stoffen in het spel zijn, verbranding - snelle chemische reacties die resulteren in warmte en licht - kunnen optreden. Verbranding in jets kent vele industriële en technologische toepassingen, en is dus van groot belang voor wetenschappers en ingenieurs.

De chemische interacties in stralen met een oxiderende component en een chemisch reagerend middel kunnen ofwel een zwakke reactie veroorzaken die langzame oxidatie in de reactieve component induceert, of snel ontwikkelen en thermische runaway veroorzaken, wat resulteert in een snelle temperatuurstijging die spontaan verbranding veroorzaakt. Zelfontbranding treedt op wanneer deze zelfontbranding resulteert in een zichtbare vlam. In een artikel dat eerder deze week in de SIAM Journal on Applied Mathematics , Peter V. Gordon, Uday G. Hegde, en Michael C. Hicks presenteren een wiskundig model voor zelfontsteking in vrije ronde turbulente jets.

De wiskunde van zelfontbranding in reactieve materialen dateert uit de jaren twintig en dertig, vooral aan het vroege werk van Nikolay Semenov, David Frank-Kamenetskii, en Yakov Borisovitsj Zel'dovich. Hun onderzoek bracht een wiskundige verbrandingstheorie tot stand, de theorie van thermische explosie, en daaropvolgende studies waren meestal gebaseerd op hun bevindingen. Een gemeenschappelijke waarheid verenigt kenmerkend alle thermische explosiestudies:voorafgaand aan zelfontbranding, de dynamiek van de reactieve systemen is vrij eenvoudig. Als resultaat, wetenschappers kunnen een systeem van vergelijkingen vereenvoudigen dat de evolutie van reactieve systemen regelt om modellen van zelfontsteking tot in detail te creëren en te onderzoeken.

Gordon et al. gebruik recente experimentele vooruitgang in de studie van hydrothermische vlammen om zelfontsteking in vrije jets te analyseren. Ongeveer 30 jaar geleden voor het eerst waargenomen, hydrothermische vlammen ontstaan ​​in waterige (water)omgevingen bij omstandigheden boven het thermodynamische kritische punt van water. Ze vormen een belangrijk onderdeel van een opkomende "groene" waterzuiveringstechnologie genaamd superkritische wateroxidatie (SCWO), en spontaan optreden tijdens SCWO via zelfontsteking. "Het belangrijkste voordeel van deze technologie is dat het bijna perfecte conversiepercentages van organisch verontreinigde afvalstromen mogelijk maakt zonder schadelijke tussenproducten te produceren, "Zei Hicks. "De aanwezigheid van hydrothermische vlammen in SCWO-apparaten is vaak wenselijk omdat het de reactietijden aanzienlijk verkort - van seconden tot milliseconden - waardoor de ontledingssnelheid drastisch wordt verhoogd."

Experimentele studies van hydrothermische vlammen omvatten typisch een gesloten verbrandingsvat met een injectie-inlaat. De auteurs leiden een elementair zelfontstekingsmodel af voor een volledig ontwikkeld, ronde turbulente reactieve straal. De straal wordt gevormd door injectie van brandstof en oxidatiemiddel in het vat, die in rust zuiver water bevat in een superkritische toestand. De geïnjecteerde stroom creëert een ronde straal die ofwel laminair (glad met parallelle stroming) of turbulent (onregelmatig) is. Als de omstandigheden goed zijn, de straal ontsteekt automatisch axiaal stroomafwaarts van het injectiepunt.

Om autoignition effectief te illustreren, Gordon et al. maak bepaalde aannames over de vorm van de jet en de algemene omstandigheden. "De belangrijkste experimentele feiten die we in onze theorie gebruiken, is dat de vorm van de jet, evenals de snelheids- en concentratievelden van de soorten in de jet voorafgaand aan zelfontbranding, kan worden gezien als a priori voorgeschreven, "Zei Gordon. "Specifiek, in een eerste benadering, het hoofdgebied van de straal neemt de vorm aan van een kegelvormige afgeknotte kegel (een kegel waarvan de puntige bovenkant is afgesneden). Bovendien, de snelheid in het hoofdgedeelte van de straal - in de richting loodrecht op de straal - is verwaarloosbaar in vergelijking met die in de injectierichting. Deze laatste is radiaal symmetrisch en omgekeerd evenredig met de afstand vanaf het injectiepunt, en hetzelfde geldt voor concentratievelden van reactieve en oxiderende componenten in de jet."

Met behulp van experimentele waarnemingen en de bovengenoemde aannames, de auteurs scheiden de hydrodynamische en reactieve componenten van het model. Dit vereenvoudigt de zelfontbranding drastisch, reduceren tot één differentiaalvergelijking. "Het probleem beperkt zich tot de analyse van een enkele vergelijking die de evolutie van het temperatuurveld in de jet beschrijft, die we kunnen analyseren met behulp van een algemeen kader van de Frank-Kamenetskii-theorie van thermische explosie, "Zei Gordon. "Dit leidt tot een scherpe karakterisering van een zelfontstekingsgebeurtenis in termen van belangrijkste fysisch-chemische en geometrische parameters."

Het model van Gordon et al. is een tegenhanger van hun vorige model van zelfontbranding voor laminaire meestroomjets, en onthult enkele waardevolle waarheden over zelfontsteking. "De resultaten van de analyse van het model stellen ons in staat om specifieke waarden van de belangrijkste fysisch-chemische en geometrische parameters van het probleem te correleren met het geval van zelfontsteking, of afwezigheid daarvan, "zei Hegde. "Dit, beurtelings, maakt het mogelijk om parametrische regimes te identificeren waar zelfontsteking plaatsvindt, en kan daarom worden gebruikt bij het begeleiden van experimentele studies van hydrothermische vlammen."

De conclusies van de auteurs zullen dienen voor de experimentele studies van wetenschappers die de relatie tussen hydrothermische vlammen en zelfontsteking onderzoeken. "Dit werk is toepasbaar bij het ontwerp van SCWO-reactoren van de volgende generatie die zullen vertrouwen op de spontane ontbranding en daaropvolgende controle van hydrothermische vlammen om de temperaturen en reactiekinetiek van SCWO-processen in toepassingen in de echte wereld te ondersteunen, zoals afvalsanering en waterterugwinning, " zei Hicks. Dergelijk onderzoek vindt plaats in het Glenn Research Center van NASA, in Cleveland, Ohio.

"We voeren momenteel laboratoriumexperimenten uit met hydrothermische vlammen in organisch verontreinigde omgevingen om de modelvoorspellingen te verifiëren, "Zei Hegde. "Kwalitatief, we hebben al goede overeenstemming gezien met voorspelde modeltrends. Kwantitatieve vergelijkingen zijn uitdagender vanwege de technische moeilijkheden om nauwkeurige in-situ metingen in SCWO-omgevingen te maken, en zijn het onderwerp van lopende en toekomstige werkzaamheden."