Общая концепция перехода волны самовоспламеняющейся реакции от дозвукового режима к сверхзвуковому
Физики теоретически связали воспламенение и дефлаграцию в системе сгорания, открыв новые конфигурации для стабильных и эффективных двигателей внутреннего сгорания благодаря возможному существованию любого количества устойчивых процессов. Была рассмотрена простая одномерная система реактивного потока, где несгоревший предварительно смешанный газ поступал в камеру сгорания через левую входную границу, а сгоревший газ или волна горения выходил из правой выходной границы. Разработана теория, которая преодолела разрыв между волнами воспламенения и дефлаграции, открыв существование дополнительных стационарных решений. Выяснено, что стационарные решения существуют не только в двух точках, где скорость на входе соответствует скоростям волн горения или детонации, но и в более широкой области, если рассматривать условия самовоспламенения.
Зависимость расстояния от входной границы и входной скорости для стехиометрических метановоздушных смесей. Маркеры в форме незакрашенного круга означают, что скорость на входе равна скорости волны дефлаграции. Открытые звездочки означают, что скорость на входе равна скорости детонационной волны. Открытые ромбовидные маркеры означают, что скорость может превышать скорость звука внутри реакционной волны, когда входная скорость дозвуковая. Автор фото: Юхи Мории
В работе, опубликованной 18 января 2024 года в журнале «Физика жидкостей», исследователи из Университета Тохоку теоретически связали воспламенение и дефлаграцию в системе сгорания, открыв новые конфигурации для стабильных и эффективных двигателей внутреннего сгорания благодаря возможному существованию любого количества устойчивых процессов.
«Это исследование напрямую решает проблему сокращения выбросов углекислого газа за счет повышения эффективности двигателей внутреннего сгорания, которые являются важным источником этих выбросов», — сказал Юхи Мории из Института гидродинамики Университета Тохоку.
«Лучшее понимание динамики сгорания также будет способствовать разработке более безопасных и устойчивых инженерных решений», — сказал Каору Марута, также из Института гидродинамики.
Динамика горения включает сложные связанные между собой жидкости и химические реакции. Исследователи используют вычислительную гидродинамику, чтобы лучше понять и контролировать процесс.
Если можно использовать систему, которая стабильно работает в установившемся режиме и имеет определенный диапазон допуска для небольших возмущений, это упростит структуру и управление камерами сгорания, а также повысит осуществимость коммерциализации новых конструкций камер сгорания.
Чтобы изучить эту концепцию, исследователи из Университета Тохоку рассмотрели простую одномерную систему реактивного потока, в которой несгоревший предварительно смешанный газ поступает в камеру сгорания через левую входную границу, а сгоревший газ или волна горения выходит из правой выходной границы.
До этого момента рабочая теория считала, что стационарное решение существует только тогда, когда скорость на входе соответствует либо скорости волны горения (которая распространяется с дозвуковой скоростью), либо скорости детонационной волны — ударной реакции, при которой выходящее пламя путешествовать со сверхзвуковой скоростью.
Однако это общепринятое мнение основано на предположении, что химические реакции в зоне предварительного нагрева незначительны. Недавние исследования подчеркивают значение так называемого «пламени с самовоспламенением», при котором горение, распространяющееся в горячей несгоревшей предварительно смешанной газовой смеси, имеет более высокую скорость распространения за счет химических реакций перед пламенем. Это говорит о том, что существует множество стационарных решений, которые влияют на количество времени пребывания газа перед дефлаграцией.
Результаты моделирования, проведенного в данных условиях, показывают, что повышение температуры на входе повышает вероятность формирования волны самовоспламеняющейся реакции. Следовательно, это приводит к более широкому диапазону стационарных решений, не ограничиваясь только волнами горения и детонации. Автор фото: Юхи Мории
Основываясь на этих выводах, исследователи из Университета Тохоку разработали теорию, которая успешно преодолела разрыв между волнами воспламенения и дефлаграции, открыв существование дополнительных стационарных решений, которые возможны, если они рассматривают «волну самовоспламеняющейся реакции» — волну, на которую воздействуют воспламенением в зоне предварительного нагрева, но ведет себя как волна дефлаграции.
«Вопреки преобладающему мнению, что существует только одно стационарное решение для волн горения в дозвуковых одномерных системах, наш подход постулирует бесконечное количество таких решений, таких как волны самовоспламенения, утверждая, что воспламенение и пламя неразрывно связаны», — Мории сказал.
Это означает, что стационарные решения существуют не только в двух точках, где скорость на входе соответствует скоростям волн горения или детонации, но и в более широкой области, если рассматривать условия самовоспламенения.
Команда далее распространила теорию на сценарии, включающие сверхзвуковые скорости на входе. В сверхзвуковом режиме принято считать, что стационарное решение возможно только тогда, когда скорость на входе соответствует скорости детонационной волны. Однако, учитывая, что волна самовоспламенения возникает в результате нульмерного зажигания, исследователи утверждают, что она не должна зависеть от скорости на входе.
«Мы предполагаем, что существует бесконечное количество стационарных решений для волны самовоспламеняющейся реакции, даже в сверхзвуковых условиях», — сказал Мори.
Теоретически связав зажигание и пламя, теперь можно рассматривать двигатель с новой точки зрения. Учет явлений воспламенения открывает возможность более стабильного сгорания, что приводит к идее новой концепции двигателя, более эффективной, чем обычная.
«Эта работа по стабилизации волн самовоспламеняющейся реакции знаменует собой фундаментальный прорыв, потенциально революционизирующий конструкцию систем сгорания, особенно в области сверхзвукового горения», — сказал Мории.
Хотя теоретические и численные результаты позволили создать новую концепцию двигателя, она еще не проверена экспериментально. Поэтому команда планирует применить результаты исследования к реальному двигателю посредством дальнейшей экспериментальной проверки посредством совместных исследований.
