Los chorros son corrientes rápidas de líquidos o gases que se disparan con fuerza en un medio circundante. Cuando se trata de sustancias inflamables, puede producirse una combustión reacciones químicas rápidas que producen calor y luz. La combustión en los chorros tiene muchas aplicaciones industriales y tecnológicas.y, por lo tanto, es de gran interés para los científicos e ingenieros.
Las interacciones químicas en los chorros con un componente oxidante y un agente que reacciona químicamente pueden producir una reacción débil que induce una oxidación lenta en el componente reactivo, o desarrollarse rápidamente e instigar un escape térmico, lo que resulta en un aumento rápido de la temperatura que desencadena espontáneamente la combustiónLa autoignición se produce cuando esta combustión espontánea produce una llama visible. En un artículo publicado a principios de esta semana en el Revista SIAM de Matemática Aplicada , Peter V. Gordon, Uday G. Hegde y Michael C. Hicks presentan un modelo matemático para la autoignición en chorros turbulentos redondos libres.
Las matemáticas de la autoignición en materiales reactivos se remontan a los años 1920 y 30, particularmente a los primeros trabajos de Nikolay Semenov, David Frank-Kamenetskii y Yakov Borisovich Zel'dovich. Su investigación estableció una teoría matemática de la combustión llamada teoría de la temperatura.explosión, y los estudios posteriores se basaron típicamente en sus hallazgos. Una verdad común caracteriza a todos los estudios de explosión térmica: antes de la autoignición, la dinámica de los sistemas reactivos es bastante sencilla. Como resultado, los científicos pueden simplificar un sistema de ecuaciones que rigen la evolución desistemas reactivos para crear y examinar modelos de autoignición con gran detalle.
Gordon et al. Utilizan avances experimentales recientes en el estudio de las llamas hidrotermales para analizar la autoignición en chorros libres. Observado por primera vez hace unos 30 años, las llamas hidrotermales surgen en ambientes acuosos agua en condiciones por encima del punto crítico termodinámico del agua.son un componente clave de una tecnología emergente de purificación de agua "verde" llamada oxidación de agua supercrítica SCWO, y ocurren espontáneamente durante SCWO mediante autoignición. "La principal ventaja de esta tecnología es que permite tasas de conversión casi perfectas de corrientes de desechos contaminadas orgánicamentesin producir especies intermedias dañinas ", dijo Hicks." La presencia de llamas hidrotermales en los dispositivos SCWO a menudo es deseable ya que permite tiempos de reacción sustancialmente reducidos, de segundos a milisegundos, lo que aumenta drásticamente las tasas de descomposición ".
Los estudios experimentales de llamas hidrotermales generalmente involucran un recipiente de combustión cerrado con una entrada de inyección. Los autores derivan un modelo de autoignición elemental para un chorro reactivo turbulento redondo completamente desarrollado. El chorro se forma mediante inyección de combustible y oxidante en el recipiente,que contiene agua pura en un estado supercrítico en reposo. La corriente inyectada crea un chorro redondo que es laminar suave con flujo paralelo o turbulento irregular. Cuando las condiciones son correctas, el chorro se autoinflama axialmente aguas abajo del punto de inyección.
Para ilustrar efectivamente la autoignición, Gordon et al. Hacen ciertas suposiciones sobre la forma del chorro y las condiciones generales ". Los hechos experimentales clave que usamos en nuestra teoría es que la forma del chorro, así como los campos de velocidad y concentración dela especie dentro del chorro antes de la autoignición puede verse como prescrita a priori ", dijo Gordon." Específicamente, en una primera aproximación, la región principal del chorro asume la forma de un tronco cónico un cono con la parte superior puntiaguda cortadaapagado. Además, la velocidad dentro de la parte principal del chorro - en la dirección perpendicular al chorro - es insignificante en comparación con una en la dirección de inyección. Este último es radialmente simétrico e inversamente proporcional a la distancia desde elpunto de inyección, y lo mismo se aplica a los campos de concentración de componentes reactivos y oxidantes dentro del chorro ".
Utilizando observaciones experimentales y los supuestos antes mencionados, los autores separan los componentes hidrodinámicos y reactivos del modelo. Esto simplifica drásticamente la autoignición, reduciéndolo a una ecuación diferencial ". El problema se reduce al análisis de una sola ecuación que describe la evolución del campo de temperaturadentro del chorro, que podemos analizar utilizando un marco general de la teoría de la explosión térmica de Frank-Kamenetskii ", dijo Gordon." Esto lleva a una caracterización aguda de un evento de autoignición en términos de los principales parámetros fisicoquímicos y geométricos ".
El modelo de Gordon et al. Es una contraparte de su modelo anterior de autoignición para chorros de flujo laminar y revela algunas verdades valiosas sobre la autoignición. "Los resultados del análisis del modelo nos permiten correlacionar valores específicos de los principales factores fisicoquímicos yLos parámetros geométricos del problema con el evento de autoignición, o ausencia de los mismos ", dijo Hegde." Esto, a su vez, permite identificar regímenes paramétricos donde tiene lugar la autoignición y, por lo tanto, puede usarse para guiar estudios experimentales de llamas hidrotermales ".
Las conclusiones de los autores servirán para los estudios experimentales de científicos que exploran la relación entre las llamas hidrotermales y la autoignición. "Este trabajo es aplicable en el diseño de reactores SCWO de próxima generación que dependerán del encendido espontáneo y el control posterior de las llamas hidrotermales parasostienen las temperaturas y la cinética de reacción de los procesos SCWO en aplicaciones del mundo real, como la remediación de residuos y la recuperación de agua ", dijo Hicks. Dicha investigación está ocurriendo en el Centro de Investigación Glenn de la NASA, en Cleveland, Ohio.
"Actualmente estamos realizando experimentos de laboratorio con llamas hidrotermales en ambientes contaminados orgánicamente para verificar las predicciones del modelo", dijo Hegde. "Cualitativamente, ya hemos visto un buen acuerdo con las tendencias predichas del modelo. Las comparaciones cuantitativas son más difíciles debido a la técnicadificultades para realizar mediciones in situ precisas en entornos SCWO y son objeto de trabajo continuo y futuro "
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Materiales proporcionado por Sociedad de Matemática Industrial y Aplicada . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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