I en studie publicerad den 18 januari 2024 i tidskriften Physics of Fluids , forskare från Tohoku University kopplade teoretiskt antändning och deflagrering i ett förbränningssystem, och låste upp nya konfigurationer för stabila, effektiva förbränningsmotorer på grund av den möjliga existensen av hur många stationära lösningar som helst.
"Denna forskning tar sig an utmaningen att minska koldioxidutsläppen direkt genom att förbättra effektiviteten hos förbränningsmotorer, en betydande källa till dessa utsläpp", säger Youhi Morii från Institute of Fluid Science vid Tohoku University.
"En bättre förståelse för förbränningsdynamik kommer också att stödja utvecklingen av säkrare, mer hållbara tekniska lösningar", säger Kaoru Maruta, också från Institute of Fluid Science.
Förbränningsdynamik involverar komplexa kopplade vätske- och kemiska reaktioner. Forskare använder beräkningsvätskedynamik för att hjälpa dem att bättre förstå och kontrollera processen.
Om ett system som fungerar stabilt i ett stabilt tillstånd och har ett visst toleransintervall för små störningar kan användas, skulle det förenkla strukturen och kontrollen av brännkammare och öka möjligheterna att kommersialisera nya brännkammarekonstruktioner.
För att utforska detta koncept övervägde Tohoku Universitys forskare ett enkelt, endimensionellt reaktivt flödessystem, där oförbränd förblandad gas kommer in i en förbränningskammare från den vänstra inloppsgränsen, medan bränd gas, eller deflagrationsvåg, kommer ut från den högra utloppsgränsen.
Arbetsteorin fram till denna punkt ansåg att en stationär lösning endast existerar när inloppshastigheten matchar antingen hastigheten för deflagrationsvågen (som rör sig med subsoniska hastigheter) eller hastigheten för detonationsvågen - en chockreaktion där de utgående lågorna färdas med överljudshastigheter.
Denna konventionella visdom är emellertid baserad på antagandet att kemiska reaktioner i förvärmningszonen är försumbara. Nyligen genomförda studier betonar betydelsen av det som kallas "självantändningsassisterade lågor", där en deflagration som sprider sig i en het oförbränd förblandad gasblandning har en snabbare fortplantningshastighet med hjälp av kemiska reaktioner framför lågan. Detta tyder på att det finns hur många steady-state-lösningar som helst som påverkar mängden uppehållstid som gas stannar framför deflagrationen.
Med utgångspunkt i dessa fynd utformade forskarna vid Tohoku University en teori som framgångsrikt överbryggade gapet mellan antändnings- och deflagrationsvågor, och avslöjade förekomsten av ytterligare steady-state-lösningar som är möjliga när de betraktade den "autoignitiva reaktionsvågen" - en våg som påverkas genom antändning i förvärmningszonen men beter sig som en deflagrationsvåg.
"Tvärtemot den rådande uppfattningen att endast en enda stationär lösning existerar för deflagrationsvågor i subsoniska endimensionella system, förutsätter vårt tillvägagångssätt ett oändligt antal sådana lösningar som autoignitiva reaktionsvågor, och hävdar att antändning och låga är naturligt kopplade," Morii sa.
Detta innebär att steady-state-lösningar inte bara existerar vid de två punkter där inloppshastigheten matchar hastigheterna för deflagrations- eller detonationsvågorna, utan även i ett bredare område om autoantändningsförhållanden beaktas.
Teamet utökade teorin ytterligare till scenarier som involverar överljudsinloppshastigheter. I överljudsregimen är den konventionella uppfattningen att en stationär lösning endast är möjlig när inloppshastigheten matchar detonationsvågens hastighet. Men med tanke på att den autoignitiva reaktionsvågen härrör från nolldimensionell antändning, hävdade forskarna att den borde vara oberoende av inloppshastigheten.
"Vi föreslår att det finns ett oändligt antal steady-state-lösningar för den autoignitiva reaktionsvågen, även under överljudsförhållanden," sa Morii.
Genom att teoretiskt koppla ihop tändning och låga kan motorn nu betraktas ur ett nytt perspektiv. Redovisning av antändningsfenomen ger möjlighet till en mer stabil förbränning, vilket leder till idén om ett nytt motorkoncept som är mer effektivt än det konventionella.
"Detta arbete med att stabilisera autoignitiva reaktionsvågor markerar ett grundläggande genombrott, som potentiellt revolutionerar designen av förbränningssystem, särskilt inom området för överljudsförbränning," sa Morii.
Även om teoretiska och numeriska resultat har gett ett nytt motorkoncept, har det ännu inte verifierats experimentellt. Teamet planerar därför att tillämpa forskningsresultaten på en verklig motor genom ytterligare experimentell verifiering genom gemensam forskning.
Mer information: Youhi Morii et al, Allmänt koncept för autoignitiv reaktionsvåg som täcker från subsoniska till överljudsregimer, Physics of Fluids (2024). DOI:10.1063/5.0176262
Journalinformation: Fysik av vätskor
Tillhandahålls av Tohoku University
