Los chorros son corrientes rápidas de líquidos o gases que se disparan con fuerza al medio circundante. Cuando se trata de sustancias inflamables, Puede ocurrir combustión — reacciones químicas rápidas que resultan en calor y luz. La combustión en chorros tiene muchas aplicaciones industriales y tecnológicas, y, por tanto, es de gran interés para científicos e ingenieros.

Las interacciones químicas en 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 la fuga térmica, lo que da como resultado un rápido aumento de temperatura que desencadena espontáneamente la combustión. La autoignición se produce cuando esta combustión espontánea da como resultado 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 las décadas de 1920 y 1930, 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 explosión térmica, y los estudios posteriores se basaron típicamente en sus hallazgos. Una verdad común une característicamente 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 gobiernan la evolución de los sistemas reactivos para crear y examinar modelos de autoignición con gran detalle.

Gordon y col. utilizar los 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 a través de autoignición. "La principal ventaja de esta tecnología es que permite tasas de conversión casi perfectas de corrientes de desechos contaminadas orgánicamente sin producir especies intermedias nocivas". ", Dijo Hicks." La presencia de llamas hidrotermales en los dispositivos SCWO es a menudo deseable ya que permite tiempos de reacción sustancialmente reducidos, de segundos a milisegundos, mejorando así dramáticamente 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. El chorro se forma mediante la inyección de combustible y oxidante en el recipiente, que contiene agua pura en 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 adecuadas, el chorro se autoinflama axialmente aguas abajo del punto de inyección.

Para ilustrar eficazmente la autoignición, Gordon y col. hacer ciertas suposiciones sobre la forma del jet 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 de las especies dentro del chorro antes de la autoignición, puede verse como prescrito a priori, Gordon dijo. Específicamente, en una primera aproximación, la región principal del chorro asume la forma de un tronco cónico (un cono con la parte superior puntiaguda cortada). Es más, 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 el punto de inyección, y lo mismo se aplica a los campos de concentración de componentes reactivos y oxidantes dentro del chorro ".

Usando observaciones experimentales y los supuestos antes mencionados, los autores separan los componentes hidrodinámico y reactivo del modelo. Esto simplifica drásticamente la autoignición, reduciéndolo a una ecuación diferencial. "El problema se reduce al análisis de una única ecuación que describe la evolución del campo de temperatura dentro del chorro, que podemos analizar utilizando un marco general de la teoría de explosión térmica de Frank-Kamenetskii, "Esto conduce a una caracterización precisa de un evento de autoignición en términos de los principales parámetros fisicoquímicos y geométricos", dijo Gordon.

El modelo de Gordon et al. Es una contraparte de su modelo anterior de autoignición para chorros de co-flujo laminar, y revela algunas verdades valiosas sobre la autoignición. "Los resultados del análisis del modelo nos permiten correlacionar valores específicos de los principales parámetros fisicoquímicos y geométricos del problema con el evento de autoignición, o ausencia de los mismos, "Hegde dijo." Esto, Sucesivamente, permite identificar regímenes paramétricos donde se produce la autoignición, y por lo tanto se puede utilizar 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 se basarán en la ignición espontánea y el control posterior de las llamas hidrotermales para mantener las temperaturas y la cinética de reacción de los procesos SCWO en aplicaciones del mundo real, como la remediación de desechos y la recuperación de agua, "Dijo Hicks. Tal 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 una buena concordancia con las tendencias del modelo predichas. Las comparaciones cuantitativas son más desafiantes debido a las dificultades técnicas de realizar mediciones precisas in situ en entornos SCWO. y son objeto de trabajo en curso y futuro ".