En un estudio publicado el 18 de enero de 2024 en la revista Physics of Fluids , investigadores de la Universidad de Tohoku vincularon teóricamente la ignición y la deflagración en un sistema de combustión, desbloqueando nuevas configuraciones para motores de combustión estables y eficientes debido a la posible existencia de cualquier número de soluciones de estado estacionario.
"Esta investigación aborda directamente el desafío de reducir las emisiones de dióxido de carbono mejorando la eficiencia de los motores de combustión, una fuente importante de estas emisiones", afirmó Youhi Morii del Instituto de Ciencias de Fluidos de la Universidad de Tohoku.
"Una mejor comprensión de la dinámica de la combustión también respaldará el desarrollo de soluciones de ingeniería más seguras y sostenibles", afirmó Kaoru Maruta, también del Instituto de Ciencia de Fluidos.
La dinámica de la combustión implica reacciones químicas y de fluidos acopladas complejas. Los investigadores utilizan la dinámica de fluidos computacional para ayudarlos a comprender y controlar mejor el proceso.
Si se puede utilizar un sistema que funcione de manera estable en un estado estable y que tenga un cierto rango de tolerancia para pequeñas perturbaciones, se simplificaría la estructura y el control de las cámaras de combustión y se aumentaría la viabilidad de comercializar nuevos diseños de cámaras de combustión.
Para explorar este concepto, los investigadores de la Universidad de Tohoku consideraron un sistema de flujo reactivo unidimensional simple, donde el gas premezclado sin quemar ingresa a una cámara de combustión desde el límite de entrada izquierdo, mientras que el gas quemado, u onda de deflagración, sale por el límite de salida derecho. /P>
La teoría de trabajo hasta este punto sostenía que existe una solución en estado estacionario sólo cuando la velocidad de entrada coincide con la velocidad de la onda de deflagración (que viaja a velocidades subsónicas) o con la velocidad de la onda de detonación, una reacción de choque en la que las llamas salientes viaja a velocidades supersónicas.
Sin embargo, esta sabiduría convencional se basa en el supuesto de que las reacciones químicas en la zona de precalentamiento son insignificantes. Estudios recientes destacan la importancia de las llamadas "llamas de autoignición asistida", en las que una deflagración que se propaga en una mezcla de gases premezclados calientes y no quemados tiene una velocidad de propagación más rápida con la ayuda de reacciones químicas delante de la llama. Esto sugiere que hay varias soluciones en estado estacionario, que afectan la cantidad de tiempo de residencia que el gas permanece antes de la deflagración.
Sobre la base de estos hallazgos, los investigadores de la Universidad de Tohoku diseñaron una teoría que cerró con éxito la brecha entre las ondas de ignición y deflagración, revelando la existencia de soluciones adicionales de estado estacionario que son posibles cuando consideran la "onda de reacción autoinflamatoria", una onda que se ve afectada por ignición en la zona de precalentamiento pero se comporta como una onda de deflagración.
"Contrariamente a la opinión predominante de que sólo existe una única solución de estado estacionario para las ondas de deflagración en sistemas subsónicos unidimensionales, nuestro enfoque postula un número infinito de soluciones tales como ondas de reacción autoinflamatorias, afirmando que la ignición y la llama están intrínsecamente vinculadas", Morii dijo.
Esto significa que existen soluciones en estado estacionario no solo en los dos puntos donde la velocidad de entrada coincide con las velocidades de las ondas de deflagración o detonación, sino también en una región más amplia si se consideran las condiciones de autoignición.
El equipo amplió aún más la teoría a escenarios que involucran velocidades de entrada supersónicas. En el régimen supersónico, el entendimiento convencional es que una solución en estado estacionario sólo es posible cuando la velocidad de entrada coincide con la velocidad de la onda de detonación. Sin embargo, dado que la onda de reacción autoinflamatoria se origina a partir de una ignición de dimensión cero, los investigadores argumentaron que debería ser independiente de la velocidad de entrada.
"Proponemos que existe un número infinito de soluciones en estado estacionario para la onda de reacción autoinflamatoria, incluso en condiciones supersónicas", dijo Morii.
Al vincular teóricamente el encendido y la llama, ahora se puede considerar el motor desde una nueva perspectiva. La consideración de los fenómenos de ignición ofrece la posibilidad de una combustión más estable, lo que lleva a la idea de un nuevo concepto de motor más eficiente que el convencional.
"Este trabajo sobre la estabilización de ondas de reacción autoinflamatorias marca un avance fundamental, que revoluciona potencialmente el diseño de sistemas de combustión, especialmente en el ámbito de la combustión supersónica", afirmó Morii.
Si bien los resultados teóricos y numéricos han proporcionado un nuevo concepto de motor, aún no se ha verificado experimentalmente. Por lo tanto, el equipo planea aplicar los resultados de la investigación a un motor real mediante una mayor verificación experimental a través de una investigación conjunta.
Más información: Youhi Morii et al, Concepto general de ondas de reacción autoinflamatoria que abarcan desde regímenes subsónicos a supersónicos, Física de fluidos (2024). DOI:10.1063/5.0176262
Información de la revista: Física de los fluidos
Proporcionado por la Universidad de Tohoku
