Bu tədqiqat Yer cazibəsi altında həcmcə %6 H₂ olan ultra-zəif hidrogen–hava qarışığında yaranan alov nüvəsinin böyüməsini, yüksəlməsini, forma dəyişməsini və parçalanmasını sayısal olaraq araşdırır. Ultra-zəif hidrogen alov nüvəsi alışmadan sonra hidrogenin üstünlüklü və termal diffuziyası, kimyəvi istilik ayrılması, radiativ soyuma və qaldırma qüvvəsinin birlikdə müəyyən etdiyi kiçik və zamandan asılı reaksiya quruluşudur. Tədqiqatda ətraflı hidrogen kimyası və aşağı-Mach-saylı qaz dinamikasından istifadə edilmiş; Soret diffuziyası və radiativ istilik itkisi müstəqil şəkildə açılıb-söndürülərək dörd fiziki model kombinasiyası müqayisə edilmişdir.

Erkən alışma-sonrası mərhələ birölçülü sferik simulyasiyalarla araşdırılmış və təxminən ilk 200 ms ərzində alov cəbhəsi radiusunun kvadratının zamanla təxminən xətti dəyişdiyi, yəni \(R_f^2 \simeq Kt\) şəklində diffuziya ilə idarə olunan böyümə rejimini izlədiyi müəyyən edilmişdir. Soret diffuziyası effektiv böyümə əmsalı \(K\)-nı artırarkən radiativ istilik itkisi onu azaltmışdır. Bu davranış sabit sürətli sferik alov yayılmasından fərqlənir; nüvə böyüdükcə cəbhənin ani radial sürəti azalır.

İkiölçülü simulyasiyalarda nüvə böyüdükcə qaldırma qüvvəsi dominant hala gəlmiş, isti məhsul bölgəsi yuxarı qalxmış və öz toroidal burulğanını yaratmışdır. Başlanğıcda təxminən sferik olan quruluş sonradan yastı elliptik qapağa çevrilmişdir. Soret diffuziyası daha böyük və daha sürətlə yüksələn nüvələr yaratmış və üst qapağı daha dairəvi saxlamışdır. Radiasiya yüksəlmə trayektoriyasına daha zəif təsir etmiş, lakin nisbi yanal yastılaşmanı artırmışdır.

Bütün fiziki-model kombinasiyalarında alovun parçalanma yolu əsasən eyni olmuşdur. Toroidal burulğan üst qapaq ilə aşağıya əyilmiş alov qolu arasındakı dar reaksiya bölgəsini dartaraq yerli sönməyə səbəb olmuşdur. Soret diffuziyası parçalanmanı gecikdirmiş; radiasiya isə onu irəli çəkmişdir. Hər iki təsir birlikdə aktiv olduqda parçalanma 305 ms-də, hər ikisi bağlı olduqda 306 ms-də baş vermiş və 1 ms fərq tədqiqatın zaman təyini həssaslığı daxilində qaldığı üçün mənalı fiziki sürüşmə kimi şərh edilməmişdir.

Tədqiqat yeni fiziki yanma eksperimenti deyil. Nəticələr birölçülü sferik, ikiölçülü müstəvi və ikiölçülü oxasimmetrik sayısal modellərə əsaslanır. Oxa simmetrik nəticələr əvvəllər dərc edilmiş eksperimental aparıcı-nöqtə trayektoriyaları ilə müqayisə edilmişdir; tam üçölçülü asimmetrik parçalanma və turbulent alov davranışı bu tədqiqatda həll edilməmişdir.

Tədqiqat problemi

Hidrogen–hava qarışıqları alışma sərhədinə yaxınlaşdıqda klassik, hamar və təxminən müstəvi premiks alov davranışından əhəmiyyətli dərəcədə uzaqlaşa bilər. Kimyəvi istilik ayrılması yavaşladıqca molekulyar daşınım, istilik itkisi, əyrilik, alov gərilməsi və təbii konveksiyanın nisbi əhəmiyyəti artır. Molekulyar hidrogenin yüksək diffuzivliyinə görə hidrogen isti reaksiya bölgəsinə bir çox digər növdən daha sürətlə daşına bilər.

Yer cazibəsi altında buna qaldırma qüvvəsi də əlavə olunur. Alışmadan sonra yaranan isti və aşağı sıxlıqlı məhsul nüvəsi yuxarı doğru hərəkət edir. Bu hərəkət yalnız alovun yerini dəyişmir; eyni zamanda alovun ətrafında iri miqyaslı burulğan yaradır. Buna görə müşahidə olunan yuxarı yönlü alov hərəkəti yalnız laminar yanma sürətinin nəticəsi deyil. Kimyəvi cəbhə hərəkəti, isti qaz kütləsinin yüksəlməsi, radial və oxboyu konveksiya və davamlı forma dəyişməsi birlikdə rol oynayır.

Mənbənin araşdırdığı əsas boşluq Soret termal diffuziyası ilə radiativ istilik itkisinin sərbəst yüksələn ultra-zəif hidrogen alov nüvəsi üzərində birgə təsirinin Yer cazibəsi altında sistemli şəkildə kəmiyyətcə müəyyən edilməmiş olmasıdır. Əvvəlki tədqiqatlar bu mexanizmləri əsasən mikroqravitasiya alov topları, divarla məhdudlaşdırılmış alovlar, brülörlə sabitləşdirilmiş alovlar və ya təbii konveksiyasız hüceyrəli alovlar kontekstində araşdırmışdır.

Soret Diffuziyası Ultra-Zəif Hidrogen Alovunda Nə Edir?

Soret diffuziyası temperatur qradiyentinin yüngül H və H₂ növlərində əlavə kütlə axını yaratmasına səbəb olur; tədqiqatın ultra-zəif hidrogen qarışığında bu mexanizm hidrogenin isti reaksiya bölgəsinə daşınmasını artırır, nüvənin böyüməsini sürətləndirir, daha çox isti məhsulun yaranmasını dəstəkləyir və burulğan mənşəli gərilməyə qarşı əlaqəli alov quruluşunun daha uzun müddət qorunmasına kömək edir.

Soret təsiri və adi molekulyar diffuziya

Mənbədə qarışıq-orta növ axınının düzəldilməmiş forması belə verilmişdir:

\[ \mathbf{j}_k^{(0)} = -\rho D_k \nabla Y_k - D_k^T \nabla \ln T \tag{10} \]

Burada \(\mathbf{j}_k^{(0)}\), \(k\) növünün düzəldilməmiş diffuziv kütlə axınıdır; \(\rho\) qarışığın sıxlığı, \(D_k\) qarışıq-orta molekulyar diffuziya əmsalı, \(Y_k\) kütlə payı, \(D_k^T\) termal-diffuziya əmsalı və \(T\) temperaturdur.

Birinci termin növ konsentrasiyasındakı məkan dəyişməsindən yaranan normal diffuziyanı, ikinci termin isə temperatur qradiyentinin yaratdığı Soret daşınımını təmsil edir. Soret təsiri söndürüldükdə bütün \(D_k^T\) dəyərləri sıfıra qoyulmuşdur.

Ümumi diffuziv kütlə axınının sıfır olması üçün düzəliş sürəti tətbiq edilmişdir:

\[ \mathbf{j}_k= \mathbf{j}_k^{(0)} - Y_k\sum_{l=1}^{N_s}\mathbf{j}_l^{(0)}, \qquad \sum_{k=1}^{N_s}\mathbf{j}_k=0. \tag{11} \]

Termal diffuziya yalnız H və H₂ üçün Schlup–Blanquart azaldılmış modeli ilə tətbiq edilmişdir. Mənbədəki əmsallar \(\alpha_H=0{,}895\) və \(\alpha_{H_2}=0{,}910\)-dur. Daha ağır növlərin birbaşa termal-diffuziya təsiri nəzərə alınmamışdır. Qarşılıqlı Dufour istilik axını isə premiks hidrogen alovlarında Soret töhfəsinə nisbətən daha kiçik qəbul edildiyi üçün modelə daxil edilməmişdir.

Radiativ istilik itkisi necə modelləşdirilmişdir?

Radiasiya optik olaraq nazik emissiya yanaşması ilə təmsil edilmiş və radiasiya edən yeganə növ su buxarı olmuşdur. Həcm üzrə radiativ mənbə:

\[ \dot q_{\mathrm{rad}} = -4\sigma_{\mathrm{SB}} \left(T^4-T_b^4\right)\kappa_P, \qquad T_b=300\ \mathrm{K} \tag{12} \]

şəklindədir. \(\sigma_{\mathrm{SB}}\) Stefan–Boltzmann sabiti, \(T_b\) fon radiasiya temperaturu və \(\kappa_P\) Planck-orta udma əmsalıdır.

Planck-orta əmsalı mənbədə Barlow və həmkarlarının polinom korrelyasiyasına görə hesablanmışdır:

\[ \kappa_P = X_{H_2O} \frac{p_0}{p_{\mathrm{ref}}} \sum_{n=0}^{5} a_n \left(\frac{1000}{T}\right)^n, \qquad p_{\mathrm{ref}}=101325\ \mathrm{Pa}. \tag{13} \]

Optik olaraq nazik yanaşma məhsulların öz radiasiyalarını yenidən udmasını nəzərə almır. Bu laqeydlik optik qalınlıq artdıqda xalis istilik itkisini yüksək qiymətləndirməyə meyllidir. Buna görə tədqiqat ətraflı spektral radiasiya ötürülməsini deyil, santimetr miqyaslı bu alov nüvəsində radiativ soyumanın ilkin təsirini həll edir.

Başlanğıc qarışıq və alışma

Sferik istinad problemində mərkəzdəki 0,4 mm radiuslu bölgə ani olaraq 2000 K-yə qaldırılmış, lakin başlanğıc kimyəvi tərkibi dəyişdirilməmişdir. Beləliklə, ilk mərhələdə nüvənin böyüməsi cazibə mənşəli forma dəyişməsindən ayrılaraq araşdırılmışdır.

İkiölçülü problemlərdə alışma mərkəzi 300 K-lik izotermik alt divarın 6,4 mm üzərində yerləşir. Hesablama sahəsinin yarı eni və ya oxasimmetrik radiusu 51,2 mm, hündürlüyü 102,4 mm-dir. Üst və xarici sərhədlər sərbəst çıxış, ox isə simmetriya sərhədidir.

Dörd fiziki model kombinasiyası

Bu matris iki fiziki mexanizmin ayrıca təsirlərinin və birlikdə işlədikdə yaranan nəticənin eyni başlanğıc qarışığında müqayisəsinə imkan verir.

Aşağı-Mach riyazi model

Reaktiv qarışıq termal cəhətdən mükəmməl ideal qaz kimi götürülmüşdür. Aşağı-Mach yanaşmasında təzyiq məkanda təxminən bərabər termodinamik hissə ilə hidrodinamik perturbasiyaya ayrılır:

\[ p(\mathbf{x},t)=p_0(t)+\pi(\mathbf{x},t). \tag{1} \]

Bu tədqiqatda \(p_0=101325\) Pa sabit saxlanılmışdır.

Kütlənin qorunması:

\[ \frac{\partial \rho}{\partial t} +\nabla\cdot(\rho\mathbf{u})=0. \tag{2} \]

Növlərin qorunması:

\[ \frac{\partial(\rho Y_k)}{\partial t} +\nabla\cdot(\rho Y_k\mathbf{u}) = -\nabla\cdot\mathbf{j}_k+\dot\omega_k, \qquad k=1,\ldots,N_s. \tag{3} \]

Momentum tənliyi:

\[ \frac{\partial\mathbf{u}}{\partial t} + (\mathbf{u}\cdot\nabla)\mathbf{u} = -\frac{1}{\rho}\nabla\pi + \frac{1}{\rho}\nabla\cdot\boldsymbol{\tau} + \frac{\rho-\rho_0}{\rho}\mathbf{g}. \tag{4} \]

Son termin sıxlıq fərqindən yaranan qaldırma təsirini təmsil edir. Hidrostatik təzyiq komponenti təzyiq sahəsindən çıxarıldığı üçün istinad sıxlığı \(\rho_0\) bu termində görünür.

Hiss olunan entalpiya tənliyi istilik keçirilməsini, növlərin entalpiya daşınımını, kimyəvi istilik ayrılmasını, özlülük terminini və radiasiyanı eyni enerji tənliyində birləşdirir:

\[ \frac{\partial(\rho h_s)}{\partial t} +\nabla\cdot(\rho h_s\mathbf{u}) = \frac{dp_0}{dt} +\nabla\cdot(\lambda\nabla T) -\nabla\cdot \left( \sum_{k=1}^{N_s}h_{s,k}\mathbf{j}_k \right) -\sum_{k=1}^{N_s}\Delta h_{f,k}^{0}\dot\omega_k +\boldsymbol{\tau}:\nabla\mathbf{u} +\dot q_{\mathrm{rad}}. \tag{5} \]

Hidrogen oksidləşməsi üçün Kéromnès və həmkarlarının ətraflı kimyəvi mexanizmi istifadə edilmiş, azot inert növ kimi götürülmüşdür. Temperaturdan asılı istilik tutumları və entalpiyalar JANAF termokimyəvi məlumatlarına əsaslanan polinomlarla təmsil edilmişdir.

Sayısal həlledici və grid

Tənliklər aşağı-Mach FDS alqoritminin müəssisədaxili NRG tətbiqi ilə həll edilmişdir. Sıxlıq və növlər kimya və daşınım mənbələri ilə birlikdə predictor–corrector projection sxemi ilə irəlilədilmiş; hal tənliyi tələb olunan sürət divergensiyasını təmin etmiş; hidrodinamik təzyiq üçün dəyişən əmsallı Poisson tənliyi multigrid üsulu ilə həll edilmişdir.

Axın laminar qəbul edilmiş və turbulentlik və ya alt-grid yanma modeli istifadə edilməmişdir. Zaman addımı adaptivdir və aşağı-Mach həlledicinin sayısal sabitlik meyarları ilə məhdudlaşdırılmışdır.

İkiölçülü hesablamalarda əsas hüceyrə aralığı 0,4 mm-dir və həll olunan yarı sahə 128 × 256 hüceyrə ehtiva edir. Soret açıq, radiasiya bağlı hal ən nazik alov cəbhəsini yaratdığı üçün grid yaxınsama testi bu halda aparılmışdır. 0,1, 0,2 və 0,4 mm gridlərdə aparıcı-nöqtə trayektoriyası ilə 50, 100 və 150 ms-də \(T=1000\) K izotermləri demək olar ki, üst-üstə düşmüş və sonrakı hesablamalarda 0,4 mm grid istifadə edilmişdir.

\(R_f^2 \simeq Kt\) Rejimi Nə Deməkdir?

\(R_f^2 \simeq Kt\) rejimi araşdırılan erkən alışma-sonrası intervalda sferik alov nüvəsinin radius kvadratının təxminən sabit meyllə böyüdüyünü və buna görə cəbhə sürətinin sabit olmadığını ifadə edir; \(dR_f/dt=K/(2R_f)\) olduğundan nüvə böyüdükcə radial irəliləmə sürəti təxminən \(R_f^{-1}\) ilə azalır. Mənbə bu əlaqəni ilk təxminən 200 ms üçün effektiv diffuziya-idarəli rejim kimi şərh edir və uzun zaman üçün universal asimptotik qanun kimi təqdim etmir.

Effektiv böyümə əmsalı K

Alov cəbhəsinin uyğunlaşdırılmış davranışı:

\[ R_f^2(t) = R_f^2(t^*) + K(t-t^*) \tag{14} \]

şəklindədir. Törəməsi:

\[ U_f = \frac{dR_f}{dt} = \frac{K}{2R_f}. \tag{15} \]

Buna görə \(K\) molekulyar diffuziya əmsalı və ya laminar yanma sürəti ilə eyni deyil. Mənbədə \(K\); üstünlüklü diffuziya, istilik keçiriciliyi, sonlu sürətli kimya, termal genişlənmə, Soret daşınımı və radiativ itkinin ümumi təsirini ehtiva edən effektiv nüvə-böyümə əmsalı kimi müəyyən edilir.

Cədvəl Soret diffuziyasının həm radiasiyalı, həm də radiasiyasız halda \(K\)-nı artırdığını, radiasiyanın isə hər iki Soret vəziyyətində \(K\)-nı azaltdığını göstərir.

Niyə \(R_f^2\) təxminən xətti artır?

Mənbənin miqyaslama arqumentində çatışmayan reaktantın sferik reaksiya bölgəsinə diffuziv daşınımı təxminən:

\[ \dot m_D \sim 4\pi R_f^2 \rho D_{\mathrm{eff}} \frac{\Delta Y}{R_f} \propto R_f \tag{16} \]

şəklində miqyaslanır. Sferik cəbhənin böyüməsi üçün tələb olunan sərfiyyat isə:

\[ \dot m_F \sim 4\pi R_f^2\rho_u\dot R_f. \tag{17} \]

İki miqyasın tarazlaşdırılması \(\dot R_f\propto R_f^{-1}\) nəticəsini və buna görə \(d(R_f^2)/dt\) dəyərinin təxminən sabit olmasını izah edir. Bu, kimyanın əhəmiyyətsiz olduğu demək deyil; kimyəvi reaksiya diffuziyanı qidalandıran temperatur və konsentrasiya qradiyentlərini yaratmağa davam edir.

İsti məhsul həcmi və qaldırma qüvvəsi

Sferik isti bölgənin həcmi:

\[ V_h=\frac{4}{3}\pi R_f^3. \tag{18} \]

\(R_f^2\sim Kt\) olduqda həcm təxminən:

\[ V_h\sim\frac{4\pi}{3}(Kt)^{3/2} \tag{19} \]

kimi miqyaslanır. Buna görə \(K\)-dakı nisbi orta dəyişiklik sonrakı qaldırma hərəkətini qidalandıran isti qaz həcmində daha böyük nisbi dəyişiklik yarada bilər.

Mənbənin inteqrə olunmuş qaldırma qüvvəsi ifadəsi:

\[ F_b = g\int_{\Omega_h}(\rho_u-\rho)\,dV \approx g(\rho_u-\rho_h)V_h \tag{20} \]

şəklindədir. Beləliklə, erkən sferik mərhələdə Soret və ya radiasiya tərəfindən dəyişdirilən isti məhsul həcmi daha sonrakı yüksəlmə davranışına ötürülür.

Radiasiya 200 ms-də nəyi dəyişdirdi?

Mənbədə 200 ms-dəki radial profillər radiasiyanın məhsul temperaturunu təxminən 61 K azaltdığını göstərir. Bu azalma mühit temperaturundan yuxarı artımın təxminən %7-sidir. Buna qarşılıq məhsul sıxlığı təxminən 0,015 kg/m³ yüksəlmiş və bu artım ətraf qarışıq sıxlığının təxminən %1,89-u qədər olmuşdur.

Aşağı-Mach yanaşmasında təxminən sabit termodinamik təzyiq altında sıxlıq:

\[ \rho=\frac{p_0M}{R_uT} \tag{21} \]

ilə verilir. Kiçik dəyişikliklər üçün:

\[ \frac{\delta\rho}{\rho} \approx \frac{\delta M}{M} - \frac{\delta T}{T}. \tag{22} \]

Bu ifadə temperatur azalmasının sıxlığa təsirinin tərkib və orta molyar kütlədəki dəyişikliklə qismən kompensasiya edilə biləcəyini göstərir.

Tədqiqatın Metodu və Nəticələri

Təhlil zənciri

1. %6 həcm H₂–hava qarışığı üçün dörd Soret/radiasiya kombinasiyası müəyyən edildi.
2. Birölçülü sferik hesablamalarla cazibədən asılı olmayan erkən nüvə böyüməsi araşdırıldı.
3. \(R_f^2(t)\) əyriləri üzrə effektiv böyümə əmsalı \(K\) müəyyən edildi.
4. Temperatur, sıxlıq, sürət və H₂/O₂/H₂O profilləri ilə Soret və radiasiyanın fiziki təsirləri ayrıldı.
5. İkiölçülü müstəvi və oxasimmetrik hesablamalarla təbii konveksiya və yüksəlmə həll edildi.
6. Aparıcı-nöqtə trayektoriyaları əvvəl dərc edilmiş iki eksperimental məlumat dəsti ilə müqayisə edildi.
7. Temperatur və OH sahələrindən istifadə edilərək isti məhsul bölgəsi ilə aktiv reaksiya təbəqəsi ayrıldı.
8. Üst alov qapağı ellipsə uyğunlaşdırılaraq forma nisbəti \(a_r/a_z\) izlənildi.
9. Toroidal burulğan ilə reaksiya bölgəsi arasındakı qarşılıqlı təsir və ilk əlaqə qopması üzrə parçalanma vaxtı müəyyən edildi.

Cazibə nə vaxt mühüm olur?

Erkən mərhələdə nüvə təxminən sferik və diffuziya-idarəlidir. Mənbə alovun böyümə vaxtı ilə qaldırma hesabına yüksəlmə vaxtını müqayisə edən meyardan istifadə etmişdir. Davies–Taylor əsaslı yüksəlmə sürəti:

\[ V_{\mathrm{rise}} = \frac{2}{3}\sqrt{g'R}, \qquad g'=g\left(1-\frac{\rho_b}{\rho_u}\right) \tag{23} \]

şəklində yazılır.

Bu tədqiqatın radiusdan asılı böyümə sürəti istifadə edildikdə zaman miqyası nisbəti:

\[ \Pi_{bK} = \frac{t_{\mathrm{growth}}}{t_{\mathrm{rise}}} = \frac{V_{\mathrm{rise}}}{\dot R_f} = \frac{4}{3} \sqrt{\frac{g'R_f^3}{K^2}} \tag{24} \]

olur. \(\Pi_{bK}\ll1\) diffuziya-idarəli təxminən izotropik böyüməni, \(\Pi_{bK}=O(1)\) isə nəzərəçarpan qaldırma-mənşəli hərəkət və deformasiyanın başlanmasını təmsil edir.

Buna uyğun xarakterik radius:

\[ R_{bK}^{*} = \left( \frac{9K^2}{16g'} \right)^{1/3}. \tag{25} \]

Həm Soret, həm radiasiyanın açıq olduğu halda \(K=1{,}113\times10^{-3}\) m²/s və mənbədə istifadə edilən təmsilçi sıxlıqlarla \(R_{bK}^{*}\) təxminən 4,6 mm tapılmışdır. Bu dəyər həssas eksperimental hədd deyil, qaldırmanın əhəmiyyət qazanmağa başladığı miqyas üçün mərtəbə qiymətləndirməsidir.

Müstəvi və oxasimmetrik nəticələrin fərqi

Hər iki model nüvənin zamanla sürətlənərək yüksəldiyini və dörd Soret/radiasiya kombinasiyasının eyni nisbi sıralamasını göstərmişdir. Lakin müstəvi model aparıcı-nöqtə yerdəyişməsini sistemli şəkildə daha az qiymətləndirmişdir. Oxasimmetrik hesablamalar, xüsusilə böyük həcmli Volodin və həmkarlarının eksperimentinin trayektoriyasına xeyli daha yaxın nəticə vermişdir.

Bu vəziyyət oxasimmetrik modelin “tam üçölçülü doğru həll” olması demək deyil. Real eksperimental alov üçölçülü obyektdir. Mənbə oxasimmetrik həndəsənin mövcud eksperiment müqayisəsi üçün daha yaxşı yaxınlaşma olduğunu, real 3B təsirləri qaldırma, əlavə kütlə, sürükləmə və forma töhfələrinə ayırmağın isə tam üçölçülü simulyasiya tələb etdiyini bildirir.

250 ms-də temperatur sahəsi

Mənbənin Şəkil 6-sında bütün dörd halda başlanğıcdakı kompakt nüvə 250 ms-də üst hissəsi geniş isti qapaq və aşağıya doğru uzanan wake quruluşuna çevrilmişdir. Toroidal burulğan üst sərhədi yuxarı və yana daşıyarkən alt sərhədi içəri doğru çökdürərək qapaq formasını yaratmışdır.

Soret açıq hallar daha böyük və daha yuxarı daşınmış isti bölgələr yaratmışdır. Radiasiya məhsul temperaturunu və nüvə ölçüsünü bir qədər azaltmışdır; lakin erkən və orta yüksəlmə mərhələsində radiasiyanın trayektoriyaya təsiri Soret təsirindən daha kiçikdir.

OH sahəsi niyə vacibdir?

Temperatur sahəsi isti məhsulların geniş bölgəsini göstərdiyi halda OH kütlə payı aktiv reaksiya bölgəsini daha seçici şəkildə göstərir. Mənbənin Şəkil 7-sində əhəmiyyətli OH əsasən üst səth və iki yan çiyində yerləşir, aşağı isti sərhədin böyük hissəsi isə kimyəvi cəhətdən zəif və ya qeyri-aktivdir.

Bu nəticə yüksələn quruluşun hər istiqamətdə bərabər irəliləyən qapalı sferik alov cəbhəsi olmadığını göstərir. Aşağı ox boyunca burulğanın çəkdiyi soyuq təzə qarışıq aşağı reaksiya bölgəsini soyudur və dartır; beləliklə aktiv üst qapaq ilə böyük ölçüdə qeyri-aktiv aşağı wake arasında açıq quruluş inkişaf edir.

Üst qapaq necə kəmiyyətləşdirildi?

Üst alov sərhədi oxa uyğunlaşdırılmış ellipslə fit edilmişdir:

\[ \frac{(x-x_c)^2}{a_r^2} + \frac{(z-z_c)^2}{a_z^2} = 1. \tag{26} \]

Oxasimmetrik halda \(x\) yerinə radial koordinat \(r\) istifadə olunur. \(a_r\) yanal, \(a_z\) şaquli yarımoxdur.

Forma nisbəti:

\[ \chi=\frac{a_r}{a_z}. \tag{27} \]

\(\chi=1\) meridian müstəvisində dairəvi üst qapağı, \(\chi>1\) isə üfüqi istiqamətdə genişlənmiş yastı qapağı göstərir.

Mənbədə forma nisbəti zaman əvəzinə aparıcı-nöqtə hündürlüyü \(z_{lp}\) ilə müqayisə edilmişdir. Beləliklə, fərqli yüksəlmə sürətlərinə malik hallar oxşar şaquli inkişaf səviyyələrində müqayisə edilmişdir. Ümumən nüvə yüksəldikcə \(\chi\) artmış və sferik yanaşma getdikcə daha az uyğun olmuşdur.

Forma nisbətinin zaman üzrə dəyişməsi:

\[ \frac{d}{dt} \ln\left(\frac{a_r}{a_z}\right) = \frac{\dot a_r}{a_r} - \frac{\dot a_z}{a_z}. \tag{28} \]

Buna görə forma nisbətinin artması nisbi yanal böyümənin nisbi şaquli böyümədən daha sürətli olduğunu bildirir.

Soret və radiasiya formanı eyni istiqamətdə təsirləndirirmi?

Xeyr. Eyni aparıcı-nöqtə hündürlüyündə radiasiya adətən \(a_r/a_z\) nisbətini artırmış və qapağın daha yastı olmasına səbəb olmuşdur. Soret diffuziyası isə nüvənin ümumi ölçüsünü və yüksəlməsini artırmasına baxmayaraq forma nisbətini ümumiyyətlə azaltmış, üst qapağı daha dairəvi saxlamışdır.

Bu nəticə mühüm fərqi göstərir: yalnız aparıcı-nöqtə hündürlüyünə və ya sürətinə baxmaq alov morfologiyasını tam izah etmir. Eyni hündürlüyə çatmış iki nüvənin fərqli en-hündürlük nisbəti, əyriliyi və kimyəvi aktivlik paylanması ola bilər.

Yüksələn Hidrogen Alov Nüvəsi Niyə Parçalanır?

Nüvə yüksələn isti məhsulların yaratdığı toroidal burulğanın üst aktiv qapaq ilə burulğanın ətrafına əyilmiş alt alov qolu arasındakı dar reaksiya bölgəsini güclü şəkildə dartması səbəbindən parçalanır; artan əyrilik və gərilmə reaktantların isti bölgədə qalma vaxtını azaldıb konvektiv soyumanı artırdıqda kimyəvi istilik ayrılması bu itkiləri kompensasiya edə bilmir və əlaqə bölgəsində yerli sönmə baş verir.

Parçalanma vaxtının tərifi

Parçalanma vaxtı \(t_b\), əvvəllər davamlı olan və üst qapaq ilə burulğan tərəfindən sarınmış alt qolu bir-birinə bağlayan reaksiya bölgəsinin ilk dəfə əlaqəsini itirdiyi an kimi müəyyən edilmişdir. Zaman təxminən 1 ms həssaslıqla izlənmişdir.

Radiasiya bağlı ikən Soret diffuziyası parçalanmanı 306 ms-dən 327 ms-ə, yəni 21 ms gecikdirmişdir. Radiasiya açıq ikən eyni təsir 282 ms-dən 305 ms-ə, yəni 23 ms gecikmədir. Mənbə bunu əlaqəli alov quruluşunun ömründə təxminən %7–8 uzanma kimi ifadə edir.

Radiasiya əks istiqamətdə davranmışdır. Soret bağlı ikən parçalanmanı 306 ms-dən 282 ms-ə, 24 ms irəli çəkmiş; Soret açıq ikən 327 ms-dən 305 ms-ə, 22 ms irəli çəkmişdir.

İki mexanizm eyni anda açıq olduqda 305 ms, hər ikisi bağlı olduqda 306 ms tapılmışdır. Bu 1 ms fərq tədqiqat tərəfindən həll edilmiş fiziki dəyişiklik kimi qəbul edilmir. İki hal eyni parçalanma vaxtına yaxın olsa belə temperatur, tərkib, nüvə ölçüsü və yüksəlmə tarixçələri eyni deyil.

Parçalanma tam sönmə deməkdirmi?

Xeyr. İlk əlaqə qopduqdan sonra həm üst qapaqda, həm də əyilmiş alt qolda kimyəvi enerji ayrılması davam edir. Başlanğıcdakı tək nüvə yox olmaq əvəzinə bir neçə reaksiya quruluşuna çevrilir. Mənbə bu parçaların sonradan termal və kimyəvi wake daxilində hərəkət edə, qarşılıqlı təsir göstərə və ya ikinci dərəcəli nüvələr yarada biləcəyini bildirir.

Parçalanma yolunu axınmı, Soret və radiasiyamı müəyyən edir?

Keyfiyyətcə parçalanma mövqeyini və yolunu əsasən hidrodinamik axın topologiyası müəyyən edir. Bütün dörd modeldə eyni əsas toroidal burulğan–alov əlaqəsi müşahidə edilmişdir. Soret diffuziyası və radiasiya əsasən alovun burulğan mənşəli gərilməyə və soyumaya nə qədər dözə bildiyini və kritik şəraitə nə vaxt çatdığını dəyişdirmişdir.

Turbulentlik baxımından nə demək olar?

Bu tədqiqat turbulent alov simulyasiyası deyil. Axın laminar və tək dominant toroidal burulğan tərəfindən idarə olunur. Bununla belə, yerli alov–burulğan qarşılıqlı təsirində səth deformasiyası, əyrilik, gərilmə, reaktant qalma müddəti, konvektiv daşınım və yerli sönmə kimi turbulent alov–eddy qarşılıqlı təsirlərində də mövcud olan fiziki proseslər müşahidə edilir.

Buna görə tədqiqat axın tərəfindən idarə olunan yerli sönmə həddinin Soret daşınımı və istilik itkisi ilə dəyişə biləcəyini göstərir. Lakin turbulent hidrogen alışma sərhədlərinin kəmiyyətcə hesablandığı nəticəsi çıxarıla bilməz; bunun üçün müxtəlif ölçü və gərilmə nisbətlərinə malik çoxsaylı burulğanları ehtiva edən üçölçülü simulyasiyalar lazımdır.

Tədqiqatın dəstəklədiyi nəticələr

• %6 həcm H₂–hava qarışığında erkən nüvə böyüməsi araşdırılan zaman intervalında təxminən \(R_f^2\simeq Kt\) rejimi göstərmişdir.
• Soret diffuziyası \(K\)-nı artırmış və nüvənin böyüməsini sürətləndirmişdir.
• Radiativ istilik itkisi \(K\)-nı azaltmış və məhsulları soyutmuşdur.
• Soret təsiri daha böyük və daha sürətlə yüksələn isti məhsul nüvəsi yaratmışdır.
• Oxasimmetrik hesablamalar mövcud eksperimental aparıcı-nöqtə trayektoriyasını müstəvi hesablamalardan daha yaxşı yenidən yaratmışdır.
• Radiasiya eyni hündürlüyə görə üst qapağın daha yastı olmasını dəstəkləmişdir.
• Soret diffuziyası üst qapağın daha dairəvi qalmasını dəstəkləmişdir.
• Parçalanma bütün hallarda toroidal burulğanın yaratdığı yerli gərilmə və sönmə ilə baş vermişdir.
• Soret parçalanmanı gecikdirmiş, radiasiya irəli çəkmişdir.
• Soret və radiasiyanın parçalanma vaxtına əks təsirləri hər ikisi açıq halda demək olar ki, bir-birini tarazlamışdır.

Tədqiqatın dəstəkləmədiyi nəticələr

• Tədqiqat %6 H₂ qarışığının bütün real müəssisə həndəsələrindəki davranışını müəyyən etmir.
• Hesablanan aparıcı-nöqtə sürəti laminar yanma sürəti ilə birbaşa eyni deyil.
• \(R_f^2\simeq Kt\) rejimi sonsuz zaman üçün universal böyümə qanunu kimi sübut edilməmişdir.
• Oxasimmetrik model tam üçölçülü alov parçalanmasını həll etmir.
• Tədqiqat turbulent alov və ya turbulent alışma sərhədi hesablaması deyil.
• Optik olaraq nazik radiasiya modeli ətraflı spektral radiativ ötürülməni həll etmir.
• Tədqiqatın özündə yeni eksperiment aparılmamışdır; eksperimental məlumatlar əvvəlki nəşrlərdən müqayisə məqsədilə götürülmüşdür.
• Parçalanma tam yanma sönməsi demək deyil.

Əsas metodoloji məhdudiyyətlər

Müstəvi və oxasimmetrik ikiölçülü həndəsələr real üçölçülü alovun qeyri-oxasimmetrik deformasiyalarını təmsil edə bilmir. Xüsusilə parçalanmadan sonra müxtəlif alov hissələrinin üçölçülü qarşılıqlı təsirləri və bir neçə burulğanın eyni vaxtda təsiri əhatə dairəsindən kənardadır.

Axının laminar qalacağı fərz edilmiş və turbulentlik və ya subgrid yanma modeli istifadə edilməmişdir. Buna görə nəticələr birbaşa turbulent hidrogen buludlarına tətbiq edilə bilməz.

Radiasiya yalnız H₂O emissiyası və optik olaraq nazik yanaşma altında modelləşdirilmişdir. Öz-özünə udma nəzərə alınmadığı üçün xalis radiativ itki optik qalınlığın artdığı hallarda artıq qiymətləndirilə bilər.

Mövcud eksperimentlərlə müqayisə yalnız aparıcı-nöqtə hərəkəti baxımından aparılmışdır və eksperimentlərin həndəsələri də bir-birindən fərqlidir. Böyük həcmli eksperiment təxminən sərbəst nüvəni təmsil etdiyi halda, ikinci məlumat dəsti qapalı borudan gəlir. Həndəsi məhdudiyyət və divar qarşılıqlı təsirləri xüsusilə daha sonrakı mərhələlərdə əhəmiyyət qazana bilər.

Mənbə və Metod Qeydi

Orijinal tədqiqat: Effects of Soret Diffusion and Radiative Heat Loss on the Evolution of Buoyant Flame Kernels in Ultra-Lean Hydrogen-Air Mixture.

Müəlliflər: Ivan S. Yakovenko; Alexey D. Kiverin.

Məsul müəllif: Ivan S. Yakovenko.

Qurum: Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia.

Jurnal və nəşr kimliyi: Fire, 2026, Cild 9, Məqalə 383. Nəşriyyat: MDPI. DOI: 10.3390/fire9090383.

Nəşr prosesi: Məqalə 9 avqust 2026-da qəbul edilmiş, 29 avqust 2026-da yenidən işlənmiş, 4 sentyabr 2026-da qəbul edilmiş və 5 sentyabr 2026-da nəşr olunmuşdur.

Mənbə növü: Resenziyalı, açıq girişli, ətraflı sayısal yanma və maye dinamikası tədqiqat məqaləsidir. Tədqiqatın özü yeni fiziki yanma eksperimenti ehtiva etmir.

Lisenziya: Creative Commons Attribution (CC BY).

Əsas metod: %6 həcm H₂–hava qarışığı; ətraflı Kéromnès hidrogen oksidləşmə mexanizmi; aşağı-Mach qaz dinamikası; qarışıq-orta molekulyar daşınım; H və H₂ üçün azaldılmış Soret modeli; optik olaraq nazik H₂O radiasiya modeli; 1B sferik, 2B müstəvi və 2B oxasimmetrik simulyasiyalar; müəssisədaxili NRG aşağı-Mach FDS həlledicisi.

Grid: Əsas 2B hesablamalarda 0,4 mm vahid hüceyrə aralığı və həll olunan yarı sahədə 128 × 256 hüceyrə. Yaxınsama yoxlaması 0,1, 0,2 və 0,4 mm gridlərlə aparılmışdır.

Eksperimental doğrulama konteksti: Sayısal aparıcı-nöqtə trayektoriyaları Volodin və həmkarları ilə Anikin və həmkarlarının əvvəl dərc edilmiş eksperimental məlumatları ilə müqayisə edilmişdir. Eksperimentlər bu tədqiqat çərçivəsində aparılmamışdır.

Maliyyələşdirmə: Tədqiqat Russian Federation Ministry of Science and Higher Education tərəfindən State Assignment No. 075-00270-26-00 çərçivəsində dəstəklənmişdir.

Məlumatların əlçatanlığı: Müəlliflər məqalənin nəticələrini dəstəkləyən xam məlumatların sorğu əsasında təqdim ediləcəyini bildirmişdir.

Maraqlar toqquşması: Müəlliflər maraqlar toqquşmasının olmadığını bəyan etmişdir.

Müəllif töhfələri: Konseptuallaşdırma, metod, proqram təminatı, doğrulama, tədqiqat, məlumatların işlənməsi, ilkin layihə və vizuallaşdırma Ivan S. Yakovenko tərəfindən həyata keçirilmişdir. Formal təhlil Ivan S. Yakovenko və Alexey D. Kiverin tərəfindən; resurslar, nəzərdən keçirmə və redaktə, nəzarət, layihə idarəçiliyi və maliyyələşdirmənin əldə edilməsi iki müəllif tərəfindən birgə həyata keçirilmişdir.

Elmi şərh sərhədi

Tədqiqatın əsas nəticəsi ultra-zəif hidrogen alovlarının Yer cazibəsi altında tək bir “yanma sürəti” ilə kifayət qədər izah edilə bilməməsidir. Molekulyar daşınım erkən böyüməni, isti məhsul həcmi qaldırma qüvvəsini, qaldırma öz burulğan sahəsini və burulğan da alov morfologiyası ilə yerli sönməni təsirləndirir. Soret diffuziyası və radiasiya bu zəncirin zaman miqyasını və alovun gərilməyə davamlılığını dəyişir; lakin parçalanmanın əsas topoloji yolu araşdırılan dörd halda da hidrodinamik baxımdan oxşardır.

Nəticələrin real üçölçülü, qeyri-oxasimmetrik və ya turbulent hidrogen yanğınlarına birbaşa tətbiqi uyğun deyil. Müəlliflərin nəticə bölməsində də bu əhatə üçün tam üçölçülü simulyasiyaların lazım olduğu bildirilir.