Utafiti huu unachunguza kwa njia za nambari ukuaji, kupaa, kubadilika kwa umbo na kugawanyika kwa kiini cha mwali kinachoundwa katika mchanganyiko dhaifu sana wa hidrojeni–hewa wenye %6 H₂ kwa ujazo chini ya mvuto wa Dunia. Kiini cha mwali wa hidrojeni dhaifu sana ni muundo mdogo wa mmenyuko unaotegemea muda, unaoamuliwa kwa pamoja baada ya uwashaji na diffusion ya upendeleo na ya joto ya hidrojeni, kutolewa kwa joto la kemikali, upoaji wa mionzi na nguvu ya buoyancy. Utafiti ulitumia kemia ya kina ya hidrojeni na dinamiki ya gesi ya namba ndogo ya Mach; diffusion ya Soret na upotevu wa joto kwa mionzi ziliwashwa na kuzimwa kwa kujitegemea ili kulinganisha michanganyiko minne ya modeli za fizikia.

Hatua ya mapema baada ya uwashaji ilichunguzwa kwa simuleringi za duara za mwelekeo mmoja, na ikabainika kwamba kwa takriban 200 ms za kwanza mraba wa radius ya uso wa mwali hubadilika karibu kwa mstari na muda, yaani hufuata hali ya ukuaji unaodhibitiwa na diffusion ya aina \(R_f^2 \simeq Kt\). Diffusion ya Soret iliongeza mgawo mzuri wa ukuaji \(K\), ilhali upotevu wa joto kwa mionzi uliupunguza. Tabia hii ni tofauti na ueneaji wa mwali wa duara wenye kasi thabiti; kadiri kiini kinavyokua, kasi ya radial ya papo hapo ya uso hupungua.

Katika simuleringi za pande mbili, kadiri kiini kilivyokua nguvu ya buoyancy ilitawala, eneo la bidhaa moto likapanda juu na kuunda vortex yake ya toroidal. Muundo uliokuwa karibu wa duara mwanzoni baadaye ulibadilika kuwa kofia ya mviringo iliyobapa. Diffusion ya Soret ilizalisha viini vikubwa zaidi na vinavyopaa kwa kasi zaidi, na iliweka kofia ya juu ikiwa ya mviringo zaidi. Mionzi iliathiri njia ya kupaa kwa kiwango kidogo zaidi, lakini iliongeza ubapa wa upande kwa kiasi.

Katika michanganyiko yote ya modeli za fizikia, njia ya kugawanyika kwa mwali ilikuwa kimsingi ileile. Vortex ya toroidal ilinyoosha eneo nyembamba la mmenyuko kati ya kofia ya juu na tawi la mwali lililopinda chini, na kusababisha kuzimika kwa ndani. Diffusion ya Soret ilichelewesha kugawanyika; mionzi iliiharakisha. Athari zote mbili zilipokuwa hai pamoja, kugawanyika kulitokea katika 305 ms; zote zilipokuwa zimezimwa, kulitokea katika 306 ms, na tofauti ya 1 ms haikutafsiriwa kama mabadiliko ya maana ya fizikia kwa kuwa ilikuwa ndani ya unyeti wa uamuzi wa muda wa utafiti.

Utafiti huu si jaribio jipya la kimwili la mwako. Matokeo yanategemea modeli za nambari za duara za mwelekeo mmoja, za tambarare za pande mbili na za ulinganifu wa mhimili za pande mbili. Matokeo ya ulinganifu wa mhimili yalilinganishwa na njia za majaribio za nukta inayoongoza zilizochapishwa hapo awali; kugawanyika kamili kwa pande tatu kusiko na ulinganifu na tabia ya mwali wa mtikisiko havikutatuliwa katika utafiti huu.

Tatizo la utafiti

Mchanganyiko wa hidrojeni–hewa unapokaribia kikomo cha kuwaka unaweza kuondoka sana kutoka tabia ya kawaida, laini na takriban tambarare ya mwali wa premix. Kadiri kutolewa kwa joto la kemikali kunavyopungua, umuhimu wa kulinganisha wa usafirishaji wa molekuli, upotevu wa joto, kupinda, kunyooshwa kwa mwali na convection ya asili huongezeka. Kwa sababu ya diffusivity kubwa ya hidrojeni ya molekuli, hidrojeni inaweza kusafirishwa hadi eneo moto la mmenyuko kwa kasi zaidi kuliko spishi nyingi nyingine.

Chini ya mvuto wa Dunia, nguvu ya buoyancy huongezwa kwenye hali hii. Kiini cha bidhaa moto chenye msongamano mdogo kinachoundwa baada ya uwashaji husogea juu. Mwendo huu hauhamishi tu mahali pa mwali; pia huunda vortex kubwa kuzunguka mwali. Kwa hiyo, mwendo wa mwali kuelekea juu unaoonekana si matokeo ya kasi ya mwako ya laminar pekee. Mwendo wa uso wa kemikali, kupaa kwa wingi wa gesi moto, convection ya radial na ya mhimili, na mabadiliko ya umbo yanayoendelea huchangia kwa pamoja.

Pengo kuu linalochunguzwa na chanzo ni kwamba athari ya pamoja ya diffusion ya joto ya Soret na upotevu wa joto kwa mionzi kwenye kiini cha mwali wa hidrojeni dhaifu sana kinachopaa kwa uhuru haijapimwa kwa utaratibu chini ya mvuto wa Dunia. Tafiti za awali zimezingatia taratibu hizi hasa katika muktadha wa mipira ya mwali katika microgravity, miali iliyozuiliwa na ukuta, miali iliyotulizwa kwa burner au miali ya seli isiyo na convection ya asili.

Diffusion ya Soret Hufanya Nini katika Mwali Dhaifu Sana wa Hidrojeni?

Diffusion ya Soret husababisha gradient ya joto kuunda mtiririko wa ziada wa massa katika spishi nyepesi H na H₂; katika mchanganyiko dhaifu sana wa hidrojeni wa utafiti huu, utaratibu huu huongeza usafirishaji wa hidrojeni kwenda eneo moto la mmenyuko, huharakisha ukuaji wa kiini, husaidia kuunda bidhaa moto zaidi na huchangia kudumisha kwa muda mrefu muundo wa mwali uliounganishwa dhidi ya kunyooshwa kunakotokana na vortex.

Athari ya Soret na diffusion ya kawaida ya molekuli

Katika chanzo, umbo lisilosahihishwa la flux ya spishi ya wastani wa mchanganyiko limetolewa kama ifuatavyo:

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

Hapa \(\mathbf{j}_k^{(0)}\) ni flux ya massa ya diffusion isiyosahihishwa ya spishi \(k\); \(\rho\) ni msongamano wa mchanganyiko, \(D_k\) ni mgawo wa diffusion ya molekuli wa wastani wa mchanganyiko, \(Y_k\) ni sehemu ya massa, \(D_k^T\) ni mgawo wa diffusion ya joto, na \(T\) ni joto.

Neno la kwanza linawakilisha diffusion ya kawaida inayotokana na mabadiliko ya anga ya mkusanyiko wa spishi, na neno la pili linawakilisha usafirishaji wa Soret unaotokana na gradient ya joto. Athari ya Soret ilipozimwa, thamani zote za \(D_k^T\) ziliwekwa kuwa sifuri.

Ili jumla ya flux ya massa ya diffusion iwe sifuri, kasi ya marekebisho ilitumika:

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

Diffusion ya joto ilitumika kwa H na H₂ pekee kwa modeli iliyopunguzwa ya Schlup–Blanquart. Vigawo katika chanzo ni \(\alpha_H=0{,}895\) na \(\alpha_{H_2}=0{,}910\). Athari ya moja kwa moja ya diffusion ya joto ya spishi nzito zaidi ilipuuzwa. Flux ya joto ya Dufour ya kinyume haikuongezwa kwenye modeli kwa sababu ilionekana kuwa ndogo kuliko mchango wa Soret katika miali ya premix ya hidrojeni.

Upotevu wa joto kwa mionzi ulifanywaje modeli?

Mionzi iliwakilishwa kwa mbinu ya utoaji mwanga iliyo nyembamba kioptiki, na spishi pekee iliyotoa mionzi ilikuwa mvuke wa maji. Chanzo cha mionzi kwa ujazo ni:

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

\(\sigma_{\mathrm{SB}}\) ni konstanti ya Stefan–Boltzmann, \(T_b\) ni joto la mionzi ya mandharinyuma, na \(\kappa_P\) ni mgawo wa ufyonzaji wa wastani wa Planck.

Mgawo wa wastani wa Planck ulihesabiwa katika chanzo kwa mujibu wa uhusiano wa polinomu wa Barlow na wenzake:

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

Mbinu iliyo nyembamba kioptiki hupuuza kufyonzwa tena kwa mionzi ya bidhaa zenyewe. Upuuzaji huu huwa na mwelekeo wa kukadiria juu upotevu halisi wa joto kadiri unene wa kioptiki unavyoongezeka. Kwa hiyo, utafiti hautatui uhamishaji wa kina wa mionzi ya spektra, bali athari ya msingi ya upoaji wa mionzi katika kiini hiki cha mwali cha kipimo cha sentimita.

Mchanganyiko wa awali na uwashaji

Katika tatizo la marejeo la duara, eneo lenye radius ya 0,4 mm katikati lilipandishwa papo hapo hadi 2000 K, lakini muundo wa awali wa kemikali haukubadilishwa. Kwa njia hii, ukuaji wa kiini katika hatua ya kwanza ulichunguzwa ukiwa umetenganishwa na mabadiliko ya umbo yanayotokana na mvuto.

Katika matatizo ya pande mbili, kituo cha uwashaji kiko 6,4 mm juu ya ukuta wa chini wa izothemu wa 300 K. Nusu-upana wa eneo la hesabu au radius ya ulinganifu wa mhimili ni 51,2 mm, na urefu ni 102,4 mm. Mipaka ya juu na ya nje ni kutoka huru, huku mhimili ukiwa mpaka wa ulinganifu.

Michanganyiko minne ya modeli za fizikia

Matrix hii inaruhusu athari tofauti za taratibu mbili za fizikia na matokeo yao zinapofanya kazi pamoja kulinganishwa katika mchanganyiko uleule wa awali.

Modeli ya kihisabati ya past-Mach

Mchanganyiko tendaji ulitazamwa kama gesi bora iliyo kamili kwa upande wa joto. Katika mbinu ya past-Mach, shinikizo hugawanywa kuwa sehemu ya thermodynamic iliyo karibu sawia katika anga na perturbation ya hydrodynamic:

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

Katika utafiti huu \(p_0=101325\) Pa iliwekwa thabiti.

Uhifadhi wa massa:

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

Uhifadhi wa spishi:

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

Mlinganyo wa momentum:

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

Neno la mwisho linawakilisha athari ya buoyancy inayotokana na tofauti ya msongamano. Kwa kuwa sehemu ya shinikizo la hydrostatic imeondolewa kwenye uga wa shinikizo, msongamano wa marejeo \(\rho_0\) unaonekana katika neno hili.

Mlinganyo wa enthalpy inayohisiwa huunganisha uendeshaji wa joto, usafirishaji wa enthalpy wa spishi, kutolewa kwa joto la kemikali, neno la mnato na mionzi katika mlinganyo mmoja wa nishati:

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

Kwa oksidishaji wa hidrojeni, utaratibu wa kina wa kemikali wa Kéromnès na wenzake ulitumika, huku nitrojeni ikichukuliwa kama spishi ajizi. Uwezo wa joto na enthalpy zinazotegemea joto ziliwakilishwa kwa polinomu zinazotegemea data za thermochemical za JANAF.

Kisuluhishi cha nambari na grid

Milinganyo ilitatuliwa kwa utekelezaji wa ndani wa NRG wa algoriti ya FDS ya past-Mach. Msongamano na spishi zilisogezwa mbele pamoja na vyanzo vya kemia na usafirishaji kwa mpango wa predictor–corrector projection; mlinganyo wa hali ulitoa divergence ya kasi inayohitajika; mlinganyo wa Poisson wenye mgawo unaobadilika wa shinikizo la hydrodynamic ulitatuliwa kwa mbinu ya multigrid.

Mtiririko ulidhaniwa kuwa laminar na hakuna modeli ya mtikisiko au ya mwako ya sub-grid iliyotumika. Hatua ya muda ni adaptive na imewekewa kikomo na vigezo vya uthabiti wa nambari vya kisuluhishi cha past-Mach.

Katika hesabu za pande mbili, nafasi ya msingi ya seli ni 0,4 mm na nusu-eneo linalotatuliwa lina seli 128 × 256. Kwa kuwa hali ya Soret imewashwa na radiatsia imezimwa ilitoa uso mwembamba zaidi wa mwali, jaribio la muunganiko wa grid lilifanywa katika hali hii. Katika grid za 0,1, 0,2 na 0,4 mm, njia ya nukta inayoongoza na izothemu za \(T=1000\) K katika 50, 100 na 150 ms zilikaribia kuingiliana, na grid ya 0,4 mm ilitumika katika hesabu zilizofuata.

Hali ya \(R_f^2 \simeq Kt\) Ina Maana Gani?

Hali ya \(R_f^2 \simeq Kt\) ina maana kwamba katika kipindi cha mapema baada ya uwashaji kilichochunguzwa, mraba wa radius ya kiini cha mwali wa duara hukua kwa mteremko takriban thabiti na hivyo kasi ya uso si thabiti; kwa kuwa \(dR_f/dt=K/(2R_f)\), kadiri kiini kinavyokua kasi ya kusonga radial hupungua takriban kama \(R_f^{-1}\). Chanzo hutafsiri uhusiano huu kama hali nzuri inayodhibitiwa na diffusion kwa takriban 200 ms za kwanza na hakiiwasilishi kama sheria ya ulimwengu ya asymptotic kwa muda mrefu.

Mgawo mzuri wa ukuaji K

Tabia ya uso wa mwali iliyowianishwa ni:

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

Derivativi yake ni:

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

Kwa hiyo, \(K\) si sawa na mgawo wa diffusion ya molekuli wala kasi ya mwako ya laminar. Katika chanzo, \(K\) hufafanuliwa kama mgawo mzuri wa ukuaji wa kiini unaojumuisha athari za pamoja za diffusion ya upendeleo, uendeshaji wa joto, kemia yenye kasi yenye ukomo, upanuzi wa joto, usafirishaji wa Soret na upotevu wa mionzi.

Jedwali linaonyesha kwamba diffusion ya Soret huongeza \(K\) katika hali yenye mionzi na isiyo na mionzi, ilhali mionzi hupunguza \(K\) katika hali zote mbili za Soret.

Kwa nini \(R_f^2\) hukua karibu kwa mstari?

Katika hoja ya scaling ya chanzo, usafirishaji wa diffusion wa reactant iliyopungua kwenda katika eneo la mmenyuko la duara hupimwa takriban kama:

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

Matumizi yanayohitajika kwa ukuaji wa uso wa duara ni:

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

Kusawazisha vipimo hivi viwili hutoa matokeo \(\dot R_f\propto R_f^{-1}\) na hivyo kueleza kwa nini \(d(R_f^2)/dt\) huwa karibu thabiti. Hii haimaanishi kwamba kemia si muhimu; mmenyuko wa kemikali unaendelea kuunda gradient za joto na mkusanyiko zinazolisha diffusion.

Ujazo wa bidhaa moto na nguvu ya buoyancy

Ujazo wa eneo moto la duara ni:

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

Wakati \(R_f^2\sim Kt\), ujazo hupimwa takriban kama:

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

Kwa hiyo, mabadiliko ya wastani kiasi katika \(K\) yanaweza kuunda mabadiliko makubwa zaidi ya kiasi katika ujazo wa gesi moto unaolisha mwendo wa baadaye wa buoyancy.

Usemi wa chanzo wa nguvu jumuishi ya buoyancy ni:

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

Kwa hivyo, ujazo wa bidhaa moto uliobadilishwa na Soret au mionzi katika hatua ya awali ya duara hubebwa kwenda kwenye tabia ya baadaye ya kupaa.

Mionzi ilibadilisha nini katika 200 ms?

Katika chanzo, profaili za radial katika 200 ms zinaonyesha kwamba mionzi ilipunguza joto la bidhaa kwa takriban 61 K. Upungufu huu ni takriban %7 ya ongezeko la joto juu ya mazingira. Kwa upande mwingine, msongamano wa bidhaa uliongezeka kwa takriban 0,015 kg/m³, na ongezeko hili lilikuwa karibu %1,89 ya msongamano wa mchanganyiko wa mazingira.

Katika mbinu ya past-Mach, chini ya shinikizo la thermodynamic lililo karibu thabiti, msongamano hutolewa na:

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

Kwa mabadiliko madogo:

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

Usemi huu unaonyesha kwamba athari ya kushuka kwa joto kwenye msongamano inaweza kusawazishwa kwa sehemu na mabadiliko ya muundo na massa ya wastani ya molar.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Mnyororo wa uchambuzi

1. Michanganyiko minne ya Soret/mionzi ilifafanuliwa kwa mchanganyiko wa %6 H₂ kwa ujazo–hewa.
2. Ukuaji wa mapema wa kiini usiotegemea mvuto ulichunguzwa kwa hesabu za duara za mwelekeo mmoja.
3. Kutoka kwenye mikunjo ya \(R_f^2(t)\), mgawo mzuri wa ukuaji \(K\) uliamuliwa.
4. Athari za fizikia za Soret na mionzi zilitenganishwa kwa kutumia profaili za joto, msongamano, kasi na H₂/O₂/H₂O.
5. Convection ya asili na kupaa vilitatuliwa kwa hesabu za pande mbili za tambarare na ulinganifu wa mhimili.
6. Njia za nukta inayoongoza zililinganishwa na seti mbili za data za majaribio zilizochapishwa hapo awali.
7. Eneo la bidhaa moto na tabaka hai la mmenyuko vilitenganishwa kwa kutumia uga za joto na OH.
8. Kofia ya juu ya mwali iliwekewa ellipsi na uwiano wa umbo \(a_r/a_z\) ukafuatiliwa.
9. Muda wa kugawanyika uliamuliwa kwa mwingiliano kati ya vortex ya toroidal na eneo la mmenyuko na kukatika kwa kwanza kwa muunganiko.

Mvuto huwa muhimu lini?

Katika hatua ya mapema kiini huwa karibu cha duara na kinadhibitiwa na diffusion. Chanzo kilitumia kigezo kinacholinganisha muda wa ukuaji wa mwali na muda wa kupaa kwa buoyancy. Kasi ya kupaa inayotegemea Davies–Taylor imeandikwa kama:

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

Imeandikwa kama ifuatavyo.

Kwa kutumia kasi ya ukuaji inayotegemea radius ya utafiti huu, uwiano wa skeli ya muda huwa:

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

\(\Pi_{bK}\ll1\) huwakilisha ukuaji karibu isotropiki unaodhibitiwa na diffusion, huku \(\Pi_{bK}=O(1)\) ikiwakilisha mwanzo wa mwendo na deformation dhahiri inayotokana na buoyancy.

Radius bainifu inayolingana ni:

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

Katika hali ambayo Soret na mionzi zote zimewashwa, kwa \(K=1{,}113\times10^{-3}\) m²/s na misongamano wakilishi iliyotumiwa katika chanzo, \(R_{bK}^{*}\) ilipatikana kuwa takriban 4,6 mm. Thamani hii si kizingiti sahihi cha majaribio bali ni makadirio ya mpangilio wa ukubwa kwa skeli ambayo buoyancy huanza kuwa muhimu.

Tofauti kati ya matokeo ya tambarare na ulinganifu wa mhimili

Modeli zote mbili zilionyesha kwamba kiini hupaa kwa kasi inayoongezeka kadiri muda unavyopita na kwamba michanganyiko minne ya Soret/mionzi ina mpangilio uleule wa kulinganisha. Hata hivyo, modeli ya tambarare ilikadiria chini kwa utaratibu uhamisho wa nukta inayoongoza. Hesabu za ulinganifu wa mhimili zilitoa matokeo yaliyo karibu zaidi, hasa na njia ya jaribio la ujazo mkubwa la Volodin na wenzake.

Hii haimaanishi kwamba modeli ya ulinganifu wa mhimili ni “suluhisho sahihi kamili la pande tatu”. Mwali halisi wa majaribio ni kitu cha pande tatu. Chanzo kinasema kwamba jiometri ya ulinganifu wa mhimili ni makadirio bora kwa ulinganisho uliopo wa majaribio, lakini kutenganisha athari halisi za 3D katika michango ya buoyancy, added mass, drag na umbo kunahitaji simuleringi kamili ya pande tatu.

Uga wa joto katika 250 ms

Katika Kielelezo 6 cha chanzo, katika hali zote nne kiini cha awali kilichoshikamana kilibadilika kufikia 250 ms kuwa kofia pana moto juu na muundo wa wake unaoenea chini. Vortex ya toroidal ilibeba mpaka wa juu kwenda juu na pembeni huku ikiangusha mpaka wa chini kuelekea ndani, na hivyo kuunda umbo la kofia.

Hali za Soret iliyowashwa zilizalisha maeneo moto makubwa zaidi na yaliyobebwa juu zaidi. Mionzi ilipunguza kiasi fulani joto la bidhaa na ukubwa wa kiini; hata hivyo, katika hatua za mapema na za kati za kupaa athari ya mionzi kwenye njia ilikuwa ndogo kuliko athari ya Soret.

Kwa nini uga wa OH ni muhimu?

Uga wa joto unaonyesha eneo pana la bidhaa moto, huku sehemu ya massa ya OH ikionyesha kwa uteuzi zaidi eneo hai la mmenyuko. Katika Kielelezo 7 cha chanzo, OH muhimu hupatikana hasa kwenye uso wa juu na mabega mawili ya pembeni, huku sehemu kubwa ya mpaka moto wa chini ikiwa dhaifu kikemikali au haifanyi kazi.

Matokeo haya yanaonyesha kwamba muundo unaopaa si uso wa mwali wa duara uliofungwa unaosonga sawasawa katika kila mwelekeo. Mchanganyiko baridi mpya unaovutwa na vortex kando ya mhimili wa chini hupoza na kunyoosha eneo la chini la mmenyuko; kwa hiyo muundo wazi hujitokeza kati ya kofia hai ya juu na wake ya chini ambayo kwa kiasi kikubwa haifanyi kazi.

Kofia ya juu ilipimwaje?

Mpaka wa juu wa mwali uliwekewa ellipsi iliyolinganishwa na mhimili:

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

Katika hali ya ulinganifu wa mhimili, badala ya \(x\) hutumiwa koordinati ya radial \(r\). \(a_r\) ni nusu-mhimili wa pembeni na \(a_z\) ni nusu-mhimili wa wima.

Uwiano wa umbo ni:

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

\(\chi=1\) huonyesha kofia ya juu ya mviringo katika ndege ya meridian, huku \(\chi>1\) ikionyesha kofia iliyobapa iliyopanuka kwa mwelekeo wa mlalo.

Katika chanzo, uwiano wa umbo ulilinganishwa na urefu wa nukta inayoongoza \(z_{lp}\) badala ya muda. Kwa hivyo, hali zenye kasi tofauti za kupaa zililinganishwa katika viwango sawa vya maendeleo ya wima. Kwa ujumla, kadiri kiini kilivyopaa \(\chi\) iliongezeka na makadirio ya duara yakawa yanafaa kidogo zaidi.

Mabadiliko ya muda ya uwiano wa umbo ni:

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

Kwa hiyo, kuongezeka kwa uwiano wa umbo kunamaanisha kwamba ukuaji wa kulinganisha wa upande ni wa haraka kuliko ukuaji wa kulinganisha wa wima.

Je, Soret na mionzi huathiri umbo katika mwelekeo mmoja?

Hapana. Katika urefu uleule wa nukta inayoongoza, mionzi kwa kawaida iliongeza uwiano \(a_r/a_z\) na kuifanya kofia kuwa bapa zaidi. Diffusion ya Soret, ingawa iliongeza ukubwa wa jumla na kupaa kwa kiini, kwa kawaida ilipunguza uwiano wa umbo na kuiweka kofia ya juu ikiwa ya mviringo zaidi.

Matokeo haya yanaonyesha tofauti muhimu: kuangalia urefu au kasi ya nukta inayoongoza pekee hakuelezi kikamilifu morfolojia ya mwali. Viini viwili vilivyofikia urefu uleule vinaweza kuwa na uwiano tofauti wa upana-kimo, kupinda na usambazaji wa shughuli za kemikali.

Kwa Nini Kiini cha Mwali wa Hidrojeni Kinachopaa Hugawanyika?

Kiini hugawanyika kwa sababu vortex ya toroidal inayotengenezwa na bidhaa moto zinazopaa hunyoosha kwa nguvu eneo nyembamba la mmenyuko kati ya kofia hai ya juu na tawi la chini la mwali lililopinda kuzunguka vortex; wakati kuongezeka kwa kupinda na kunyooshwa kunapunguza muda ambao reactants hukaa katika eneo moto na kuongeza upoaji wa convection, kutolewa kwa joto la kemikali hakuwezi kufidia hasara hizi na kuzimika kwa ndani hutokea katika eneo la muunganiko.

Ufafanuzi wa muda wa kugawanyika

Muda wa kugawanyika \(t_b\) ulifafanuliwa kama wakati ambapo eneo la mmenyuko lililokuwa endelevu hapo awali, lililounganisha kofia ya juu na tawi la chini lililozungushiwa na vortex, lilipoteza muunganiko wake kwa mara ya kwanza. Muda ulifuatiliwa kwa unyeti wa takriban 1 ms.

Mionzi ilipokuwa imezimwa, diffusion ya Soret ilichelewesha kugawanyika kutoka 306 ms hadi 327 ms, yaani kwa 21 ms. Mionzi ilipokuwa imewashwa, athari hiyo hiyo ilikuwa kuchelewa kutoka 282 ms hadi 305 ms, yaani 23 ms. Chanzo kinaeleza hili kama ongezeko la takriban %7–8 katika maisha ya muundo wa mwali uliounganishwa.

Mionzi ilitenda katika mwelekeo tofauti. Soret ilipokuwa imezimwa, iliharakisha kugawanyika kutoka 306 ms hadi 282 ms, kwa 24 ms; Soret ilipokuwa imewashwa, kutoka 327 ms hadi 305 ms, kwa 22 ms.

Wakati taratibu zote mbili ziliwashwa kwa pamoja, muda ulikuwa 305 ms; zote zilipozimwa ulikuwa 306 ms. Tofauti hii ya 1 ms haikuchukuliwa na utafiti kuwa mabadiliko ya fizikia yaliyotatuliwa. Hata kama hali mbili zina muda wa kugawanyika unaokaribiana, joto, muundo, ukubwa wa kiini na historia ya kupaa si sawa.

Je, kugawanyika kunamaanisha kuzimika kabisa?

Hapana. Baada ya muunganiko wa kwanza kukatika, kutolewa kwa nishati ya kemikali kunaendelea katika kofia ya juu na katika tawi la chini lililopinda. Badala ya kutoweka, kiini kimoja cha awali hubadilika kuwa miundo kadhaa ya mmenyuko. Chanzo kinasema kwamba vipande hivi vinaweza baadaye kusogea ndani ya wake ya joto na kemikali, kuingiliana au kuunda viini vya pili.

Je, mtiririko au Soret na mionzi ndiyo huamua njia ya kugawanyika?

Mahali na njia ya ubora ya kugawanyika huamuliwa hasa na topolojia ya mtiririko wa hydrodynamic. Katika modeli zote nne, muunganiko uleule wa msingi wa vortex ya toroidal–mwali ulionekana. Diffusion ya Soret na mionzi zilibadilisha hasa kiwango ambacho mwali unaweza kustahimili kunyooshwa na kupozwa kunakotokana na vortex, na wakati ambapo unafikia hali muhimu.

Nini kinaweza kusemwa kuhusu mtikisiko?

Utafiti huu si simuleringi ya mwali wa mtikisiko. Mtiririko ni laminar na unadhibitiwa na vortex moja kubwa ya toroidal. Hata hivyo, katika mwingiliano wa ndani wa mwali–vortex kuna michakato ya fizikia inayopatikana pia katika mwingiliano wa mwali wa mtikisiko–eddy, kama deformation ya uso, kupinda, kunyooshwa, muda wa kukaa wa reactants, usafirishaji wa convection na kuzimika kwa ndani.

Kwa hiyo, utafiti unaonyesha kwamba kizingiti cha ndani cha kuzimika kinachodhibitiwa na mtiririko kinaweza kubadilishwa na usafirishaji wa Soret na upotevu wa joto. Hata hivyo, haiwezi kuhitimishwa kwamba mipaka ya kuwaka ya hidrojeni yenye mtikisiko imehesabiwa kwa kiasi; hilo linahitaji simuleringi za pande tatu zenye vortex nyingi za ukubwa na viwango tofauti vya kunyooshwa.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• Ukuaji wa mapema wa kiini katika mchanganyiko wa %6 H₂ kwa ujazo–hewa ulionyesha hali ya takriban \(R_f^2\simeq Kt\) katika kipindi cha muda kilichochunguzwa.
• Diffusion ya Soret iliongeza \(K\) na kuharakisha ukuaji wa kiini.
• Upotevu wa joto kwa mionzi ulipunguza \(K\) na kupoza bidhaa.
• Athari ya Soret iliunda kiini cha bidhaa moto kikubwa zaidi na kinachopaa kwa kasi zaidi.
• Hesabu za ulinganifu wa mhimili ziliiga vizuri zaidi njia ya majaribio iliyopo ya nukta inayoongoza kuliko hesabu za tambarare.
• Mionzi ilisaidia kofia ya juu kuwa bapa zaidi kwa urefu uleule.
• Diffusion ya Soret ilisaidia kofia ya juu kubaki ya mviringo zaidi.
• Kugawanyika kulitokea katika hali zote kupitia kunyooshwa kwa ndani na kuzimika kulikosababishwa na vortex ya toroidal.
• Soret ilichelewesha kugawanyika, mionzi ilikuharakisha.
• Athari zinazopingana za Soret na mionzi kwenye muda wa kugawanyika karibu zilisawazishana wakati zote mbili ziliwashwa.

Matokeo yasiyoungwa mkono na utafiti

• Utafiti hauamui tabia ya mchanganyiko wa %6 H₂ katika jiometri zote halisi za mitambo.
• Kasi iliyohesabiwa ya nukta inayoongoza si sawa moja kwa moja na kasi ya mwako ya laminar.
• Hali ya \(R_f^2\simeq Kt\) haijathibitishwa kuwa sheria ya ukuaji ya ulimwengu kwa muda usio na kikomo.
• Modeli ya ulinganifu wa mhimili haitatui kugawanyika kamili kwa mwali wa pande tatu.
• Utafiti si hesabu ya mwali wa mtikisiko wala ya kikomo cha kuwaka cha mtikisiko.
• Modeli ya mionzi iliyo nyembamba kioptiki haitatui uhamishaji wa kina wa mionzi ya spektra.
• Hakuna jaribio jipya lililofanywa ndani ya utafiti wenyewe; data za majaribio zilichukuliwa kutoka machapisho ya awali kwa madhumuni ya kulinganisha.
• Kugawanyika hakumaanishi kuzimika kabisa kwa mwako.

Mapungufu makuu ya kimetodolojia

Jiometri za pande mbili za tambarare na ulinganifu wa mhimili haziwezi kuwakilisha deformation zisizo za ulinganifu wa mhimili za mwali halisi wa pande tatu. Hasa, mwingiliano wa pande tatu wa vipande tofauti vya mwali baada ya kugawanyika na athari ya wakati mmoja ya vortex nyingi ziko nje ya upeo.

Ilidhaniwa kwamba mtiririko utabaki laminar na hakuna modeli ya mtikisiko au mwako ya subgrid iliyotumika. Kwa hiyo, matokeo hayawezi kuhamishwa moja kwa moja kwa mawingu ya hidrojeni yenye mtikisiko.

Mionzi iliundwa kwa kuzingatia utoaji wa H₂O pekee na chini ya mbinu iliyo nyembamba kioptiki. Kwa kuwa kujifyonza hakukuzingatiwa, upotevu halisi wa mionzi unaweza kukadiriwa kupita kiasi wakati unene wa kioptiki unapoongezeka.

Ulinganisho na majaribio yaliyopo ulifanywa tu kwa mwendo wa nukta inayoongoza, na jiometri za majaribio pia zinatofautiana. Jaribio la ujazo mkubwa linawakilisha kiini karibu huru, huku seti ya pili ya data ikitoka kwenye bomba lililofungwa. Vizuizi vya kijiometri na mwingiliano wa ukuta vinaweza kuwa muhimu hasa katika hatua za baadaye.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

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

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

Mwandishi anayewajibika: Ivan S. Yakovenko.

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

Jarida na kitambulisho cha uchapishaji: Fire, 2026, Juzuu 9, Makala 383. Mchapishaji: MDPI. DOI: 10.3390/fire9090383.

Mchakato wa uchapishaji: Makala ilipokelewa 9 Agosti 2026, ikarekebishwa 29 Agosti 2026, ikakubaliwa 4 Septemba 2026 na kuchapishwa 5 Septemba 2026.

Aina ya chanzo: Ni makala ya utafiti wa kina wa nambari kuhusu mwako na dinamiki ya vimiminika, iliyopitiwa na wataalamu wenza na yenye ufikiaji wazi. Utafiti wenyewe hauna jaribio jipya la kimwili la mwako.

Leseni: Creative Commons Attribution (CC BY).

Mbinu kuu: Mchanganyiko wa %6 H₂ kwa ujazo–hewa; utaratibu wa kina wa oksidishaji wa hidrojeni wa Kéromnès; dinamiki ya gesi ya past-Mach; usafirishaji wa molekuli wa wastani wa mchanganyiko; modeli iliyopunguzwa ya Soret kwa H na H₂; modeli ya mionzi ya H₂O iliyo nyembamba kioptiki; simuleringi za 1B za duara, 2B za tambarare na 2B za ulinganifu wa mhimili; kisuluhishi cha ndani cha NRG past-Mach FDS.

Grid: Katika hesabu kuu za 2B, nafasi sare ya seli ni 0,4 mm na nusu-eneo linalotatuliwa lina seli 128 × 256. Ukaguzi wa muunganiko ulifanywa kwa grid za 0,1, 0,2 na 0,4 mm.

Muktadha wa uthibitishaji wa majaribio: Njia za nambari za nukta inayoongoza zililinganishwa na data za majaribio zilizochapishwa hapo awali za Volodin na wenzake pamoja na Anikin na wenzake. Majaribio hayakufanywa ndani ya utafiti huu.

Ufadhili: Utafiti uliungwa mkono na Russian Federation Ministry of Science and Higher Education chini ya State Assignment No. 075-00270-26-00.

Upatikanaji wa data: Waandishi wameeleza kwamba data ghafi inayounga mkono matokeo ya makala itatolewa kwa ombi.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wametangaza kwamba hakuna mgongano wa maslahi.

Michango ya waandishi: Uundaji wa dhana, mbinu, programu, uthibitishaji, utafiti, usimamizi wa data, rasimu ya kwanza na uoneshaji vilifanywa na Ivan S. Yakovenko. Uchambuzi rasmi ulifanywa na Ivan S. Yakovenko na Alexey D. Kiverin; rasilimali, mapitio na uhariri, usimamizi, usimamizi wa mradi na upatikanaji wa ufadhili vilifanywa kwa pamoja na waandishi wote wawili.

Kikomo cha tafsiri ya kisayansi

Hitimisho kuu la utafiti ni kwamba miali dhaifu sana ya hidrojeni haiwezi kuelezwa vya kutosha chini ya mvuto wa Dunia kwa “kasi ya mwako” moja. Usafirishaji wa molekuli huathiri ukuaji wa mapema, ujazo wa bidhaa moto huathiri buoyancy, buoyancy huathiri uga wake wa vortex, na vortex huathiri morfolojia ya mwali na kuzimika kwa ndani. Diffusion ya Soret na mionzi hubadilisha skeli ya muda ya mnyororo huu na ustahimilivu wa mwali dhidi ya kunyooshwa; hata hivyo, njia kuu ya topolojia ya kugawanyika inafanana kihidrodinamiki katika hali zote nne zilizochunguzwa.

Si sahihi kuhamisha matokeo moja kwa moja kwa moto halisi wa hidrojeni wa pande tatu, usio wa ulinganifu wa mhimili au wenye mtikisiko. Katika sehemu ya hitimisho, waandishi pia wanasema kwamba simuleringi kamili za pande tatu zinahitajika kwa upeo huu.