Ин таҳқиқот афзоиш, болоравӣ, тағйири шакл ва пора шудани ядрои шуъларо дар омехтаи фавқуллоғариби гидроген–ҳаво бо %6 H₂ аз рӯйи ҳаҷм таҳти ҷозибаи Замин ба таври ададӣ меомӯзад. Ядрои шуълаи фавқуллоғариби гидроген сохтори хурд ва вобаста ба вақт аст, ки пас аз оташгиронӣ бо диффузияи афзалиятнок ва гармии гидроген, озодшавии гармии химиявӣ, сардшавии радиатсионӣ ва қувваи болоравӣ якҷоя муайян мешавад. Дар таҳқиқот химияи муфассали гидроген ва динамикаи гази дорои адади пасти Mach истифода шуда, диффузияи Соре ва талафоти гармии радиатсионӣ мустақилона фаъол ва ғайрифаъол карда шуда, чор таркиби модели физикӣ муқоиса гардид.

Марҳилаи аввали пас аз оташгиронӣ бо симулятсияҳои якандозаи сферикӣ омӯхта шуд ва муайян гардид, ки дар тақрибан 200 ms-и аввал квадрати радиуси фронти шуъла бо вақт қариб хаттӣ тағйир меёбад, яъне режими афзоиши бо диффузия идорашавандаро дар шакли \(R_f^2 \simeq Kt\) пайгирӣ мекунад. Диффузияи Соре коэффисиенти самараноки афзоиш \(K\)-ро зиёд кард, дар ҳоле ки талафоти гармии радиатсионӣ онро кам намуд. Ин рафтор аз паҳншавии шуълаи сферикӣ бо суръати доимӣ фарқ мекунад; ҳангоми калон шудани ядро суръати фаврии радиалии фронт коҳиш меёбад.

Дар симулятсияҳои дуандоза, бо калон шудани ядро қувваи болоравӣ ҳукмрон гардид, минтақаи маҳсулоти гарм боло рафт ва гирдоби тороидии худро ба вуҷуд овард. Сохторе, ки дар оғоз тақрибан сферикӣ буд, баъдтар ба сарпӯши эллипсии паҳн табдил ёфт. Диффузияи Соре ядроҳои калонтар ва тезтар болоравандаро ба вуҷуд овард ва сарпӯши болоиро даврашаклтар нигоҳ дошт. Радиатсия ба траекторияи болоравӣ таъсири заифтар дошт, вале паҳншавии нисбии паҳлуиро зиёд кард.

Дар ҳамаи таркибҳои модели физикӣ роҳи пора шудани шуъла асосан яксон буд. Гирдоби тороидӣ минтақаи танги реаксияро байни сарпӯши болоӣ ва шохаи шуълаи ба поён печида кашида, ба хомӯшшавии маҳаллӣ овард. Диффузияи Соре пора шуданро дер кард; радиатсия бошад онро пештар овард. Вақте ки ҳар ду таъсир фаъол буданд, пора шудан дар 305 ms, ва вақте ки ҳар ду ғайрифаъол буданд, дар 306 ms рӯй дод; азбаски фарқи 1 ms дар ҳассосияти муайянкунии вақти таҳқиқот қарор дошт, он ҳамчун тағйири маънодори физикӣ тафсир нашуд.

Таҳқиқот озмоиши нави физикии сӯзиш нест. Натиҷаҳо ба моделҳои ададии якандозаи сферикӣ, дуандозаи ҳамвор ва дуандозаи меҳварсимметрӣ асос ёфтаанд. Натиҷаҳои меҳварсимметрӣ бо траекторияҳои таҷрибавии нуқтаи пешбар, ки қаблан нашр шудаанд, муқоиса гардиданд; пора шудани пурраи сеандозаи асимметрӣ ва рафтори шуълаи турбулентӣ дар ин таҳқиқот ҳал карда нашудаанд.

Масъалаи таҳқиқот

Вақте омехтаҳои гидроген–ҳаво ба ҳадди оташгирандагӣ наздик мешаванд, онҳо метавонанд аз рафтори классикӣ, ҳамвор ва тақрибан ҳамвори шуълаи premix ба таври назаррас дур шаванд. Бо суст шудани озодшавии гармии химиявӣ аҳамияти нисбии интиқоли молекулавӣ, талафоти гармӣ, каҷӣ, кашиши шуъла ва конвексияи табиӣ меафзояд. Аз сабаби диффузивияти баланди гидрогени молекулавӣ, гидроген метавонад нисбат ба бисёр намудҳои дигар ба минтақаи гарми реаксия тезтар интиқол ёбад.

Дар шароити ҷозибаи Замин ба ин қувваи болоравӣ низ илова мешавад. Ядрои маҳсулоти гарм ва зичиаш паст, ки пас аз оташгиронӣ ба вуҷуд меояд, ба боло ҳаракат мекунад. Ин ҳаракат танҳо ҷойи шуъларо иваз намекунад; он ҳамчунин дар атрофи шуъла гирдоби миқёси калон ба вуҷуд меорад. Аз ин рӯ, ҳаракати мушоҳидашавандаи шуъла ба боло танҳо натиҷаи суръати ламинарии сӯзиш нест. Ҳаракати фронти химиявӣ, болоравии массаи гази гарм, конвексияи радиалӣ ва меҳварӣ ва тағйири пайвастаи шакл якҷоя нақш доранд.

Холигии асосие, ки манбаъ таҳқиқ мекунад, ин аст, ки таъсири муштараки диффузияи гармии Соре ва талафоти гармии радиатсионӣ ба ядрои озодона болоравандаи шуълаи фавқуллоғариби гидроген таҳти ҷозибаи Замин ба таври низомманд миқдорӣ карда нашудааст. Таҳқиқоти пешина ин механизмҳоро бештар дар заминаи тӯбҳои шуъла дар микрогравитатсия, шуълаҳои бо девор маҳдуд, шуълаҳои бо burner устуворшуда ё шуълаҳои ҳуҷайравии бидуни конвексияи табиӣ баррасӣ кардаанд.

Диффузияи Соре дар Шуълаи Фавқуллоғариби Гидроген Чӣ Мекунад?

Диффузияи Соре боис мешавад, ки градиенти ҳарорат дар намудҳои сабуки H ва H₂ ҷараёни иловагии массаро ба вуҷуд орад; дар омехтаи фавқуллоғариби гидрогени таҳқиқот ин механизм интиқоли гидрогенро ба минтақаи гарми реаксия зиёд мекунад, афзоиши ядроиро тез мекунад, тавлиди маҳсулоти гарми бештарро дастгирӣ мекунад ва ба нигоҳ доштани тӯлонитари сохтори пайвастаи шуъла дар муқобили кашиши аз гирдоб ба вуҷудомада мусоидат мекунад.

Таъсири Соре ва диффузияи одии молекулавӣ

Дар манбаъ шакли ислоҳнашудаи ҷараёни намуд бо миёнагирии омехта чунин дода шудааст:

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

Дар ин ҷо \(\mathbf{j}_k^{(0)}\) ҷараёни диффузионии ислоҳнашудаи массаи намуди \(k\), \(\rho\) зичии омехта, \(D_k\) коэффисиенти диффузияи молекулавӣ бо миёнагирии омехта, \(Y_k\) ҳиссаи масса, \(D_k^T\) коэффисиенти диффузияи гармӣ ва \(T\) ҳарорат мебошад.

Ҳади аввал диффузияи муқаррариро, ки аз тағйири фазоии консентратсияи намуд ба вуҷуд меояд, ва ҳади дуюм интиқоли Сореро, ки градиенти ҳарорат ба вуҷуд меорад, ифода мекунад. Ҳангоми ғайрифаъол кардани таъсири Соре ҳамаи арзишҳои \(D_k^T\) ба сифр гузошта шуданд.

Барои он ки ҷамъи ҷараёни диффузионии масса сифр бошад, суръати ислоҳӣ татбиқ гардид:

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

Диффузияи гармӣ танҳо барои H ва H₂ бо модели коҳишёфтаи Schlup–Blanquart татбиқ шуд. Коэффисиентҳои манбаъ \(\alpha_H=0{,}895\) ва \(\alpha_{H_2}=0{,}910\) мебошанд. Таъсири мустақими диффузияи гармии намудҳои вазнинтар сарфи назар карда шуд. Ҷараёни гармии мутақобили Dufour низ ба модел ворид карда нашуд, зеро дар шуълаҳои premix-и гидроген нисбат ба саҳми Соре хурдтар ҳисобида шуд.

Талафоти гармии радиатсионӣ чӣ гуна моделсозӣ шудааст?

Радиатсия бо равиши эмиссияи аз ҷиҳати оптикӣ тунук ифода шуд ва ягона намуди радиатсиякунанда буғи об буд. Манбаи ҳаҷмии радиатсионӣ:

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

мебошад. \(\sigma_{\mathrm{SB}}\) доимии Stefan–Boltzmann, \(T_b\) ҳарорати пасзаминаи радиатсия ва \(\kappa_P\) коэффисиенти миёнаи Planck-и ҷаббиш аст.

Коэффисиенти миёнаи Planck дар манбаъ мувофиқи коррелятсияи полиномии Barlow ва ҳамкорон ҳисоб шудааст:

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

Равиши аз ҷиҳати оптикӣ тунук аз нав ҷаббида шудани радиатсияи худи маҳсулотро сарфи назар мекунад. Ҳангоми зиёд шудани ғафсии оптикӣ ин сарфи назар майл дорад талафоти холиси гармиро зиёд арзёбӣ кунад. Аз ин рӯ, таҳқиқот интиқоли муфассали спектралии радиатсияро ҳал намекунад, балки таъсири ибтидоии сардшавии радиатсиониро дар ин ядрои шуълаи миқёси сантиметрӣ ҳал мекунад.

Омехтаи ибтидоӣ ва оташгиронӣ

Дар масъалаи истинодии сферикӣ минтақаи марказӣ бо радиуси 0,4 mm фавран то 2000 K баланд карда шуд, вале таркиби ибтидоии химиявӣ тағйир дода нашуд. Ҳамин тавр, афзоиши ядро дар марҳилаи аввал ҷудо аз тағйири шакле, ки аз ҷозиба сар мезанад, омӯхта шуд.

Дар масъалаҳои дуандоза маркази оташгиронӣ 6,4 mm болотар аз девори поёнии изотермии 300 K ҷойгир аст. Нимпаҳнои соҳаи ҳисобӣ ё радиуси меҳварсимметрӣ 51,2 mm ва баландӣ 102,4 mm аст. Сарҳадҳои болоӣ ва берунӣ баромади озод ва меҳвар сарҳади симметрия мебошад.

Чор таркиби модели физикӣ

Ин матритса имкон медиҳад, ки таъсирҳои ҷудогонаи ду механизми физикӣ ва натиҷаи кори якҷояи онҳо дар ҳамон омехтаи ибтидоӣ муқоиса карда шаванд.

Модели математикии паст-Mach

Омехтаи реактивӣ ҳамчун гази идеалии аз ҷиҳати гармӣ комил баррасӣ шудааст. Дар равиши паст-Mach фишор ба қисми термодинамикии аз ҷиҳати фазоӣ тақрибан яксон ва изтироби гидродинамикӣ ҷудо мешавад:

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

Дар ин таҳқиқот \(p_0=101325\) Pa доимӣ нигоҳ дошта шудааст.

Нигоҳдории масса:

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

Нигоҳдории намудҳо:

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

Муодилаи импулс:

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

Ҳади охирин таъсири болоравиро, ки аз фарқи зичӣ ба вуҷуд меояд, ифода мекунад. Азбаски ҷузъи фишори гидростатикӣ аз майдони фишор хориҷ шудааст, зичии истинодӣ \(\rho_0\) дар ин ҳад пайдо мешавад.

Муодилаи энталпияи ҳисшаванда гузариши гармӣ, интиқоли энталпияи намудҳо, озодшавии гармии химиявӣ, ҳади часпакӣ ва радиатсияро дар як муодилаи энергия муттаҳид мекунад:

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

Барои оксидшавии гидроген механизми муфассали химиявии Kéromnès ва ҳамкорон истифода шуда, нитроген ҳамчун намуди инертӣ баррасӣ гардид. Иқтидорҳои гармӣ ва энталпияҳои вобаста ба ҳарорат бо полиномҳое, ки ба маълумоти термохимиявии JANAF асос ёфтаанд, ифода шуданд.

Ҳалкунандаи ададӣ ва grid

Муодилаҳо бо татбиқи дохилии NRG-и алгоритми паст-Mach FDS ҳал карда шуданд. Зичӣ ва намудҳо бо манбаъҳои химия ва интиқол тавассути схемаи predictor–corrector projection пеш бурда шуданд; муодилаи ҳолат дивергенсияи зарурии суръатро таъмин кард; барои фишори гидродинамикӣ муодилаи Poisson бо коэффисиенти тағйирёбанда бо усули multigrid ҳал карда шуд.

Ҷараён ламинарӣ қабул шуд ва модели турбулентӣ ё sub-grid-и сӯзиш истифода нашуд. Қадами вақт адаптивӣ буда, бо меъёрҳои устувории ададии ҳалкунандаи паст-Mach маҳдуд гардид.

Дар ҳисобҳои дуандоза фосилаи асосии ҳуҷайра 0,4 mm ва нимсоҳаи ҳалшаванда 128 × 256 ҳуҷайра дорад. Азбаски ҳолати Соре фаъол, радиатсия ғайрифаъол бориктарин фронти шуъларо тавлид кард, санҷиши ҳамгароии grid дар ҳамин ҳолат гузаронида шуд. Дар grid-ҳои 0,1, 0,2 ва 0,4 mm траекторияи нуқтаи пешбар ва изотермҳои \(T=1000\) K дар 50, 100 ва 150 ms қариб ҳампӯш шуданд ва дар ҳисобҳои минбаъда grid-и 0,4 mm истифода гардид.

Режими \(R_f^2 \simeq Kt\) Чӣ Маъно Дорад?

Режими \(R_f^2 \simeq Kt\) маънои онро дорад, ки дар фосилаи аввали пас аз оташгиронии омӯхташуда квадрати радиуси ядрои шуълаи сферикӣ бо нишебии тақрибан доимӣ афзоиш меёбад ва аз ин рӯ суръати фронт доимӣ нест; азбаски \(dR_f/dt=K/(2R_f)\), бо калон шудани ядро суръати пешравии радиалӣ тақрибан бо \(R_f^{-1}\) коҳиш меёбад. Манбаъ ин робитаро барои тақрибан 200 ms-и аввал ҳамчун режими самараноки бо диффузия идорашаванда тафсир мекунад ва онро ҳамчун қонуни универсалии асимптотикӣ барои вақти дароз пешниҳод намекунад.

Коэффисиенти самараноки афзоиш K

Рафтори fit-шудаи фронти шуъла:

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

мебошад. Ҳосилааш:

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

Аз ин рӯ, \(K\) ба коэффисиенти диффузияи молекулавӣ ё суръати ламинарии сӯзиш айният надорад. Дар манбаъ \(K\) ҳамчун коэффисиенти самараноки афзоиши ядро муайян мешавад, ки таъсири умумии диффузияи афзалиятнок, гузариши гармӣ, химияи бо суръати маҳдуд, тавсеаи гармӣ, интиқоли Соре ва талафоти радиатсиониро дар бар мегирад.

Ҷадвал нишон медиҳад, ки диффузияи Соре \(K\)-ро ҳам дар ҳолати бо радиатсия ва ҳам бе радиатсия зиёд мекунад, дар ҳоле ки радиатсия \(K\)-ро дар ҳар ду ҳолати Соре коҳиш медиҳад.

Чаро \(R_f^2\) тақрибан хаттӣ афзоиш меёбад?

Дар далели миқёсбандии манбаъ интиқоли диффузионии реактанти норасо ба минтақаи сферикии реаксия тақрибан:

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

миқёсбандӣ мешавад. Масрафи зарурӣ барои афзоиши фронти сферикӣ бошад:

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

Мувозинати ин ду миқёс натиҷаи \(\dot R_f\propto R_f^{-1}\)-ро медиҳад ва ҳамин тавр тақрибан доимӣ будани \(d(R_f^2)/dt\)-ро шарҳ медиҳад. Ин маънои онро надорад, ки химия аҳамият надорад; реаксияи химиявӣ градиентҳои ҳарорат ва консентратсияро, ки диффузияро таъмин мекунанд, идома медиҳад.

Ҳаҷми маҳсулоти гарм ва қувваи болоравӣ

Ҳаҷми минтақаи гарми сферикӣ:

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

Вақте ки \(R_f^2\sim Kt\), ҳаҷм тақрибан:

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

миқёсбандӣ мешавад. Аз ин рӯ, тағйири нисбатан миёнаи \(K\) метавонад дар ҳаҷми гази гарм, ки ҳаракати баъдии болоравиро таъмин мекунад, тағйири нисбии калонтар ба вуҷуд орад.

Ифодаи интегралии қувваи болоравии манбаъ:

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

мебошад. Ҳамин тавр, ҳаҷми маҳсулоти гарм, ки дар марҳилаи аввали сферикӣ аз Соре ё радиатсия тағйир меёбад, ба рафтори болоравии баъдӣ мегузарад.

Радиатсия дар 200 ms чиро тағйир дод?

Профилҳои радиалӣ дар 200 ms дар манбаъ нишон медиҳанд, ки радиатсия ҳарорати маҳсулотро тақрибан 61 K коҳиш додааст. Ин коҳиш тақрибан %7-и болоравии ҳарорат аз муҳит мебошад. Дар муқобил, зичии маҳсулот тақрибан 0,015 kg/m³ зиёд шудааст ва ин афзоиш тақрибан %1,89-и зичии омехтаи муҳитиро ташкил додааст.

Дар равиши паст-Mach, таҳти фишори термодинамикии тақрибан доимӣ зичӣ:

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

дода мешавад. Барои тағйироти хурд:

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

Ин ифода нишон медиҳад, ки таъсири пастшавии ҳарорат ба зичӣ метавонад қисман бо тағйири таркиб ва массаи миёнаи молярӣ ҷуброн шавад.

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

Занҷири таҳлил

1. Барои омехтаи %6 ҳаҷмии H₂–ҳаво чор таркиби Соре/радиатсия муайян карда шуд.
2. Бо ҳисобҳои якандозаи сферикӣ афзоиши аввали ядро, ки аз ҷозиба мустақил аст, омӯхта шуд.
3. Аз рӯйи каҷҳои \(R_f^2(t)\) коэффисиенти самараноки афзоиш \(K\) муайян карда шуд.
4. Бо профилҳои ҳарорат, зичӣ, суръат ва H₂/O₂/H₂O таъсирҳои физикии Соре ва радиатсия ҷудо карда шуданд.
5. Бо ҳисобҳои дуандозаи ҳамвор ва меҳварсимметрӣ конвексияи табиӣ ва болоравӣ ҳал карда шуданд.
6. Траекторияҳои нуқтаи пешбар бо ду маҷмӯи маълумоти таҷрибавии қаблан нашршуда муқоиса карда шуданд.
7. Бо истифода аз майдонҳои ҳарорат ва OH минтақаи маҳсулоти гарм аз қабати фаъоли реаксия ҷудо карда шуд.
8. Сарпӯши болоии шуъла ба эллипс fit карда шуда, таносуби шакл \(a_r/a_z\) пайгирӣ гардид.
9. Вақти пора шудан аз рӯйи таъсири мутақобилаи гирдоби тороидӣ ва минтақаи реаксия ва аввалин қатъи пайвастшавӣ муайян карда шуд.

Ҷозиба кай муҳим мешавад?

Дар марҳилаи аввал ядро тақрибан сферикӣ ва бо диффузия идорашаванда аст. Манбаъ меъёреро истифода кардааст, ки вақти афзоиши шуъларо бо вақти болоравӣ аз қувваи болоравӣ муқоиса мекунад. Суръати болоравии асосёфта ба Davies–Taylor:

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

навишта мешавад.

Ҳангоми истифодаи суръати афзоиши вобаста ба радиуси ин таҳқиқот, таносуби миқёси вақт:

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

мешавад. \(\Pi_{bK}\ll1\) афзоиши тақрибан изотропии бо диффузия идорашавандаро, ва \(\Pi_{bK}=O(1)\) оғози ҳаракат ва деформатсияи назарраси аз қувваи болоравӣ ба вуҷудомадаро ифода мекунад.

Радиуси хоси мувофиқ:

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

Дар ҳолате, ки ҳам Соре ва ҳам радиатсия фаъоланд, бо \(K=1{,}113\times10^{-3}\) m²/s ва зичиҳои намояндагии дар манбаъ истифодашуда \(R_{bK}^{*}\) тақрибан 4,6 mm ба даст омадааст. Ин арзиш ҳадди дақиқи таҷрибавӣ нест, балки арзёбии тартиби бузургӣ барои миқёсе мебошад, ки қувваи болоравӣ аз он аҳамият пайдо мекунад.

Фарқи натиҷаҳои ҳамвор ва меҳварсимметрӣ

Ҳар ду модел нишон доданд, ки ядро бо гузашти вақт бо шитоб боло меравад ва чор таркиби Соре/радиатсия тартиби нисбии яксон доранд. Аммо модели ҳамвор ҷойивазкунии нуқтаи пешбарро ба таври низомманд кам арзёбӣ кард. Ҳисобҳои меҳварсимметрӣ, махсусан ба траекторияи таҷрибаи ҳаҷми калони Volodin ва ҳамкорон, натиҷаи хеле наздиктар доданд.

Ин маънои онро надорад, ки модели меҳварсимметрӣ “ҳалли дурусти пурраи сеандоза” аст. Шуълаи воқеии таҷрибавӣ объекти сеандоза мебошад. Манбаъ мегӯяд, ки геометрияи меҳварсимметрӣ барои муқоисаи мавҷудаи таҷрибавӣ наздикшавии беҳтар аст, вале ҷудо кардани таъсирҳои воқеии 3Б ба саҳми қувваи болоравӣ, массаи иловагӣ, муқовимат ва шакл симулятсияи пурраи сеандозаро талаб мекунад.

Майдони ҳарорат дар 250 ms

Дар Расми 6-и манбаъ ядрои паймон дар ҳар чор ҳолат то 250 ms ба сарпӯши гарми васеъ дар боло ва сохтори wake-и ба поён тӯлкашида табдил ёфтааст. Гирдоби тороидӣ сарҳади болоиро ба боло ва паҳлу мебарад ва ҳамзамон сарҳади поёниро ба дарун фурӯ мерезонад, то шакли сарпӯш ба вуҷуд ояд.

Ҳолатҳои Соре фаъол минтақаҳои гарми калонтар ва болотар бурдашударо ба вуҷуд оварданд. Радиатсия ҳарорати маҳсулот ва андозаи ядроиро каме коҳиш дод; аммо дар марҳилаи аввали ва миёнаи болоравӣ таъсири радиатсия ба траектория нисбат ба таъсири Соре хурдтар аст.

Чаро майдони OH муҳим аст?

Дар ҳоле ки майдони ҳарорат минтақаи васеи маҳсулоти гармро нишон медиҳад, ҳиссаи массаи OH минтақаи фаъоли реаксияро интихобитар нишон медиҳад. Дар Расми 7-и манбаъ OH-и назаррас асосан дар сатҳи болоӣ ва ду китфи паҳлӯ ҷойгир аст, дар ҳоле ки қисми муҳими сарҳади гарми поёнӣ аз ҷиҳати химиявӣ заиф ё ғайрифаъол аст.

Ин натиҷа нишон медиҳад, ки сохтори болораванда фронти пӯшидаи сферикии шуъла нест, ки дар ҳама самтҳо яксон пеш равад. Омехтаи сарди тозае, ки гирдоб дар тӯли меҳвари поёнӣ мекашад, минтақаи поёнии реаксияро сард ва кашида мекунад; ҳамин тавр, байни сарпӯши болоии фаъол ва wake-и поёнии асосан ғайрифаъол сохтори кушода инкишоф меёбад.

Сарпӯши болоӣ чӣ гуна миқдорӣ карда шуд?

Сарҳади болоии шуъла бо эллипси ба меҳвар мувофиқшуда fit карда шуд:

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

Дар ҳолати меҳварсимметрӣ ба ҷойи \(x\) координатаи радиалии \(r\) истифода мешавад. \(a_r\) ниммеҳвари паҳлуӣ ва \(a_z\) ниммеҳвари амудӣ мебошад.

Таносуби шакл:

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

\(\chi=1\) сарпӯши болоии даврашаклро дар ҳамвории меридианӣ, ва \(\chi>1\) сарпӯши паҳни дар самти уфуқӣ васеъшударо нишон медиҳад.

Дар манбаъ таносуби шакл ба ҷойи вақт бо баландии нуқтаи пешбар \(z_{lp}\) муқоиса шудааст. Ҳамин тавр, ҳолатҳои дорои суръатҳои гуногуни болоравӣ дар сатҳҳои монанди инкишофи амудӣ муқоиса шуданд. Умуман, бо боло рафтани ядро \(\chi\) зиёд шуд ва наздикшавии сферикӣ тадриҷан камтар мувофиқ гардид.

Тағйири таносуби шакл бо вақт:

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

Аз ин рӯ, зиёд шудани таносуби шакл маънои онро дорад, ки афзоиши нисбии паҳлуӣ аз афзоиши нисбии амудӣ тезтар аст.

Оё Соре ва радиатсия ба шакл дар як самт таъсир мекунанд?

Не. Дар як баландии нуқтаи пешбар радиатсия одатан таносуби \(a_r/a_z\)-ро зиёд карда, сарпӯшро паҳнтар кардааст. Диффузияи Соре, баръакс, сарфи назар аз зиёд кардани андозаи умумӣ ва болоравии ядро, одатан таносуби шаклро коҳиш дода, сарпӯши болоиро даврашаклтар нигоҳ дошт.

Ин натиҷа фарқи муҳимро нишон медиҳад: танҳо ба баландӣ ё суръати нуқтаи пешбар нигоҳ кардан морфологияи шуъларо пурра шарҳ намедиҳад. Ду ядрое, ки ба баландии яксон расидаанд, метавонанд таносуби паҳноӣ-баландӣ, каҷӣ ва тақсимоти фаъолияти химиявии гуногун дошта бошанд.

Чаро Ядрои Болоравандаи Шуълаи Гидроген Пора Мешавад?

Ядро аз он сабаб пора мешавад, ки гирдоби тороидие, ки маҳсулоти гарми болораванда ба вуҷуд меоранд, минтақаи танги реаксияро байни сарпӯши фаъоли болоӣ ва шохаи поёнии шуъла, ки дар гирди гирдоб печидааст, сахт мекашад; вақте ки каҷӣ ва кашиш зиёд шуда, вақти мондани реактанҳо дар минтақаи гарм кам ва сардшавии конвективӣ зиёд мешавад, озодшавии гармии химиявӣ дигар ин талафотро ҷуброн карда наметавонад ва дар минтақаи пайвастшавӣ хомӯшшавии маҳаллӣ рӯй медиҳад.

Таърифи вақти пора шудан

Вақти пора шудан \(t_b\) ҳамчун лаҳзае муайян шудааст, ки минтақаи қаблан пайвастаи реаксия, ки сарпӯши болоӣ ва шохаи поёнии дар гирдоб печидаро ба ҳам мепайваст, бори аввал пайвастагиашро аз даст медиҳад. Вақт бо ҳассосияти тақрибан 1 ms пайгирӣ шудааст.

Ҳангоми ғайрифаъол будани радиатсия диффузияи Соре пора шуданро аз 306 ms то 327 ms, яъне 21 ms дер кард. Ҳангоми фаъол будани радиатсия ҳамин таъсир аз 282 ms то 305 ms, яъне 23 ms таъхир буд. Манбаъ инро ҳамчун тақрибан %7–8 дароз шудани умри сохтори пайвастаи шуъла ифода мекунад.

Радиатсия ба самти муқобил амал кард. Ҳангоми ғайрифаъол будани Соре пора шуданро аз 306 ms то 282 ms, 24 ms пеш овард; ҳангоми фаъол будани Соре аз 327 ms то 305 ms, 22 ms пеш овард.

Ҳангоми ҳамзамон фаъол будани ду механизм 305 ms, ва ҳангоми ғайрифаъол будани ҳар ду 306 ms ба даст омад. Ин фарқи 1 ms аз ҷониби таҳқиқот ҳамчун тағйири физикии ҳалшуда қабул нашудааст. Ҳатто агар ду ҳолат вақти пора шудани наздик дошта бошанд, ҳарорат, таркиб, андозаи ядро ва таърихи болоравии онҳо яксон нестанд.

Оё пора шудан маънои хомӯшшавии пурраро дорад?

Не. Пас аз қатъ шудани пайвасти аввал, озодшавии энергияи химиявӣ ҳам дар сарпӯши болоӣ ва ҳам дар шохаи поёнии печида идома меёбад. Ядрои ягонаи ибтидоӣ ба ҷойи нопадид шудан ба якчанд сохтори реаксия табдил меёбад. Манбаъ мегӯяд, ки ин қисмҳо баъдан метавонанд дар wake-и гармӣ ва химиявӣ ҳаракат кунанд, бо ҳам таъсир кунанд ё ядроҳои дуюмдараҷа ба вуҷуд оранд.

Роҳи пора шуданро ҷараён муайян мекунад ё Соре ва радиатсия?

Ҷой ва роҳи сифатии пора шуданро асосан топологияи ҷараёни гидродинамикӣ муайян мекунад. Дар ҳамаи чор модел ҳамон робитаи асосии гирдоби тороидӣ–шуъла мушоҳида шудааст. Диффузияи Соре ва радиатсия асосан тағйир додаанд, ки шуъла то чӣ андоза ба кашиш ва сардшавии аз гирдоб ба вуҷудомада тоб оварда метавонад ва кай ба шароити критикӣ мерасад.

Аз назари турбулентӣ чӣ гуфтан мумкин аст?

Ин таҳқиқот симулятсияи шуълаи турбулентӣ нест. Ҷараён ламинарӣ аст ва онро як гирдоби тороидии ҳукмрон назорат мекунад. Бо вуҷуди ин, дар таъсири мутақобилаи маҳаллии шуъла–гирдоб равандҳои физикие ба мисли деформатсияи сатҳ, каҷӣ, кашиш, вақти мондани реактанҳо, интиқоли конвективӣ ва хомӯшшавии маҳаллӣ дида мешаванд, ки дар таъсири мутақобилаи шуълаи турбулентӣ–eddy низ мавҷуданд.

Аз ин рӯ, таҳқиқот нишон медиҳад, ки ҳадди хомӯшшавии маҳаллии аз ҷараён идорашаванда метавонад бо интиқоли Соре ва талафоти гармӣ тағйир ёбад. Аммо хулоса баровардан мумкин нест, ки ҳадҳои оташгирандагии гидрогени турбулентӣ ба таври миқдорӣ ҳисоб шудаанд; барои ин симулятсияҳои сеандоза бо бисёр гирдобҳои андоза ва таносуби кашиши гуногун лозиманд.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад

• Афзоиши аввали ядро дар омехтаи %6 ҳаҷмии H₂–ҳаво дар фосилаи вақти омӯхташуда режими тақрибан \(R_f^2\simeq Kt\)-ро нишон дод.
• Диффузияи Соре \(K\)-ро зиёд ва афзоиши ядроиро тез кард.
• Талафоти гармии радиатсионӣ \(K\)-ро кам ва маҳсулотро сард кард.
• Таъсири Соре ядрои маҳсулоти гарми калонтар ва тезтар болоравандаро ба вуҷуд овард.
• Ҳисобҳои меҳварсимметрӣ траекторияи мавҷудаи таҷрибавии нуқтаи пешбарро аз ҳисобҳои ҳамвор беҳтар бозтавлид карданд.
• Радиатсия нисбат ба баландии яксон паҳнтар шудани сарпӯши болоиро дастгирӣ кард.
• Диффузияи Соре даврашаклтар мондани сарпӯши болоиро дастгирӣ кард.
• Пора шудан дар ҳамаи ҳолатҳо бо кашиш ва хомӯшшавии маҳаллӣ, ки гирдоби тороидӣ ба вуҷуд овард, рух дод.
• Соре пора шуданро дер кард, радиатсия онро пеш овард.
• Таъсирҳои муқобили Соре ва радиатсия ба вақти пора шудан, вақте ки ҳар ду фаъол буданд, қариб якдигарро ҷуброн карданд.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ намекунад

• Таҳқиқот рафтори омехтаи %6 H₂-ро дар ҳамаи геометрияҳои воқеии иншоот муайян намекунад.
• Суръати ҳисобшудаи нуқтаи пешбар мустақиман ба суръати ламинарии сӯзиш айният надорад.
• Режими \(R_f^2\simeq Kt\) ҳамчун қонуни универсалии афзоиш барои вақти беохир исбот нашудааст.
• Модели меҳварсимметрӣ пора шудани пурраи сеандозаи шуъларо ҳал намекунад.
• Таҳқиқот ҳисоби шуълаи турбулентӣ ё ҳадди оташгирандагии турбулентӣ нест.
• Модели радиатсияи аз ҷиҳати оптикӣ тунук интиқоли муфассали спектралии радиатсиониро ҳал намекунад.
• Дар худи таҳқиқот таҷрибаи нав гузаронида нашудааст; маълумоти таҷрибавӣ аз нашрияҳои қаблӣ барои муқоиса гирифта шудааст.
• Пора шудан маънои хомӯшшавии пурраи сӯзишро надорад.

Маҳдудиятҳои асосии методологӣ

Геометрияҳои дуандозаи ҳамвор ва меҳварсимметрӣ деформатсияҳои ғайримеҳварсимметрии шуълаи воқеии сеандозаро ифода карда наметавонанд. Хусусан, пас аз пора шудан таъсири мутақобилаи сеандозаи қисмҳои гуногуни шуъла ва таъсири ҳамзамони якчанд гирдоб аз доираи таҳқиқот берун аст.

Фарз шудааст, ки ҷараён ламинарӣ мемонад ва модели турбулентӣ ё subgrid-и сӯзиш истифода нашудааст. Аз ин рӯ, натиҷаҳоро мустақиман ба абрҳои турбулентии гидроген татбиқ кардан мумкин нест.

Радиатсия танҳо бо эмиссияи H₂O ва дар доираи равиши аз ҷиҳати оптикӣ тунук моделсозӣ шудааст. Азбаски худҷаббӣ ба назар гирифта нашудааст, талафоти холиси радиатсионӣ дар ҳолатҳои зиёд шудани ғафсии оптикӣ метавонад аз ҳад зиёд арзёбӣ шавад.

Муқоиса бо таҷрибаҳои мавҷуда танҳо аз ҷиҳати ҳаракати нуқтаи пешбар анҷом дода шудааст ва геометрияҳои таҷрибаҳо низ аз ҳам фарқ мекунанд. Дар ҳоле ки таҷрибаи ҳаҷми калон ядрои тақрибан озодро намояндагӣ мекунад, маҷмӯи дуюми маълумот аз найчаи пӯшида гирифта шудааст. Маҳдудияти геометрӣ ва таъсири девор махсусан дар марҳилаҳои дертар метавонанд муҳим шаванд.

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

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

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

Муаллифи масъул: Ivan S. Yakovenko.

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

Маҷалла ва шиносаи нашр: Fire, 2026, Ҷилди 9, Мақолаи 383. Ношир: MDPI. DOI: 10.3390/fire9090383.

Раванди нашр: Мақола 9 август 2026 қабул, 29 август 2026 бозбинӣ, 4 сентябр 2026 пазируфта ва 5 сентябр 2026 нашр шудааст.

Навъи манбаъ: Мақолаи таҳқиқотии муфассали ададии сӯзиш ва динамикаи моеъҳо, бо баррасии ҳамтоён ва дастрасии кушода мебошад. Худи таҳқиқот таҷрибаи нави физикии сӯзишро дар бар намегирад.

Литсензия: Creative Commons Attribution (CC BY).

Усули асосӣ: Омехтаи %6 ҳаҷмии H₂–ҳаво; механизми муфассали оксидшавии гидрогени Kéromnès; динамикаи гази паст-Mach; интиқоли молекулавии бо миёнагирии омехта; модели коҳишёфтаи Соре барои H ва H₂; модели радиатсияи H₂O-и аз ҷиҳати оптикӣ тунук; симулятсияҳои 1B сферикӣ, 2B ҳамвор ва 2B меҳварсимметрӣ; ҳалкунандаи дохилии NRG паст-Mach FDS.

Grid: Дар ҳисобҳои асосии 2B фосилаи яксони ҳуҷайра 0,4 mm ва дар нимсоҳаи ҳалшаванда 128 × 256 ҳуҷайра. Санҷиши ҳамгароӣ бо grid-ҳои 0,1, 0,2 ва 0,4 mm иҷро шудааст.

Заминаи санҷиши таҷрибавӣ: Траекторияҳои ададии нуқтаи пешбар бо маълумоти таҷрибавии қаблан нашршудаи Volodin ва ҳамкорон ва Anikin ва ҳамкорон муқоиса шуданд. Таҷрибаҳо дар доираи ин таҳқиқот гузаронида нашудаанд.

Маблағгузорӣ: Таҳқиқот аз ҷониби Russian Federation Ministry of Science and Higher Education дар доираи State Assignment No. 075-00270-26-00 дастгирӣ шудааст.

Дастрасии маълумот: Муаллифон изҳор кардаанд, ки маълумоти хоми дастгиркунандаи натиҷаҳои мақола бо дархост пешниҳод мешаванд.

Ихтилофи манфиатҳо: Муаллифон изҳор кардаанд, ки ихтилофи манфиатҳо вуҷуд надорад.

Саҳми муаллифон: Консептуализатсия, усул, нармафзор, тасдиқ, таҳқиқот, идоракунии маълумот, тарҳи аввалия ва визуализатсия аз ҷониби Ivan S. Yakovenko иҷро шудаанд. Таҳлили расмӣ аз ҷониби Ivan S. Yakovenko ва Alexey D. Kiverin; захираҳо, бозбинӣ ва таҳрир, назорат, идоракунии лоиҳа ва ҷалби маблағ аз ҷониби ҳар ду муаллиф якҷоя анҷом дода шудаанд.

Ҳадди тафсири илмӣ

Натиҷаи асосии таҳқиқот ин аст, ки шуълаҳои фавқуллоғариби гидрогенро таҳти ҷозибаи Замин бо як “суръати сӯзиш” ба таври кофӣ шарҳ додан мумкин нест. Интиқоли молекулавӣ ба афзоиши аввал, ҳаҷми маҳсулоти гарм ба қувваи болоравӣ, қувваи болоравӣ ба майдони гирдоби худ ва гирдоб ба морфологияи шуъла ва хомӯшшавии маҳаллӣ таъсир мерасонад. Диффузияи Соре ва радиатсия миқёси вақти ин занҷир ва тобоварии шуъларо ба кашиш тағйир медиҳанд; аммо роҳи асосии топологии пора шудан дар ҳамаи чор ҳолати омӯхташуда аз ҷиҳати гидродинамикӣ монанд аст.

Интиқоли мустақими натиҷаҳо ба сӯхторҳои воқеии сеандоза, ғайримеҳварсимметрӣ ё турбулентии гидроген мувофиқ нест. Дар бахши хулосаи муаллифон низ гуфта мешавад, ки барои ин доира симулятсияҳои пурраи сеандоза лозиманд.