流射流中的自燃模型

射流是强力射入周围介质的液体或气体的快速流。当涉及可燃物质时，会发生燃烧——产生热和光的快速化学反应。喷射中的燃烧具有许多工业和技术应用，因此引起了科学家和工程师的极大兴趣。

射流中与氧化成分和化学反应剂的化学相互作用可以产生弱反应，导致反应成分缓慢氧化，或者迅速发展并引发热失控，导致温度迅速升高，自发触发燃烧。当这种自燃导致可见火焰时，就会发生自燃。在本周早些时候发表在SIAM Journal on Applied Mathematics 上的一篇论文中，Peter V. Gordon、Uday G. Hegde 和 Michael C. Hicks 提出了自由圆形湍流射流自燃的数学模型。

反应材料中自燃的数学可以追溯到 1920 年代和 30 年代，尤其是 Nikolay Semenov、David Frank-Kamenetskii 和 Yakov Borisovich Zel'dovich 的早期工作。他们的研究建立了一种称为热爆炸理论的数学燃烧理论，随后的研究通常基于他们的发现。一个共同的事实是所有热爆炸研究的特征：在自燃之前，反应系统的动力学相当简单。因此，科学家们可以简化控制反应系统演化的方程系统，以创建和详细检查自燃模型。

戈登等人。利用最近在热液火焰研究中的实验进展来分析自由射流中的自燃。大约 30 年前首次观察到，热液火焰在高于水的热力学临界点的条件下出现在水(水)环境中。它们是称为超临界水氧化 (SCWO) 的新兴“绿色”水净化技术的关键组成部分，并且在 SCWO 期间通过自燃自发发生。“这项技术的主要优点是它允许有机污染的废物流的几乎完美的转化率，而不会产生有害的中间物种，”希克斯说。”

热液火焰的实验研究通常涉及带有喷射入口的密闭燃烧容器。作者推导出了一个完全开发的圆形湍流反应射流的基本自燃模型。射流是通过将燃料和氧化剂注入容器中形成的，容器中含有静止状态下处于超临界状态的纯水。注入的流产生圆形射流，该射流是层流(平滑平行流)或湍流(不规则)。当条件合适时，射流在注入点的轴向下游自燃。

为了有效地说明自燃，戈登等人。对喷流的形式和整体条件做出某些假设。“我们在理论中使用的关键实验事实是，射流的形状，以及自燃前射流内物种的速度和浓度场，可以被视为先验规定，”戈登说。“具体来说，在第一个近似值中，射流的主要区域呈现圆锥截头体的形状(尖顶被切掉的圆锥体)。此外，射流主要部分内的速度——在垂直于方向的方向上射流——与射流方向的射流相比可以忽略不计。射流是径向对称的，与射流点的距离成反比，

使用实验观察和上述假设，作者将模型的流体动力和反应成分分开。这大大简化了自燃，将其简化为一个微分方程。“问题归结为对描述喷流内温度场演化的单个方程的分析，我们可以使用 Frank-Kamenetskii 热爆炸理论的一般框架进行分析，”戈登说。“这导致在主要物理化学和几何参数方面对自燃事件的清晰表征。”

Gordon 等人的模型与他们之前的层流协流射流自燃模型相对应，并揭示了一些关于自燃的有价值的真相。“模型分析的结果使我们能够将问题的主要物理化学和几何参数的特定值与自燃事件或不发生自燃事件相关联，”Hegde 说。“这反过来又使人们能够识别发生自燃的参数状态，因此可用于指导热液火焰的实验研究。”

作者的结论将有助于科学家探索热液火焰与自燃之间关系的实验研究。“这项工作适用于下一代 SCWO 反应器的设计，该反应器将依靠自燃和随后对热液火焰的控制来维持 SCWO 过程在现实世界应用中的温度和反应动力学，如废物修复和水回收，”希克斯说。此类研究正在俄亥俄州克利夫兰的 NASA 格伦研究中心进行。

“我们目前正在有机污染环境中用热液火焰进行实验室实验，以验证模型预测，”Hegde 说。“从质量上讲，我们已经看到与预测的模型趋势非常吻合。由于在 SCWO 环境中进行准确的原位测量存在技术困难，因此定量比较更具挑战性，并且是正在进行和未来工作的主题。”