p Jatos são fluxos rápidos de líquidos ou gases que são lançados com força em um meio circundante. Quando substâncias inflamáveis ​​estão envolvidas, combustão - reações químicas rápidas que resultam em calor e luz - podem ocorrer. A combustão em jatos tem muitas aplicações industriais e tecnológicas, e é, portanto, de grande interesse para cientistas e engenheiros. p As interações químicas em jatos com um componente oxidante e um agente quimicamente reativo podem produzir uma reação fraca induzindo oxidação lenta no componente reativo, ou desenvolver rapidamente e instigar a fuga térmica, o que resulta em um rápido aumento da temperatura que dispara espontaneamente a combustão. A autoignição ocorre quando essa combustão espontânea resulta em uma chama visível. Em um artigo publicado no início desta semana no SIAM Journal on Applied Mathematics , Peter V. Gordon, Uday G. Hegde, e Michael C. Hicks apresentam um modelo matemático para autoignição em jatos turbulentos redondos livres.

p A matemática da autoignição em materiais reativos remonta às décadas de 1920 e 30, particularmente para o trabalho inicial de Nikolay Semenov, David Frank-Kamenetskii, e Yakov Borisovich Zel'dovich. Sua pesquisa estabeleceu uma teoria matemática da combustão chamada teoria da explosão térmica, e os estudos subsequentes basearam-se tipicamente em suas descobertas. Uma verdade comum une caracteristicamente todos os estudos de explosão térmica:antes da autoignição, a dinâmica dos sistemas reativos é bastante direta. Como resultado, os cientistas podem simplificar um sistema de equações que regem a evolução dos sistemas reativos para criar e examinar modelos de autoignição em grande detalhe.

p Gordon et al. usar avanços experimentais recentes no estudo de chamas hidrotérmicas para analisar a autoignição em jatos livres. Observado pela primeira vez há cerca de 30 anos, as chamas hidrotermais surgem em ambientes aquosos (água) em condições acima do ponto crítico termodinâmico da água. Eles são um componente-chave de uma tecnologia emergente de purificação de água "verde" chamada de oxidação de água supercrítica (SCWO), e ocorrem espontaneamente durante SCWO via autoignição. "A principal vantagem desta tecnologia é que ela permite taxas de conversão quase perfeitas de fluxos de resíduos contaminados organicamente sem produzir espécies intermediárias prejudiciais, "Hicks disse." A presença de chamas hidrotérmicas em dispositivos SCWO é muitas vezes desejável, uma vez que permite tempos de reação substancialmente reduzidos - de segundos a milissegundos - aumentando dramaticamente as taxas de decomposição. "

p Estudos experimentais de chamas hidrotérmicas normalmente envolvem um vaso de combustão fechado com uma entrada de injeção. Os autores derivam um modelo elementar de autoignição para um modelo totalmente desenvolvido, jato reativo turbulento redondo. O jato é formado por meio da injeção de combustível e oxidante no vaso, que contém água pura em um estado supercrítico em repouso. O fluxo injetado cria um jato redondo que é laminar (suave com fluxo paralelo) ou turbulento (irregular). Quando as condições forem adequadas, o jato se autoignita axialmente a jusante do ponto de injeção.

p Para ilustrar com eficácia a autoignição, Gordon et al. faça certas suposições sobre a forma do jato e as condições gerais. "Os principais fatos experimentais que usamos em nossa teoria é que a forma do jato, bem como os campos de velocidade e concentração das espécies dentro do jato antes da autoignição, pode ser visto como prescrito a priori, "Disse Gordon." Especificamente, em uma primeira aproximação, a região principal do jato assume a forma de um tronco cônico (um cone com a parte superior pontiaguda cortada). Além disso, a velocidade dentro da parte principal do jato - na direção perpendicular ao jato - é insignificante em comparação com uma na direção da injeção. Este último é radialmente simétrico e inversamente proporcional à distância do ponto de injeção, e o mesmo se aplica aos campos de concentração de componentes reativos e oxidantes dentro do jato. "

p Usando observações experimentais e os pressupostos mencionados, os autores separam os componentes hidrodinâmicos e reativos do modelo. Isso simplifica drasticamente a autoignição, reduzindo-o a uma equação diferencial. “O problema se reduz à análise de uma única equação que descreve a evolução do campo de temperatura dentro do jato, que podemos analisar usando um quadro geral da teoria de explosão térmica de Frank-Kamenetskii, "Gordon disse." Isso leva a uma caracterização precisa de um evento de autoignição em termos dos principais parâmetros físico-químicos e geométricos. "

p O modelo de Gordon et al. É uma contrapartida ao modelo anterior de autoignição para jatos de co-fluxo laminar, e revela algumas verdades valiosas sobre a autoignição. "Os resultados da análise do modelo nos permitem correlacionar valores específicos dos principais parâmetros físico-químicos e geométricos do problema com o evento de autoignição, ou a ausência dela, "Hegde disse." Este, por sua vez, permite identificar regimes paramétricos onde ocorre a autoignição, e, portanto, pode ser usado para orientar estudos experimentais de chamas hidrotérmicas. "

p As conclusões dos autores servirão aos estudos experimentais de cientistas que exploram a relação entre chamas hidrotermais e autoignição. "Este trabalho é aplicável no projeto de reatores SCWO de próxima geração que contarão com a ignição espontânea e subsequente controle de chamas hidrotérmicas para sustentar as temperaturas e a cinética de reação dos processos SCWO em aplicações do mundo real, como remediação de resíduos e recuperação de água, "Hicks disse. Essa pesquisa está acontecendo no Glenn Research Center da NASA, em Cleveland, Ohio.

p "Atualmente, estamos conduzindo experimentos de laboratório com chamas hidrotérmicas em ambientes contaminados organicamente para verificar as previsões do modelo, "Hegde disse." Qualitativamente, já vimos um bom acordo com as tendências do modelo previsto. As comparações quantitativas são mais desafiadoras devido às dificuldades técnicas de fazer medições in situ precisas em ambientes SCWO, e são objeto de trabalho contínuo e futuro. "