Uma teoria que liga a ignição à chama fornece um roteiro para melhores motores de combustão

As relações entre a distância do limite de entrada e a velocidade de entrada para misturas estequiométricas de metano-ar. Os marcadores em forma de círculo aberto significam que a velocidade de entrada é igual à velocidade da onda de deflagração. Os marcadores abertos em forma de estrela significam que a velocidade de entrada é igual à velocidade da onda de detonação. Os marcadores abertos em forma de diamante significam que a velocidade pode exceder a velocidade do som dentro da onda de reação quando a velocidade de entrada é subsônica. Crédito:Youhi Morii

Em estudo publicado em 18 de janeiro de 2024 na revista Physics of Fluids , pesquisadores da Universidade de Tohoku ligaram teoricamente a ignição e a deflagração em um sistema de combustão, desbloqueando novas configurações para motores de combustão estáveis e eficientes devido à possível existência de qualquer número de soluções em estado estacionário.

“Esta pesquisa aborda diretamente o desafio de reduzir as emissões de dióxido de carbono, melhorando a eficiência dos motores de combustão, uma fonte significativa dessas emissões”, disse Youhi Morii, do Instituto de Ciência de Fluidos da Universidade de Tohoku.

“Uma melhor compreensão da dinâmica da combustão também apoiará o desenvolvimento de soluções de engenharia mais seguras e sustentáveis”, disse Kaoru Maruta, também do Instituto de Ciência de Fluidos.

A dinâmica da combustão envolve reações químicas e fluidas acopladas complexas. Os pesquisadores usam dinâmica de fluidos computacional para ajudá-los a compreender e controlar melhor o processo.

Se um sistema que opere de forma estável em estado estacionário e tenha uma certa faixa de tolerância para pequenas perturbações pudesse ser utilizado, isso simplificaria a estrutura e o controle dos combustores e aumentaria a viabilidade de comercialização de novos projetos de combustores.

Para explorar este conceito, os pesquisadores da Universidade de Tohoku consideraram um sistema de fluxo reativo simples e unidimensional, onde o gás pré-misturado não queimado entra em uma câmara de combustão pelo limite de entrada esquerdo, enquanto o gás queimado, ou onda de deflagração, sai pelo limite de saída direito.

A teoria de trabalho até este ponto sustentava que uma solução em estado estacionário existe apenas quando a velocidade de entrada corresponde à velocidade da onda de deflagração (que viaja em velocidades subsônicas) ou à velocidade da onda de detonação - uma reação de choque onde as chamas que saem viajar em velocidades supersônicas.

Contudo, esta sabedoria convencional baseia-se na suposição de que as reações químicas na zona de pré-aquecimento são insignificantes. Estudos recentes enfatizam a importância do que é chamado de "chamas assistidas por autoignição", em que uma deflagração que se propaga em uma mistura quente de gases pré-misturados não queimados tem uma velocidade de propagação mais rápida com a ajuda de reações químicas na frente da chama. Isto sugere que existem inúmeras soluções de estado estacionário, que afetam a quantidade de tempo de residência que o gás permanece antes da deflagração.

Os resultados das simulações realizadas nessas condições mostram que o aumento da temperatura de entrada torna mais provável a formação de uma onda de reação autoignitiva. Consequentemente, isto leva a uma maior gama de soluções em estado estacionário, não limitadas apenas a ondas de deflagração e detonação. Crédito:Youhi Morii

Com base nessas descobertas, os pesquisadores da Universidade de Tohoku desenvolveram uma teoria que preencheu com sucesso a lacuna entre as ondas de ignição e deflagração, revelando a existência de soluções adicionais de estado estacionário que são possíveis quando consideraram a "onda de reação autoignitiva" - uma onda que é afetada por ignição na zona de pré-aquecimento, mas se comporta como uma onda de deflagração.

"Ao contrário da visão predominante de que existe apenas uma única solução de estado estacionário para ondas de deflagração em sistemas subsônicos unidimensionais, nossa abordagem postula um número infinito de tais soluções como ondas de reação autoignitivas, afirmando que a ignição e a chama estão intrinsecamente ligadas", disse Morii. disse.

Isto significa que as soluções de estado estacionário existem não apenas nos dois pontos onde a velocidade de entrada corresponde às velocidades das ondas de deflagração ou detonação, mas também numa região mais ampla se forem consideradas condições de autoignição.

A equipe estendeu ainda mais a teoria para cenários envolvendo velocidades de entrada supersônicas. No regime supersônico, o entendimento convencional é que uma solução em estado estacionário só é possível quando a velocidade de entrada corresponde à velocidade da onda de detonação. No entanto, dado que a onda de reação autoignitiva se origina da ignição de dimensão zero, os pesquisadores argumentaram que ela deveria ser independente da velocidade de entrada.

"Propomos que existe um número infinito de soluções de estado estacionário para a onda de reação autoignitiva, mesmo em condições supersônicas", disse Morii.

Ao vincular teoricamente ignição e chama, o motor pode agora ser considerado sob uma nova perspectiva. A contabilização dos fenômenos de ignição oferece a possibilidade de uma combustão mais estável, levando à ideia de um novo conceito de motor mais eficiente que o convencional.

“Este trabalho na estabilização de ondas de reação autoignivas marca um avanço fundamental, potencialmente revolucionando o projeto de sistemas de combustão, especialmente no domínio da combustão supersônica”, disse Morii.

Embora os resultados teóricos e numéricos tenham fornecido um novo conceito de motor, ele ainda não foi verificado experimentalmente. A equipe, portanto, planeja aplicar os resultados da pesquisa a um motor real por meio de verificações experimentais adicionais por meio de pesquisas conjuntas.

Mais informações: Youhi Morii et al, Conceito geral para onda de reação autoignitiva cobrindo regimes subsônicos a supersônicos, Física dos Fluidos (2024). DOI:10.1063/5.0176262
Informações do diário: Física dos Fluidos

Fornecido pela Universidade Tohoku

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