الاحتراق: هل الحدّ هو المزج أم الكيمياء؟

القرار الأول في نمذجة الاحتراق هو تحديد ما الذي يحدّ التفاعل.

محدود بالمزج. يدخل الوقود والمؤكسِد منفصلين ويحترقان بمجرد التقائهما. ويحدد المعدلَ مدى سرعة امتزاجهما على المقياس الجزيئي. وتندرج في هذه الفئة معظم ألسنة لهب الانتشار الصناعية. ويمثّل ذلك نهجُ تبدد الدوامات لماغنوسن وهيرتاغر، إذ يربط معدل التفاعل بالطاقة الحركية الاضطرابية ومعدل تبددها [1].

محدود بالكيمياء. الخليط جاهز لكن التفاعل بطيء: حرارة منخفضة، أو خليط مخفَّف، أو حدود إشعال وانطفاء. وهنا يهيمن المقياس الزمني الكيميائي، والنماذج القائمة على المزج تعطي الجواب الخاطئ.

ويُفصَل بينهما بنسبة لابعدية بين المقياسين الزمنيين (عدد دامكولر): فإذا كان زمن المزج أطول بكثير من الزمن الكيميائي كانت العملية محدودة بالمزج.

النتائج العملية

تشغيل آلية كيميائية مفصّلة على مسألة محدودة بالمزج يرفع الكلفة بمراتب ولا يضيف شيئًا إلى الدقة — لأن الكيمياء ليست هي الحدّ.

وفي المقابل، إذا كان السؤال عن تأخر الإشعال أو الانطفاء أو الوقود غير المحترق (CO وUHC) فالنموذج القائم على المزج غير كافٍ؛ إذ تتوقف هذه المقادير على المقياس الزمني الكيميائي مباشرة.

المُدخل الحرج: توزيع الهواء

أكثر ما يتأثر به تحليل الاحتراق ليس النموذج عادةً بل من أين يدخل الهواء وبأي مقدار. فتوزيع ثقوب الهواء الثانوي، وفتحة منظّم الهواء، وهواء التسرب هي التي تحدد شكل اللهب وحقل درجات الحرارة أكثر من النموذج. انظر ملاحظة الشروط الحدّية.

الإشعاع لا يمكن إهماله

عند درجات حرارة اللهب يكون الجزء المهيمن من الحرارة الذاهبة إلى الجدار إشعاعيًا، ونواتج الاحتراق وسط مشارك. وتحليل الاحتراق من دون إشعاع يُخطئ الفيض الحراري عند الجدار ودرجة حرارة اللهب معًا. انظر ملاحظة الإشعاع.

المراجع

1. Magnussen, B. F. & Hjertager, B. H. (1977). On mathematical modeling of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion. Symposium (International) on Combustion, 16(1), 719–729. DOI: 10.1016/S0082-0784(77)80366-4
2. Modest, M. F. & Mazumder, S. (2021). Radiative Heat Transfer, 4th ed. Academic Press. ISBN 978-0-323-98406-5.