Les jets sont des flux rapides de liquides ou de gaz qui tirent avec force dans un milieu environnant. Lorsque des substances inflammables sont impliquées, la combustion (réactions chimiques rapides qui produisent de la chaleur et de la lumière) peut se produire. La combustion en jets a de nombreuses applications industrielles et technologiques, et est donc d'un grand intérêt pour les scientifiques et les ingénieurs.

Les interactions chimiques en jets avec un composant oxydant et un agent chimiquement réactif peuvent soit produire une réaction faible induisant une oxydation lente dans le composant réactif, ou se développer rapidement et provoquer un emballement thermique, ce qui entraîne une augmentation rapide de la température qui déclenche spontanément la combustion. L'auto-inflammation s'ensuit lorsque cette combustion spontanée entraîne une flamme visible. Dans un article publié plus tôt cette semaine dans le Revue SIAM de Mathématiques Appliquées , Peter V. Gordon, Uday G. Hegde, et Michael C. Hicks présentent un modèle mathématique d'auto-allumage dans des jets turbulents ronds libres.

Les mathématiques de l'auto-inflammation dans les matériaux réactifs remontent aux années 1920 et 1930, en particulier aux premiers travaux de Nikolay Semenov, David Frank-Kamenetskii, et Yakov Borisovitch Zel'dovich. Leurs recherches ont établi une théorie mathématique de la combustion appelée la théorie de l'explosion thermique, et les études ultérieures étaient généralement basées sur leurs conclusions. Une vérité commune unit de manière caractéristique toutes les études d'explosion thermique :avant l'auto-allumage, la dynamique des systèmes réactifs est assez simple. Par conséquent, les scientifiques peuvent simplifier un système d'équations régissant l'évolution des systèmes réactifs pour créer et examiner des modèles d'auto-allumage en détail.

Gordon et al. utiliser les avancées expérimentales récentes dans l'étude des flammes hydrothermales pour analyser l'auto-inflammation dans les jets libres. Observé pour la première fois il y a environ 30 ans, les flammes hydrothermales apparaissent dans des environnements aqueux (eau) dans des conditions supérieures au point critique thermodynamique de l'eau. Ils sont un élément clé d'une technologie émergente de purification de l'eau "verte" appelée oxydation de l'eau supercritique (SCWO), et se produisent spontanément pendant SCWO via l'auto-allumage. "Le principal avantage de cette technologie est qu'elle permet des taux de conversion presque parfaits de flux de déchets contaminés organiquement sans produire d'espèces intermédiaires nocives, " a déclaré Hicks. " La présence de flammes hydrothermales dans les dispositifs SCWO est souvent souhaitable car elle permet des temps de réaction considérablement réduits - de quelques secondes à quelques millisecondes - améliorant ainsi considérablement les taux de décomposition. "

Les études expérimentales de flammes hydrothermales impliquent généralement une enceinte de combustion fermée avec une entrée d'injection. Les auteurs dérivent un modèle d'auto-allumage élémentaire pour un jet réactif turbulent rond. Le jet est formé par injection de carburant et de comburant dans la cuve, qui contient de l'eau pure à l'état supercritique au repos. Le flux injecté crée un jet rond qui est soit laminaire (lisse avec un écoulement parallèle) soit turbulent (irrégulier). Lorsque les conditions sont réunies, le jet s'auto-enflamme axialement en aval du point d'injection.

Pour illustrer efficacement l'auto-allumage, Gordon et al. faire certaines hypothèses sur la forme et les conditions générales du jet. "Les faits expérimentaux clés que nous utilisons dans notre théorie sont que la forme du jet, ainsi que les champs de vitesse et de concentration des espèces au sein du jet avant l'auto-allumage, peut être considérée comme a priori prescrite, " Gordon a dit. " Plus précisément, en première approximation, la région principale du jet prend la forme d'un tronc de cône (un cône avec le sommet pointu coupé). De plus, la vitesse dans la partie principale du jet - dans la direction perpendiculaire au jet - est négligeable par rapport à celle dans la direction d'injection. Ce dernier est radialement symétrique et inversement proportionnel à la distance du point d'injection, et il en va de même pour les champs de concentration des composants réactifs et oxydants au sein du jet."

En utilisant les observations expérimentales et les hypothèses susmentionnées, les auteurs séparent les composantes hydrodynamiques et réactives du modèle. Cela simplifie considérablement l'auto-allumage, en le réduisant à une équation différentielle. "Le problème se réduit à l'analyse d'une seule équation qui décrit l'évolution du champ de température au sein du jet, que nous pouvons analyser en utilisant un cadre général de la théorie de Frank-Kamenetskii de l'explosion thermique, ", a déclaré Gordon. "Cela conduit à une caractérisation précise d'un événement d'auto-inflammation en termes de principaux paramètres physico-chimiques et géométriques."

Le modèle de Gordon et al. est une contrepartie de leur modèle précédent d'auto-allumage pour jets laminaires à co-écoulement, et révèle quelques vérités précieuses sur l'auto-allumage. "Les résultats de l'analyse du modèle nous permettent de corréler des valeurs spécifiques des principaux paramètres physico-chimiques et géométriques du problème avec l'événement d'auto-inflammation, ou son absence, " Hegde a dit. " Ceci, à son tour, permet d'identifier les régimes paramétriques où s'effectue l'auto-allumage, et peut donc être utilisé pour guider les études expérimentales des flammes hydrothermales.

Les conclusions des auteurs serviront aux études expérimentales des scientifiques explorant la relation entre les flammes hydrothermales et l'auto-inflammation. "Ce travail est applicable à la conception de réacteurs SCWO de nouvelle génération qui s'appuieront sur l'allumage spontané et le contrôle ultérieur des flammes hydrothermales pour maintenir les températures et la cinétique de réaction des processus SCWO dans des applications réelles, comme l'assainissement des déchets et la récupération de l'eau, ", a déclaré Hicks. De telles recherches sont en cours au Glenn Research Center de la NASA, à Cleveland, Ohio.

"Nous menons actuellement des expériences en laboratoire avec des flammes hydrothermales dans des environnements contaminés organiquement pour vérifier les prédictions du modèle, " Hegde a dit. " Qualitativement, nous avons déjà constaté un bon accord avec les tendances prévues du modèle. Les comparaisons quantitatives sont plus difficiles en raison des difficultés techniques de faire des mesures in situ précises dans les environnements SCWO, et font l'objet de travaux en cours et à venir."