Dans une étude publiée le 18 janvier 2024 dans la revue Physics of Fluids , des chercheurs de l'Université de Tohoku ont théoriquement lié l'allumage et la déflagration dans un système de combustion, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles configurations pour des moteurs à combustion stables et efficaces grâce à l'existence possible d'un certain nombre de solutions en régime permanent.
"Cette recherche s'attaque directement au défi de la réduction des émissions de dioxyde de carbone en améliorant l'efficacité des moteurs à combustion, une source importante de ces émissions", a déclaré Youhi Morii de l'Institut des sciences des fluides de l'Université du Tohoku.
"Une meilleure compréhension de la dynamique de combustion soutiendra également le développement de solutions d'ingénierie plus sûres et plus durables", a déclaré Kaoru Maruta, également de l'Institute of Fluid Science.
La dynamique de la combustion implique des réactions fluides et chimiques couplées complexes. Les chercheurs utilisent la dynamique des fluides computationnelle pour les aider à mieux comprendre et contrôler le processus.
Si un système fonctionnant de manière stable dans un état stable et ayant une certaine plage de tolérance pour les petites perturbations pouvait être utilisé, cela simplifierait la structure et le contrôle des chambres de combustion et augmenterait la faisabilité de commercialiser de nouvelles conceptions de chambres de combustion.
Pour explorer ce concept, les chercheurs de l'Université de Tohoku ont considéré un système d'écoulement réactif simple et unidimensionnel, dans lequel le gaz prémélangé non brûlé entre dans une chambre de combustion par la limite d'entrée gauche, tandis que le gaz brûlé, ou onde de déflagration, sort par la limite de sortie droite. /P>
La théorie de travail jusqu'à présent soutenait qu'une solution en régime permanent n'existe que lorsque la vitesse d'entrée correspond soit à la vitesse de l'onde de déflagration (qui se propage à des vitesses subsoniques), soit à la vitesse de l'onde de détonation - une réaction de choc où les flammes sortantes voyager à des vitesses supersoniques.
Cependant, cette idée reçue repose sur l’hypothèse selon laquelle les réactions chimiques dans la zone de préchauffage sont négligeables. Des études récentes soulignent l'importance de ce que l'on appelle les « flammes assistées par auto-inflammation », dans lesquelles une déflagration se propageant dans un mélange gazeux prémélangé chaud et non brûlé a une vitesse de propagation plus rapide grâce à des réactions chimiques devant la flamme. Cela suggère qu'il existe un certain nombre de solutions en régime permanent, qui affectent le temps de séjour du gaz avant la déflagration.
S'appuyant sur ces résultats, les chercheurs de l'Université du Tohoku ont conçu une théorie qui a réussi à combler le fossé entre les ondes d'inflammation et de déflagration, révélant l'existence de solutions supplémentaires en régime permanent qui sont possibles lorsqu'ils considèrent « l'onde de réaction auto-inflammable » — une vague qui est affectée par inflammation dans la zone de préchauffage mais se comporte comme une onde de déflagration.
"Contrairement à l'opinion dominante selon laquelle il n'existe qu'une seule solution en régime permanent pour les ondes de déflagration dans les systèmes subsoniques unidimensionnels, notre approche postule un nombre infini de solutions telles que les ondes de réaction auto-inflammables, affirmant que l'inflammation et la flamme sont intrinsèquement liées", a déclaré Morii. dit.
Cela signifie que des solutions en régime permanent existent non seulement aux deux points où la vitesse d'entrée correspond aux vitesses des ondes de déflagration ou de détonation, mais également dans une région plus large si les conditions d'auto-inflammation sont prises en compte.
L’équipe a ensuite étendu la théorie à des scénarios impliquant des vitesses d’entrée supersoniques. En régime supersonique, l’interprétation conventionnelle est qu’une solution en régime permanent n’est possible que lorsque la vitesse d’entrée correspond à la vitesse de l’onde de détonation. Cependant, étant donné que l'onde de réaction auto-inflammable provient d'un allumage zéro dimensionnel, les chercheurs ont soutenu qu'elle devrait être indépendante de la vitesse d'entrée.
"Nous proposons qu'il existe un nombre infini de solutions en régime permanent pour l'onde de réaction auto-inflammable, même dans des conditions supersoniques", a déclaré Morii.
En liant théoriquement allumage et flamme, le moteur peut désormais être envisagé sous un nouvel angle. La prise en compte des phénomènes d'allumage offre la possibilité d'une combustion plus stable, conduisant à l'idée d'un nouveau concept de moteur plus efficace que le moteur conventionnel.
"Ce travail sur la stabilisation des ondes de réaction auto-inflammables marque une avancée fondamentale, révolutionnant potentiellement la conception des systèmes de combustion, en particulier dans le domaine de la combustion supersonique", a déclaré Morii.
Bien que les résultats théoriques et numériques aient fourni un nouveau concept de moteur, celui-ci n'a pas encore été vérifié expérimentalement. L'équipe prévoit donc d'appliquer les résultats de la recherche à un moteur réel grâce à une vérification expérimentale plus approfondie grâce à des recherches conjointes.
Plus d'informations : Youhi Morii et al, Concept général pour les ondes de réaction auto-inflammables couvrant les régimes subsoniques et supersoniques, Physique des fluides (2024). DOI :10.1063/5.0176262
Informations sur le journal : Physique des fluides
Fourni par l'Université du Tohoku
