Quá trình cháy: Mô hình hóa và Thực nghiệm
GATEC
Nâng cao hiệu suất và giảm ô nhiễm môi trườnglà mục tiêu nghiên cứu của phần lớn các công trình khoa học về quá trình cháy đã được công bố trên thế giới trong những năm gần đây. Cho tới nay, các thiết bị sử dụng nhiệt gần như đã hoàn thiện về mặt kết cấu và hiệu suất cơ giới thực tế gần như đã đạt được giá trị lý tưởng mong đợi. Vì vậy, để đạt được mục tiêu trên các nhà khoa học tập trung nghiên cứu hoàn thiện quá trình cháy.
Cháy là một quá trình phức tạp liên quan trực tiếp đến nhiều lĩnh khoa học khác nhau, như cơ học chất lỏng, hóa lý, nhiệt động học…. Vì vậy nghiên cứu quá trình cháy đòi hỏi sự hỗ trợ một cách tổng hợp của nhiều ngành, đặc biệt là kỹ thuật mô hình hóa và kỹ thuật đo đạc thực nghiệm.
Quá trình cháy trước tiên liên quan đến động học phản ứng của hỗn hợp hydrocarbon trong không khí. Quá trình thay đổi chất, dẫn đến thay đổi enthalpie này diễn ra với sự hình thành hàng loạt các chất trung gian. Phụ thuộc vào thời gian và các điều kiện lý hóa của môi trường cháy, các chất trung gian không bền vững này tồn tại nhiều hay ít. Hàm lượng những chất trung gian, tuy không đáng kể trong hỗn hợp sản phẩm cháy cuối cùng, nhưng chúng lại là những gốc hóa học tạo nên các chất ô nhiễm trong sản phẩm cháy.
Trong quá trình cháy với hỗn hợp hoà trộn trước, khi biết thành phần hỗn hợp và điều kiện bên trong buồng cháy thì việc tính toán sản phẩm cháy không mấy phức tạp. Trong trường hợp này, mô hình hai khu vực kết hợp với các biểu thức bán thực nghiệm về tốc độ lan tràn màng lửa cho phép tính toán được các đại lượng cơ bản của quá trình cháy (nhiệt độ, áp suất) cũng như nồng độ các chất trong sản phẩm cháy. Tuy nhiên vấn đề trở nên hết sức phức tạp đối với quá trình cháy khuếch tán trong đó oxy và nhiên liệu đến từ hai nguồn khác nhau. Để tính toán quá trình cháy này, việc đầu tiên là xác định nồng độ cục bộ của nhiên liệu và oxy. Sự trao đổi chất được thực hiện trên các mặt tiếp giáp oxy-nhiên liệu nên sự phân bố thành phần hỗn hợp diễn ra một cách ngẫu nhiên trong môi trường chảy rối. Có nhiều mô hình toán học mô tả sự trao đổi chất khuếch tán trong môi trường này, trong đó mô hình đại lượng bảo toàn được các nhà khoa học quan tâm nhiều nhất trong những năm gần đây. Đại lượng bảo toàn là đại lượng không sinh ra cũng không mất đi trong quá trình cháy. Nồng độ oxy, nhiên liệu, nhiệt độ cháy cục bộ là những hàm số phụ thuộc vào đại lượng bảo toàn. Sự phân bố của đại lượng bảo toàn phụ thuộc vào hàm số mật độ xác suất. Trong tính toán mô hình hóa, người ta sử dụng nhiều dạng hàm mật độ xác suất khác nhau. Sự khác biệt của kết quả tính toán thể hiện ở vùng có mật độ nhiên liệu rất thấp. Khi xác định được giá trị cục bộ của nồng độ nhiên liệu và oxy, chúng ta có thể tính toán được nồng độ sản vật cháy, đặc biệt là nồng độ các chất ô nhiễm.
Việc ứng dụng các mô hình đã được thiết lập đối với quá trình cháy và tia phun rối, khuếch tán bên ngoài khí quyển vào trong buồng cháy của các thiết bị công nghiệp, động cơ Diesel chẳng hạn, đòi hỏi bổ sung hệ phương trình nhiệt động học khống chế diễn biến môi chất trong buồng cháy. Khác với quá trình cháy của hỗn 
hợp hòa trộn trước, quá trình cháy khuếch tán diễn ra ở những khu vực mà tỉ lệ nhiên liệu/không khí đạt giá trị tối ưu nhất. Sự phân chia tia phun ra nhiều khu vực có thành phần hỗn hợp gần nhau dẫn đến việc thiết lập mô hình đa khu vực trong tính toán quá trình cháy động cơ Diesel.
Như vậy việc mô hình hóa quá trình cháy khuếch tán, ngoài những phương trình khống chế sự đối lưu-khuếch tán một pha hay nhiều pha, mô hình rối (chẳng hạn mô hình k-epsilon) để khép kín hệ phương trình này chúng ta cần bổ sung các mô hình mô tả quá trình cháy khuếch tán, động học phản ứng hình thành các chất và các phương trình nhiệt động học liên quan đến môi chất trong buồng cháy (n+1 phương trình ứng với nhiệt độ và áp suất). Một hệ thống phương trình đa phương như vậy rất phức tạp và việc giải nó đòi hỏi những công cụ tính toán có tính năng cao. Trong kỹ thuật, với độ chính xác cho phép, người ta có thể đơn giản hoá hệ phương trình trên bằng cách biểu diễn chúng dưới dạng tích phân trong không gian một chiều kèm theo các mô hình hiện tượng mô tả các hiện tượng vật lý liên quan đến quá trình cháy.
Xem toàn văn tại đây
Hoặc tham khảo clip powerpoint:
________________________________________________________________________
