Mô hình tính toán sự hình thành bồ hóng
trong quá trình cháy khuếch tán
GATEC
Trong quá trình cháy khuếch tán nhiên liệu trong vùng nhiệt độ cao sẽ bị phân hủy nhiệt thành nhiều thành phần hữu cơ khác nhau. Những thành phần hữu cơ nặng hình thành các trung tâm tích tụ những phần tử hữu cơ nhẹ, biến các trung tâm ban đầu này thành những hạt dạng rắn, gọi là giai đoạn tạo hạt nhân cơ sở. Sau đó, những hạt nhân này liên kết với nhau tạo thành những hạt lớn hơn song song với quá trình phát triển bề mặt và thể tích hạt. Do quá trình đối lưu-khuếch tán, những hạt bồ hóng sau khi hình thành sẽ được kéo theo dòng khí. Qua những vùng thừa ô xy và nhiệt độ đủ cao, hạt bồ hóng bị ô xy hóa. Nếu khi ra khỏi những vùng này mà hạt bồ hóng vẫn chưa bị cháy hòan toàn thì bộ phận còn sót lại sẽ thoát ra ngoài. Trong động cơ Diesel, chính bộ phận bồ hóng này hiện diện trong khí xả và là nguồn gây ô nhiễm môi trường.
Xuất phát từ cơ chế hình thành hạt bồ hóng nêu trên, Tesner đã đưa ra mô hình hai giai đoạn: giai đoạn đầu là giai đọan hình thành hạt nhân cơ sở và giai đoạn cuối là giai đọan phát triển hạt bồ hóng. Magnussen hoàn thiện mô hình này bằng cách bổ sung thêm tốc độ cháy hạt bồ hóng. Theo Magnussen, quá trình cháy khuếch tán nói chung và quá trình cháy của hạt bồ hóng nói riêng, có thể mô tả bằng mô hình “tiêu tán các mặt tiếp giáp” (eddy-dissipation). Theo mô hình này, cường độ rối quyết định tốc độ cháy vì nó ảnh hưởng đến quá trình hòa trộn nhiên liệu-không khí mà thời gian cần thiết cho sự hòa trộn này lớn hơn rất nhiều lần so với thời gian diễn ra phản ứng hóa học.
Theo mô hình tạo bồ hóng Tesner-Magnussen chúng ta cần phải xác định hai biến số mới, đó là nồng độ hạt cơ sở và nồng độ bồ hóng. Vì vậy để khép kín hệ phương trình cần bổ sung thêm hai phương trình bảo toàn phần tử đối với hạt nhân n và bồ hóng s mà các đại lượng này phụ thuộc nồng độ nhiên liệu, oxy và nhiệt độ cục bộ.
Nghiên cứu này trình bày so sánh giữa mô hình và thực nghiệm sự hình thành bồ hóng trong ngọn lửa khuếch tán tự do ngoài không khí.
