Αλγοριθμική ασυμπτωτική ανάλυση ανάφλεξης αερίων
Authors: Τίγγας Αλέξανδρος-Ευστάθιος 
Published: September 2021

Χρησιμοποιώντας αλγοριθμικά εργαλεία προερχόμενα από τη μέθοδο Computational Singular Perturbation (CSP), μελετώνται διάφορα προβλήματα αυτανάφλεξης στη βάση των βιοκαυσίμων DME και EtOH. Η παρούσα μελέτη επικεντρώνεται σε τέσσερα προβλήματα ισόχωρης αδιαβατικής αυτανάφλεξης. Στο πρώτο πρόβλημα, συγκρίνεται η κινητική αυτανάφλεξης στοιχειομετρικών μιγμάτων DME/ αέρα και EtOH/αέρα, τόσο σε υψηλές όσο και σε χαμηλές αρχικές θερμοκρασίες. Ο DME και η EtOH είναι δύο ισομερή καύσιμα, με δυνατότητα παραγωγής από ανανεώσιμες πηγές, τα οποία έχουν πρακτικά ίδια θερμοχημεία. Όμως, τα εν λόγω δύο ισομερή καύσιμα έχουν τελείως διαφορετικούς χρόνους ανάφλεξης, εξαιτίας της διαφορετικής κινητικής. Πιο συγκεκριμένα, σε υψηλές αρχικές θερμοκρασίες, το πρώτο και μεγαλύτερο τμήμα του χρόνου ανάφλεξης στις περιπτώσεις του DME και της EtOH κυριαρχείται από δύο διαφορετικούς μηχανισμούς χημείας του άνθρακα, ενώ το τελικό τμήμα της διεργαίας ανάφλεξης κυριαρχείται από την ίδια χημεία υδρογόνου. Στην περίπτωση του DME, η χρονοκλίμακα που χαρακτηρίζει το αρχικό (χρονικά μεγαλύτερο) τμήμα της διεργασίας ανάφλεξης ενισχύεται από είδη που περιέχουν ένα άτομο άνθρακα ενώ, στην περίπτωση της EtOH, η αλυσίδα μεταξύ των δύο ατόμων άνθρακα διατηρείται στο συγκεκριμένο τμήμα της διεργασίας, και κατά συνέπεια η χημεία του υδρογόνου διαδραματίζει σημαντικό ρόλο, ευνοώντας την αυτανάφλεξη. Ως απόρροια, προκύπτει στην περίπτωση της EtOH ένας σημαντικά μικρότερος χρόνος ανάφλεξης. Σε αρκετά μικρές αρχικές θερμοκρασίες, στην περίπτωση του DME, η διεργασία κυριαρχείται από αντιδράσεις που περιέχουν είδη με μεγάλο αριθμό ατόμων άνθρακα. Επιπλέον, αποδεικνύεται ότι το αποτέλεσμα της ανταγωνιστικής δράσης δύο αντιδράσεων είναι μια από τις βασικές αιτίες για τη συμπεριφορά αρνητικού συντελεστή θερμοκρασίας (Negative Temperature Coefficient - NTC). Στην περίπτωση της EtOH, η ανάλυση δεικνύει τον κρίσιμο ρόλο οργανικών ενώσεων όπως η ακεταλδεΰδη. Στο δεύτερο πρόβλημα, διερευνάται η επίδραση επιλεγμένων πρόσθετων στον χρόνο ανάφλεξης μιγμάτων DME/αέρα και EtOH/αέρα. Χρησιμοποιούνται εργαλεία της μεθόδου CSP με σκοπό να προσδιοριστούν αλγοριθμικά υποψήφια πρόσθετα. Από την ανάλυση προκύπτει ότι συγκεκριμένα είδη έχουν σημαντική επίδραση στον χρόνο ανάφλεξης, και συνεπώς συνιστούν υποψήφια πρόσθετα. Στο τρίτο πρόβλημα, μελετώνται οι επιδράσεις της αραίωσης με υδρατμό (H2O) στη χημεία του μίγματος μεθανίου (CH4) και αέρα. Η συγκεκριμένη επιλογή οφείλεται στο ότι το μεθάνιο αποτελεί τον απλούστερο υδρογονάθρακα, και η χημεία του περιλαμβάνεται στη χημεία της καύσης οποιουδήποτε υδρογονάνθρακα, και κατά συνέπεια καί στη χημεία των DME και EtOH. Εδώ, μελετώνται οι αντιδράσεις μέσω των οποίων η αραίωση του μίγματος (με H2O) επηρεάζει τον χρόνο ανάφλεξης, καθώς και οι χημικές οδοί της παραγωγής ρύπων ΝΟx. Μελετώνται τόσο η θερμική όσο και η χημική επίδραση της αραίωσης στη διεργασία της έναυσης. Από τα αποτελέσματα προκύπτει ότι η θερμική επίδραση έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της τελικής θερμοκρασίας του μίγματος, ενώ η χημική επίδραση έχει ως αποτέλεσμα: (i) την αυξημένη παραγωγή ρίζας υδροξυλίου (ΟΗ) στο εκρηκτικό τμήμα της διεργασίας (μείωση του χρόνου ανάφλεξης), και (ii) χαμηλότερα επίπεδα συγκέντρωσης ρίζας ατομικού οξυγόνου (Ο) μετά το πέρας του εν λόγω τμήματος (μείωση της παραγωγής NOx). Στο τέταρτο πρόβλημα, μελετάται η δυναμική στο τρίτο εκρηκτικό όριο του μίγματος H2/αέρα. Κίνητρο για τη συγκεκριμένη μελέτη αποτελεί το γεγονός ότι η χημεία του υδρογόνου είναι κυρίαρχη στο τελικό στάδιο της διεργασίας ανάφλεξης μιγμάτων DME/αέρα και EtOH/αέρα. Στην παρούσα εργασία, χρησιμοποιείται ένας πλήρης χημικός μηχανισμός ο οποίος περιλαμβάνει αντιδράσεις καταστροφής ειδών στα τοιχώματα. Επίσης, χρησιμοποιείται ένας λιγότερο εκτενής μηχανισμός, ο οποίος δεν περιλαμβάνει τις αντιδράσεις καταστροφής ειδών στα τοιχώματα. Από τη σχετική ανάλυση προκύπτουν οι αντιδράσεις οι οποίες είναι σημαντικές για την πορεία της διεργασίας της έναυσης. Συμπερασματικά, στο πλαίσιο της παρούσας έρευνας, χαρακτηρίστηκε η δυναμική της ανάφλεξης σημαντικών πρότυπων μιγμάτων σε αντιπροσωπευτικές συνθήκες, εξήχθησαν συμπεράσματα σχετικά με την επίδραση πρόσθετων στη διεργασία της έναυσης, καθώς και συμπεράσματα για την επίδραση της χημικής κινητικής στην παραγωγή ρύπων NOx. Τα αποτελέσματα της παρούσας έρευνας επιβεβαιώνουν την καταλληλότητα της αλγοριθμικής μεθόδου CSP για τη μελέτη προβλημάτων έναυσης για τα καύσιμα της παρούσας μελέτης, σε μεγάλο εύρος αρχικών συνθηκών και στοιχειομετρίας του προαναμεμιγμένου μίγματος.