Прилагательное «прохладно» является относительным: холодное пламя горит при температуре менее 1150 градусов Кельвина (1610 градусов по Фаренгейту), что составляет примерно половину типичной температуры горения пламени, составляющей 2200 градусов Кельвина. Хотя холодное пламя впервые было обнаружено в начале 1800-х годов, его свойства и полезность для конструкции дизельного двигателя были исследованы только недавно.«Мы пытаемся количественно оценить влияние холодного пламени в стратифицированных турбулентных струях во время процессов зажигания и стабилизации пламени. Полученные данные будут способствовать созданию более эффективных и более чистых двигателей сгорания», — сказал Чен. «Наш святой Грааль — понять физику турбулентного перемешивания в сочетании с химией воспламенения под высоким давлением, чтобы помочь в разработке прогнозных вычислительных моделей гидродинамики, которые можно использовать для оптимизации конструкции двигателя».
Исследования группы показали, что во время самовоспламенения (самовоспламенения впрыскиваемого топлива в двигатель внутреннего сгорания) холодное пламя ускоряет образование ядер воспламенения — крошечных локализованных участков с высокой температурой, которые вызывают полностью горящее пламя — в бедных топливом регионах. . Работа была выполнена в Исследовательском центре горения Сандиа с использованием прямого численного моделирования, мощного численного эксперимента, который разрешает все масштабы турбулентности, и была опубликована в Proceedings of the Combustion Institute с Крисманом в качестве ведущего автора. Работа была поддержана Управлением фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики (DOE).
Боргези далее расширил исследование холодного пламени, выполнив трехмерное исследование н-додекана, дизельного суррогатного топлива, которое недавно было в центре внимания Sandia Engine Combustion Network по распылительному сгоранию в дизелях (исследование, которое Крисман провел с диметиловым эфиром, расход попроще, был в двух измерениях). Статья Боргези ожидает публикации. Взятые вместе, статьи Крисмана и Боргези составят всестороннее исследование низкотемпературной химии самовоспламеняющегося пламени на разных стадиях воспламенения.
Прохладное пламя может улучшить конструкцию двигателяДетали запуска двигателя часто принимаются как должное. В отличие от бензинового двигателя, в котором топливно-воздушная смесь воспламеняется свечой зажигания, в дизельном двигателе топливо должно самовоспламеняться, когда оно впрыскивается в горячий сжатый воздух, который находится в поршне в верхней части поршня.
Инсульт. Когда топливо впрыскивается в цилиндр двигателя, быстрое смешивание и сгорание объединяются, чтобы сжечь топливо и привести в движение двигатель.
Хотя это длится всего доли секунды, условия пламени, которые запускают этот мощный процесс, имеют решающее значение для повышения эффективности двигателя и минимизации образования загрязнений.Исследования холодного пламени проводились в вычислительном центре Oak Ridge Leadership Computing Facility на Титане, суперкомпьютере мощностью 27 петафлопс, с использованием вычислительного гранта от DOE INCITE или Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment. Для точного и подробного расчета процесса самовоспламенения требуются вычисления с использованием некоторых из крупнейших в мире суперкомпьютеров, таких как Titan.
«Процессы горения сложно изучать, потому что само топливо довольно сложно», — сказал Боргези. «Химия окисления топлива состоит из сотен видов и тысяч химических реакций. Реалистичная симуляция горения дизельного топлива должна точно отражать этот сложный химический состав в общей модели, включающей турбулентное перемешивание и теплопередачу».
В рамках программы DOE Exascale Computing Program команда сотрудничает с внешними организациями (включая NVIDIA; национальные лаборатории Лоуренса Беркли, Ок-Риджа, Аргонна и Лос-Аламоса; Национальную лабораторию возобновляемых источников энергии и Стэнфордский университет) для разработки портативных алгоритмов для повышения производительности эффективность вычислений для исследований горения с помощью прямого численного моделирования.В центре внимания команды — скорость, структура пламени в дизельных двигателях.
В будущем команда хотела бы исследовать основные вопросы о скорости и структуре пламени в условиях дизельного двигателя и изучить взаимосвязь между распылительным испарением, воспламенением, смешиванием и процессами образования сажи, связанными с многокомпонентным топливом. Эти базовые вопросы будут способствовать изучению решающей роли холодного пламени в выработке энергии двигателем и выявят ценные возможности прямого численного моделирования, выполняемого на суперкомпьютерах exascale, как высокоточного и подробного метода численного моделирования.