Multi-scale flame acceleration and deflagration-to-detonation transition in fractal-obstacle-laden channels

في عالم الاحتراق، هناك تحول خطير ودراماتيكي يراقبه المهندسون وخبراء السلامة بعناية فائقة. يبدأ الأمر كحريق تحت صوتي بطيء، وهو "الاحتراق التشتتي" (deflagration) الذي يتحرك عبر خليط غازي مثل موجة لطيفة. ولكن في ظل الظروف المناسبة، يمكن لهذه الموجة أن تتسارع فجأة، وتضغط الغاز أمامها حتى تتحول إلى انفجار فوق صوتي يُعرف باسم "الانفجار الارتطامي" (detonation). هذا التحول يمثل كابوساً للسلامة الصناعية، حيث يمكنه تحويل مساحة محصورة مثل نفق منجم أو مصنع كيميائي إلى انفجار مدمر في جزء من الثانية. وعلى العكس من ذلك، بالنسبة لمهندسي الدفع الذين يصممون محركات متطورة، فإن هذا التحول العنيف نفسه هو هدف يسعون لتحقيقه، لأنه يوفر وسيلة لتوليد طاقة هائلة بكفاءة عالية. ويكمكن التحدي المركزي في التحكم في المسافة المطلوبة لحدوث هذا التحول. ففي أنبوب فارغ وناعم، قد يسافر الحريق لمئات الأمتار قبل أن يمتلك الطاقة الكافية لإحداث انفجار ارططامي، مما يجعل من الصعب التنبؤ به أو إدارته. ولتقصير هذه الرحلة الخطيرة، وضع العلماء منذ فترة طويلة عوائق، مثل القضبان أو الصفائح، داخل القناة لتشويش تدفق الغاز. تخلق هذه العوائق اضطراباً، مما يجعل اللهب يتجعد ويحترق بشكل أسرع، لكن التصميمات التقليدية عادة ما تخلق اضطراباً بحجم واحد فقط، مما يحد من فعاليتها.

قام فريق من الباحثين في جامعة الصين للتعدين والتكنولوجيا في بكين باستكشاف نهج مختلف، نهج يحاكي الأنماط المعقدة والمتكررة الموجودة في الطبيعة. فبدلاً من استخدام صف واحد من الحواجز المتطابقة، صمموا قناة مليئة بالعوائق المرتبة وفق نمط "فركتلي" (fractal pattern). والفركتل هو شكل يتكرر بمقاييس مختلفة، حيث يشبه الجزء الصغير نسخة مصغرة من الكل. وفي تجربتهم، بنى الباحثون قناة تحتوي على ثلاث طبقات متميزة من هذه العوائق المتكررة، تتراوح من الكتل الأولية الكبيرة وصولاً إلى الكتل الثالثية الصغيرة جداً، وكلها موزعة وفق قاعدة هندسية محددة. ملأوا هذه القناة بخليط من الميثان والهواء، وأشعلوا النار في أحد طرفيها، وراقبوا سلوك الحريق وهو يتسابق نحو الطرف الآخر. وباستخدام كاميرات عالية السرعة يمكنها التقاط تغيرات الكثافة غير المرئية في الهواء، جنباً إلى جنب مع مصفوفة من مستشعرات الضغط ومحاكاة حاسوبية قوية، تتبعوا كل التواء وانعطاف للهب.

كانت النتائج مذهلة. فقد تسارع الحريق المتحرك عبر القناة الفركتلية بسرعة أكبر بكثير مما كان عليه في القنوات ذات العوائق ذات الصف الواحد التقليدية. وفي الإعداد الأكثر كفاءة، انخفضت المسافة المطلوة لتحول الحريق إلى انفجار ارططامي كامل بنسبة 35 بالمائة مقارنة بالطريقة التقليدية. ووصل الحريق إلى سرعته القصوى البالغة 7.2 متر في الثانية وأتم عملية التحول في مسافة 0.38 متر فقط، وهو تحسن ملحوظ مقارنة بـ 0.72 متراً التي كانت مطلوبة في تصميم الصف الواحد. ووجد الباحثون أن سر نجاح هذا الأمر يكمن في الطبيعة متعددة المقاييس للعوائق؛ فبينما يمر اللهب عبر الكتل الكبيرة، فإنه يولد دوامات غازية ضخمة، ومع تحركه عبر الكتل المتوسطة والصغيرة، فإنه يخلق دوامات أصغر فأصغر. هذا التسلسل من الاضطرابات، الذي يمتد عبر أحجام مختلفة عديدة، جعل سطح اللهب يتجعد بشكل أكثر فعالية مما يمكن لعائق ذي حجم واحد أن يفعله. لقد أصبح اللهب سطحاً مجعداً ومعقداً بدلاً من كونه ورقة ملساء، مما سمح له بالاختلاط بالهواء النقي والاحتراق بكثافة أكبر بك much.

كما كشفت الدراسة عن كيفية انتقال الطاقة داخل الغاز وتغيرها. أظهرت المحاكاة الحاسوبية أن الاضطراب الناتج عن العوائق الفركتلية زاد من الطاقة الحركية للغاز الدوامي بمعامل قدره 2.3 مقارنة بإعداد الصف الواحد. اتبع انتقال هذه الطاقة نمطاً يمكن التنبؤ به، حيث انتقلت من الدوامات الكبيرة بطيئة الحركة إلى الدوامات الصغيرة سريعة الحركة، وهي عملية تساعد في استدامة الحرارة الشديدة اللازمة لتشكل الانفجار. وسجلت مستشعرات الضغط ارتفاعاً حاداً في الضغط عند حدوث الانفجار الارتطامي أخيراً، حيث وصل إلى 18.5 ميجاباسكال، وهو مؤشر واضح على حدوث التحول. وفي المقابل، أنتجت عوائق الصف الواحد نبضة ضغط أضعف بك many لم تصل أبداً إلى النقطة الحرجة للانفجار الارتطامي. كما قاس الباحثون شكل جبهة اللهب نفسها، ووجدوا أن لها "بعداً فركتلياً" قدره 1.35، وهي طريقة رياضية لوصف مدى تجعد وتعقيد السطح، مقارنة بـ 1.15 للعوائق القياسية.

وبعيداً عن الأرقام المباشرة، يوفر هذا العمل فهماً جديداً لكيفية التحكم في النار والانفجار. فقد حدد الفريق أن المسافات بين العوائق كانت لا تقل أهمية عن حجمها؛ حيث وجدوا أنه عندما يتم توزيع العوائق بنسبة محددة بالنسبة لارتفاعها، فإن الغازات الدوامية من صف واحد ستتفاعل بشكل مثالي مع الصف التالي، مما يعزز الاضطراب بدلاً من إلغائه. سمحت هذه المسافات المثالية للحريق بالتسارع بأكبر قدر من الكفاءة. كما أظهرت الدراسة أن هذه الطريقة تعمل بشكل أفضل عندما يكون خليط الوقود متوازناً تماماً، لكنها تظل فعالة عبر مجموعة واسعة من الظروف. وتشير النتائج إلى أنه من خلال تصميم قنوات تحتوي على هذه الحواجز ذاتية التشابه ومتعددة المقاييس، يمكن للمهندسين إنشاء بيئات صناعية أكثر أماناً حيث يقل احتمال وصول الانفجارات إلى قدرتها الأكثر تدميراً، أو على العكس من ذلك، بناء محركات أكثر كفاءة تعتمد على الانفجارات الارتطامية المحكومة. ويؤكد البحث أن هندسة العوائق، وليس مجرد وجودها، هي التي تحدد مدى سرعة تحول الحريق إلى انفجار، مما يوفر أداة جديدة قوية لإدارة أكثر أشكال الاحتراق عنفاً.