Quantitative Characterization of Hydrogen Jet Stratification Using Combined PLIF-LIBS Diagnostics

لتشغيل الشاحنات والسفن والطائرات الثقيلة التي تحرك العالم، غالبًا ما تقصر البطاريات عن تلبية الاحتياجات؛ فهي ثقيلة جدًا وتحتوي على طاقة قليلة جدًا لهذه الرحلات الضخمة. يوفر الهيدروجين مسارًا مختلفًا، فهو خفيف للغاية ومليء بالطاقة، ولكنه أيضًا غاز ينتشر بسهولة. ولجعله يعمل في محرك، يجب على المهندسين ضغطه في مساحة ضيقة وخلطه مع الهواء في اللحظة المناسبة تمامًا. فإذا كان المزيج رقيقًا جدًا، فلن يعمل المحرك، وإذا كان كثيفًا جدًا، فقد يحدث خلل في الاحتراق أو ينتج انبعاثات ضارة. يكمن التحدي في التحكم في كيفية سلوك هذا الغاز غير المرئي وهو ينطلق من فوهة، ويدور، ويمتزج مع الهواء قبل أن تشعل شرارة النار فيه. إن فهم هذه الرقصة العابرة والفوضوية للغاز هو المفتاح لبناء محركات نظيفة وقوية للمستقبل.

في دراسة حديثة، سعى الباحثون لرسم خريطة لهذه العملية غير المرئية بوضوح غير مسبوق. أرادوا رؤية كيفية انتشار الهيدروجين بدقة داخل غرفة تحاكي الظروف الموجودة داخل محرك حقيقي. ولتحقيق ذلك، دمجوا طريقتين مختلفتين للنظر إلى الغاز، مما خلق وسيلة تحول الصورة الضبابية إلى خريطة دقيقة. إحدى التقنيات، المعروفة باسم "الوميض المستحث بالليزر المستوي"، تعمل مثل كاميرا عالية السرعة تجعل الهيدروجين يتوهج. ومن خلال خلط كمية ضئيلة من مادة كيميائية تتبعية خاصة مع الهيدروجين، استطاع الباحثون إضاءة شكل النفاث بأكمله أثناء حركته. منحهم هذا عرضًا ثنائي الأبعاد جميلاً لسحابة الغاز، يوضح أين كانت كثيفة وأين كانت رقيقة. ومع ذلك، فإن هذه الصورة المتوهجة وحدها لم تكن قادرة على إخبارهم بالكمية الدقيقة للوقود الموجود؛ فقد كان الأمر يشبه رؤية سحابة دون معرفة مقدار الماء الذي تحويه.

لحل هذه المعضلة، أضاف الفريق أداة ثانية: "مطيافية الانهيار المستحث بالليزر". تعمل هذه الطريقة مثل مسبار مجهري؛ فبدلاً من التقاط صورة واسعة، تطلق شعاع ليزر قوي ومركز على نقطة واحدة صغيرة للغاية داخل نفاث الغاز. تخلق هذه الدفعة الصغيرة من الطاقة شرارة من "البلازما"، وهي حالة فائقة السخونة من المادة، والتي تنبعث منها أضواء. ومن خلال تحليل ألوان هذا الضوء، تمكن الباحثون من قياس النسبة الدقيقة للهيدروجين إلى الهواء في تلك البقعة المحددة. لقد كان قياسًا دقيقًا، لكنه لم يغطِ سوى نقطة واحدة في كل مرة. ومن خلال استخدام قياسات النقطة الدقيقة من الأداة الثانية لمعايرة الصور المتوهجة الواسعة من الأداة الأولى، تمكن الباحثون أخيرًا من ترجمة الصورة المتوهجة بأكملها إلى خريطة كمية. أصبح بإمكانهم الآن رؤية ليس فقط شكل النفاث، بل التركيز الدقيق للوقود في كل نقطة داخلها.

أُجريت التجارب في غرفة متينة ذات جدران شفافة مليئة بغاز النيتروجين لمحاكاة ضغط الهواء الموجود في المحرك. قاموا بحقن الهيدروجين بضغط قدره 4 ميجاباسكال لمدة 500 ميكروثانية، وهي فترة زمنية قصيرة جدًا تُقاس بأجزاء من المليون من الثانية. وبينما كان الهيدروجين ينطلق، راقب الباحثون تطوره عبر ثلاث مراحل متميزة. في البداية، لم يبدُ النفاث كتدفق صلب، بل انفجر في شكل مخروط مجوف، حيث تركز الوقود عند الحواف الخارجية وترك مساحة فارغة نسبيًا في المنتصف. وقد تحدد هذا الشكل الأولي بالكامل بناءً على تصميم الفوهة.

ومع استمرار حركة النفاث للأمام، تغيرت الفيزياء؛ حيث بدأت الحافة الأمامية للغاز تلتف حول نفسها، مكونةً دوامة، تشبه الحركة الدوامية التي تُرى عند تصريف المياه من حوض الاستحمام. عملت هذه الحركة الدوارة مثل المكنسة، حيث سحبت الوقود من الحواف الخارجية نحو المركز ومقدمة النفاث. أدى هذا إلى إنشاء جيوب من الغاز الغني بالوقود عند طرف النفاث مباشرة، بينما أصبحت الأجزاء الخلفية خلفه أكثر رقة. أظهرت هذه المرحلة كيف يمكن لحركة الغاز نفسها أن تركز الوقود، مما يخلق نقاطًا غنية كانت ضرورية للاشتعال.

بمجرد توقف الحقن، لم يختفِ النفاث ببساطة، بل استمر زخم الغاز في دفعه للأمام، مما أدى إلى تمدد السحابة لتصبح ريشة طويلة ونحيفة. خلال هذه المرحلة النهائية، أصبح الوقود مخففًا بشكل متزايد مع اختلاطه بالغاز المحيط، منتشرًا على طول الخط المركزي. لاحظ الباحثون أيضًا حدثًا صغيرًا وغير متوقع؛ فبعد انتهاء عملية الحقن الرئيسية مباشرة، ظهرت دفعة ثانية صغيرة من الهيدروجين بالقرب من الفوهة. ومن المرجح أن يكون هذا ناتجًا عن ارتداد الإبرة الميكانيكية داخل الحاقن قليلاً قبل إغلاقها تمامًا. ورغم صغر حجمها، إلا أن هذه الدفعة الإضافية خلقت جيبًا مركزًا من الوقود انتقل إلى أسفل المجرى، منفصلًا عن السحابة الرئيسية.

تؤكد الدراسة أن سلوك نفاث الهيدروجين ليس عملية واحدة مستقرة، بل هو تسلسل معقد من الأحداث المدفوعة بشكل الفوهة، والحركة الدوامية للغاز، وزخم الحقن. وقد أثبتت الطريقة المدمجة الجديدة أنه من الممكن قياس هذه التغييرات بدقة عالية، مما يوفر وسيلة موثوقة للتحقق من النماذج الحاسوبية التي يستخدمها المهندسون. ومن خلال فهم كيفية اختلاط الوقود بدقة وأين تتكون الجيوب الغنية، يمكن للمصممين التحكم بشكل أفضل في استراتيجية الحقن. هذه المعرفة ضرورية لبناء محركات يمكنها العمل على الهيدروجين بكفاءة، مما يضمن أن يكون الوقود جاهزًا للاحتراق في الوقت والمكان المناسبين، دون خطر حدوث انفجارات عكسية أو هدر للطاقة. ويقدم هذا العمل مسارًا واضحًا قائمًا على البيانات نحو تكنولوجيا يمكنها المساعدة في تشغيل قطاع النقل الثقيل دون انبعاثات كربونية.