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

दहन की दुनिया में, एक खतरनाक और नाटकीय बदलाव होता है जिसे इंजीनियर और सुरक्षा विशेषज्ञ बहुत सावधानी से देखते हैं। यह एक धीमी, उप-ध्वनिक (subsonic) आग के रूप में शुरू होता है, एक विस्फोटन (deflagration) जो गैस के मिश्रण के माध्यम से एक कोमल लहर की तरह आगे बढ़ता है। लेकिन सही परिस्थितियों में, यह लहर अचानक तेज हो सकती है, जिससे इसके आगे की गैस दब जाती है और यह एक सुपरसोनिक विस्फोट में बदल जाती है जिसे विष्फोटन (detonation) कहा जाता है। यह औद्योगिक सुरक्षा के लिए एक दुःस्वप्न है, जो एक सीमित स्थान जैसे कि खान की सुरंग या रासायनिक संयंत्र को पलक झपकते ही विनाशकारी विस्फोट में बदलने में सक्षम है। इसके विपरीत, उन्नत इंजन डिजाइन करने वाले प्रणोदन (propulsion) इंजीनियरों के लिए, यही हिंसक बदलाव एक लक्ष्य है जिसे प्राप्त किया जाना चाहिए, क्योंकि यह अत्यधिक शक्ति कुशलतापूर्वक उत्पन्न करने का एक तरीका प्रदान करता है। मुख्य चुनौती इस बात को नियंत्रित करने में निहित है कि इस परिवर्तन के लिए आवश्यक दूरी कितनी है। एक चिकने, खाली ट्यूब में, आग विस्फोट करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करने से पहले सैकड़ों मीटर तक यात्रा कर सकती है, जिससे इसे अनुमान लगाना या प्रबंधित करना कठिन हो जाता है। इस खतरनाक यात्रा को छोटा करने के लिए, वैज्ञानिक लंबे समय से चैनल के भीतर बाधाएं, जैसे कि छड़ें या प्लेटें, रखते आए हैं ताकि गैस के प्रवाह को बाधित किया जा सके। ये बाधाएं विक्षोभ (turbulence) पैदा करती हैं, जो ज्वाला को झुर्रियोंदार बनाती हैं और इसे तेजी से जलने में मदद करती हैं, लेकिन पारंपरिक डिजाइन आमतौर पर केवल एक ही आकार का विक्षोभ पैदा करते हैं, जो उनकी प्रभावशीलता को सीमित करता है।

बीजिंग में चीन यूनिवर्सिटी ऑफ माइनिंग एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक अलग दृष्टिकोण की खोज की है, जो प्रकृति में पाए जाने वाले जटिल, दोहराव वाले पैटर्न की नकल करता है। समान बाधाओं की एक एकल पंक्ति के बजाय, उन्होंने एक चैनल डिजाइन किया है जो एक फ्रैक्टल (fractal) पैटर्न में व्यवस्थित बाधाओं से भरा है। एक फ्रैक्टल एक ऐसा आकार है जो विभिन्न पैमानों पर खुद को दोहराता है, जहाँ एक छोटा हिस्सा पूरे का एक लघु संस्करण जैसा दिखता है। अपने प्रयोग में, शोधकर्ताओं ने एक चैनल बनाया जिसमें इन दोहराव वाली बाधाओं की तीन अलग-अलग परतें थीं, जो बड़े प्राथमिक ब्लॉकों से लेकर सूक्ष्म तृतीयक (tertiary) ब्लॉकों तक फैली हुई थीं, और सभी को एक विशिष्ट ज्यामितीय नियम के अनुसार व्यवस्थित किया गया था। उन्होंने इस चैनल को मीथेन और हवा के मिश्रण से भरा, एक छोर पर इसे प्रज्वलित किया, और देखा कि आग दूसरे छोर की ओर दौड़ते समय कैसा व्यवहार करती है। हाई-स्पीड कैमरों का उपयोग करके, जो हवा में अदृश्य घनत्व परिवर्तनों को पकड़ सकते थे, साथ ही दबाव सेंसरों के एक समूह और शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से, उन्होंने ज्वाला के हर मोड़ और घुमाव को ट्रैक किया।

परिणाम चौंकाने वाले थे। फ्रैक्टल चैनल के माध्यम से चलती आग ने मानक, एकल-पंक्ति बाधाओं वाले चैनलों की तुलना में बहुत अधिक तेजी से गति पकड़ी। सबसे कुशल सेटअप में, आग को पूर्ण विष्फोटन (detonation) में बदलने के लिए आवश्यक दूरी पारंपरिक विधि की तुलना में 35 प्रतिशत कम हो गई। आग अपनी अधिकतम गति 7.2 मीटर प्रति सेकंड तक पहुँच गई और इसने केवल 0.38 मीटर में संक्रमण पूरा कर लिया, जो एकल-पंक्ति डिजाइन के लिए आवश्यक 0.72 मीटर की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस सफलता का रहस्य बाधाओं की बहु-पैमाने (multi-scale) प्रकृति थी। जैसे ही ज्वाला बड़े ब्लॉकों के पास से गुजरी, इसने गैस के बड़े भंवर उत्पन्न किए। जैसे ही यह मध्यम और छोटे ब्लॉकों के पास से गुजरी, इसने छोटे और छोटे भंवर बनाए। विक्षोभ का यह सिलसिला, जो कई अलग-अलग आकारों में फैला हुआ था, ज्वाला की सतह को एकल-आकार की बाधा की तुलना में कहीं अधिक प्रभावी ढंग से झुर्रियोंदार बना देता है। ज्वाला एक चिकनी चादर के बजाय एक मुड़ी हुई, जटिल सतह बन गई, जिससे यह ताजी हवा के साथ बेहतर तरीके से मिल सकी और बहुत तीव्रता से जल सकी।

अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि गैस के भीतर ऊर्जा कैसे चलती और बदलती है। कंप्यूटर सिमुलेशन ने दिखाया कि फ्रैक्टल बाधाओं द्वारा उत्पन्न विक्षोभ ने एकल-पंकी सेटअप की तुलना में घूमती हुई गैस की गतिज ऊर्जा को 2.3 के कारक से बढ़ा दिया। यह ऊर्जा हस्तांतरण एक अनुमानित पैटर्न का पालन करता है, जो बड़े, धीमी गति से चलने वाले भंवरों से छोटे, तेज गति से चलने वाले भंवरों की ओर बढ़ता है, एक ऐसी प्रक्रिया जो विस्फोट के निर्माण के लिए आवश्यक तीव्र गर्मी को बनाए रखने में मदद करती है। दबाव सेंसरों ने दबाव में एक तीव्र उछाल दर्ज किया जब विष्फोटन अंततः हुआ, जो 18.5 मेगापास्कल तक पहुँच गया, जो एक स्पष्ट संकेत था कि संक्रमण हो चुका था। इसके विपरीत, एकल-पंक्ति बाधाओं ने एक बहुत कमजोर दबाव पल्स उत्पन्न की जो विष्फोटन के महत्वपूर्ण बिंदु तक कभी नहीं पहुँच सकी। शोधकर्ताओं ने ज्वाला के अग्रभाग (flame front) के आकार को भी मापा, जिसमें पाया गया कि इसकी फ्रैक्टल विमा (fractal dimension) 1.35 थी, जो सतह के मुड़े हुए और जटिल होने का एक गणितीय तरीका है, जबकि मानक बाधाओं के लिए यह 1.15 थी।

तत्काल आंकड़ों से परे, यह कार्य आग और विस्फोट को नियंत्रित करने के बारे में एक नई समझ प्रदान करता है। टीम ने पहचान की कि बाधाओं के बीच की दूरी उनके आकार जितने ही महत्वपूर्ण होने के साथ-साथ उतनी ही महत्वपूर्ण थी। उन्होंने पाया कि जब बाधाओं को उनकी ऊंचाई के सापेक्ष एक विशिष्ट अनुपात पर रखा गया, तो एक पंक्ति से आने वाली घूमती हुई गैसें अगली पंक्ति के साथ पूरी तरह से परस्पर क्रिया करती थीं, जिससे विक्षोभ रद्द होने के बजाय बढ़ जाता था। इस इष्टतम अंतराल ने आग को सबसे कुशलता से त्वरित होने में मदद की। अध्ययन ने यह भी दिखाया कि यह विधि तब सबसे अच्छा काम करती है जब ईंधन मिश्रण पूरी तरह से संतुलित हो, लेकिन यह स्थितियों की एक विस्तृत श्रृंखला में प्रभावी बनी रहती है। निष्कर्ष बताते हैं कि इन स्व-समान (self-similar), बहु-पैमाने वाली बाधाओं वाले चैनल डिजाइन करके, इंजीनियर सुरक्षित औद्योगिक वातावरण बना सकते हैं जहाँ विस्फोटों के उनके सबसे विनाशकारी क्षमता तक पहुँचने की संभावना कम हो, या इसके विपरीत, अधिक कुशल इंजन बना सकते हैं जो नियंत्रित विष्फोटन पर निर्भर करते हैं। यह शोध पुष्टि करता है कि बाधाओं की ज्यामिति, न कि केवल उनकी उपस्थिति, यह निर्धारित करती है कि आग कितनी जल्दी विस्फोट में बदल सकती है, जो कि सबसे हिंसक दहन रूपों को प्रबंधित करने के लिए एक शक्तिशाली नया उपकरण प्रदान करती है।