Evaluation of the Diffusion Models on Hydrogen Combustion using Hybrid Lattice Boltzmann Method

हाइड्रोजन को अक्सर स्वच्छ भविष्य के ईंधन के रूप में सराहा जाता है। यह कार्बन डाइऑक्साइड पैदा किए बिना जलता है, और एक बहुत ही छोटे द्रव्यमान में जबरदस्त मात्रा में ऊर्जा समाहित करता है। हालांकि, हाइड्रोजन को जलाना किसी माचिस जलाने जितना सरल नहीं है। घरों में उपयोग किए जाने वाले प्राकृतिक गैस के विपरीत, हाइड्रोजन अविश्वसनीय रूप से हल्का होता है और हवा के माध्यम से असामान्य गति से चलता है। जब यह जलता है, तो यह एक ऐसी लौ बनाता है जो इस बात के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होती है कि ऊष्मा और गैस के अणु इसके चारों ओर कैसे चलते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि हाइड्रोजन की लौ कैसा व्यवहार करेगी, इसका पूर्वानुमान लगाने के लिए उन्हें इन गतिविधियों को अत्यधिक सटीकता के साथ समझना होगा। यदि गैस के फैलने का वर्णन करने के लिए उपयोग किया जाने वाला गणित बहुत सरल है, तो भविष्यवाणियां गलत हो सकती हैं, जिससे इंजन अक्षम या असुरक्षित हो सकते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह परीक्षण करने के लिए हाथ मिलाया कि विभिन्न गणितीय दृष्टिकोण इन जटिल गतिविधियों को कितनी अच्छी तरह संभालते हैं। उन्होंने गैस के अणुओं के फैलने की गणना करने के दो मुख्य तरीकों पर ध्यान केंद्रित किया। पहला तरीका एक सामान्य, सरल दृष्टिकोण है जो गैसों के मिश्रण को एक एकल औसत के रूप में मानता है। दूसरा तरीका बहुत अधिक विस्तृत तरीका है जो प्रत्येक प्रकार के अणु को व्यक्तिगत रूप से ट्रैक करता है और एक सूक्ष्म प्रभाव को भी ध्यान में रखता है जहाँ ऊष्मा स्वयं अणुओं को धकेलती है। यह देखने के लिए कि कौन सा तरीका सबसे सच्ची कहानी बताता है, शोधकर्ताओं ने एक शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया। उन्होंने केवल एक सपाट लौ को नहीं देखा; उन्होंने एक ऐसी स्थिति बनाई जहाँ हवा का एक घूमता हुआ भंवर (वोर्टेक्स) लौ से टकराता है, जिससे वह ठीक वैसे ही खिंच जाती है और मुड़ जाती है जैसे वास्तविक इंजन में विक्षोभ (टर्बुलेंस) करता है।

शोधकर्ताओं ने पाया कि गणित का चुनाव बहुत मायने रखता है, लेकिन इसके परिणाम आग की विशिष्ट स्थितियों पर निर्भर करते हैं। जब उन्होंने एक बहुत ही लीन (lean) मिश्रण का सिमुलेशन किया, जहाँ ईंधन की तुलना में हवा बहुत अधिक थी, तो लौ अस्थिर हो गई। इन स्थितियों में, विस्तृत मॉडल ने दिखाया कि ऊष्मा हल्के हाइड्रोजन अणुओं को लौ के सबसे गर्म हिस्सों में धकेल देती है, जिससे आग भौतिकी के सामान्य नियमों की तुलना में और भी अधिक गर्म होकर जलती है। इस अतिरिक्त ऊष्मा के कारण लौ फड़फड़ाने लगी और कभी-कभी छोटे पॉकेट में बुझ भी गई। सरल मॉडल इस तीव्र ऊष्मा को पकड़ने में विफल रहा, और उस अस्थिरता का पूर्वानुमान लगाने में असफल रहा जिसे विस्तृत मॉडल ने पकड़ लिया था।

समृद्ध (richer) मिश्रणों में, जहाँ ईंधन अधिक होता है, लौ उसी तरह अस्थिर नहीं हुई, लेकिन दोनों मॉडलों के बीच आग के चलने के तरीके पर भी असहमति थी। विस्तृत मॉडल ने भविष्यवाणी की कि लौ सरल मॉडल के सुझाव की तुलना में थोड़ी धीमी गति से चलेगी। गति के इस छोटे से अंतर ने घूमती हुई हवा से टकराने पर लौ के आकार को बदल दिया। सरल मॉडल वाली तेज़ लौ जल्दी खिंचकर टूट गई, जबकि धीमी, अधिक सटीक लौ ने अपना आकार लंबे समय तक बनाए रखा। समय के इस अंतर का अर्थ था कि दोनों मॉडलों ने ऊष्मा और ईंधन के सांद्रण (concentration) के अलग-अलग पैटर्न बनाए, विशेष रूप से लौ और घूमती हुई हवा के बीच फंसे गैस के पतले स्तरों में।

अध्ययन ने पुष्टि की कि अणुओं को धकेलने वाले ऊष्मा के सूक्ष्म प्रभाव को हाइड्रोजन दहन (combustion) के लिए एक महत्वपूर्ण कारक है। हालांकि सरल तरीका कंप्यूटर पर चलाने में तेज़ है, लेकिन यह लौ के सबसे चरम व्यवहारों को छोड़ सकता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि जब लौ खिंचती या मुड़ती है, तो विस्तृत मॉडल ईंधन के मिश्रण में उन बदलावों को प्रकट करता है जिन्हें सरल मॉडल अनदेखा कर देता है। ये बदलाव महत्वपूर्ण हो सकते हैं, जो कुछ निश्चित क्षेत्रों में स्थानीय ईंधन सांद्रण को बीस प्रतिशत तक बदल सकते हैं। यह कार्य सुझाव देता है कि हाइड्रोजन को भविष्य के इंजनों में सुरक्षित और कुशलता से उपयोग करने के लिए, वैज्ञानिकों को इन अधिक जटिल गणनाओं का उपयोग करना चाहिए ताकि लौ के वास्तविक भौतिकी को पकड़ा जा सके, विशेष रूप से तब जब आग वास्तविक दुनिया की मशीनरी में पाए जाने वाले हिंसक बलों के अधीन हो।