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

Waterstof wordt vaak geprezen als de brandstof van een schone toekomst. Het brandt zonder koolstofdioxide te produceren en bevat een enorme hoeveelheid energie in een minuscule massa. Het verbranden van waterstof is echter niet zo eenvoudig als het aansteken van een lucifer. In tegen tegenstelling tot het aardgas dat in de meeste huishoudens wordt gebruikt, is waterstof ongelooflijk licht en beweegt het met ongewone snelheid door de lucht. Wanneer het brandt, creëert het een vlam die zeer gevoelig is voor hoe warmte- en gasmoleculen eromheen bewegen. Wetenschappers weten al lang dat om te voorspellen hoe een waterstofvlam zich zal gedragen, zij deze bewegingen met extreme precisie moeten begrijpen. Als de wiskunde die wordt gebruikt om te beschrijven hoe het gas zich verspreidt te simpel is, kunnen de voorspellingen fout zijn, wat leidt tot motoren die inefficiënt of onveilig zijn.

Een team onderzoekers zette zich in om te testen hoe goed verschillende wiskundige benaderingen omgaan met deze complexe bewegingen. Ze richtten zich op twee belangrijke manieren om te berekenen hoe gasmoleculen zich verspreiden. De eerste methode is een veelvoorkomende, vereenvoudigde benadering die het mengsel van gassen behandelt als één enkel gemiddelde. De tweede methode is een veel gedetailleerdere methode die elk type molecuul afzonderlijk volgt en rekening houdt met een subtiel effect waarbij de warmte zelf de moleculen voortstuwt. Om te zien welke methode het meest ware verhaal vertelt, bouwden de onderzoekers een krachtige computersimulatie. Ze bekeken niet alleen een vlakke vlam; ze creëerden een scenario waarin een kolkende werveling van lucht tegen de vlam botst, waardoor deze wordt uitgerekt en gedraaid, precies zoals turbulentie dat doet in een echte motor.

De onderzoekers ontdekten dat de keuze van de wiskunde diepgaand van belang is, maar dat de gevolgen afhangen van de specifieke omstandigheden van het vuur. Wanneer zij een zeer arm mengsel simuleerden, waarbij er veel meer lucht dan brandstof aanwezig is, werd de vlam instabiel. In deze omstandigheden toonde het gedetailleerde model aan dat warmte de lichte waterstofmoleculen naar de heetste delen van de vlam duwt, waardoor het vuur zelfs heter brandt dan de natuurkunde normaal gesproken zou toelaten. Deze extra hitte zorgde ervoor dat de vlam flakkerde en soms in kleine zakjes uitdoofde. Het simpelere model miste deze intense verhitting en slaagde er niet in de instabiliteit te voorspellen die het gedetailleerde model wel opmerkte.

In rijkere mengsels, waar er meer brandstof aanwezig is, werd de vlam niet op dezelfde manier instabiel, maar de twee modellen verschilden nog steeds van mening over hoe het vuur bewoog. Het gedetailleerde model voorspelde dat de vlam iets langzamer zou reizen dan het simpelere model suggereerde. Dit kleine verschil in snelheid veranderde de vorm van de vlam wanneer deze door de kolkende lucht werd geraakt. De snellere vlam van het simpele model strekte zich uit en brak eerder uit elkaar, terwijl de langzamere, meer accurate vlam langer zijn vorm behield. Dit verschil in timing betekende dat de twee modellen verschillende patronen van warmte- en brandstofconcentratie creëerden, vooral in de dunne gaslagen die gevangen zitten tussen de vlam en de kolkende lucht.

De studie bevestigde dat het subtiele effect van warmte die moleculen voortstuwt een cruciale factor is in de verbranding van waterstof. Hoewel de simpelere methode sneller te draaien is op een computer, kan deze de meest extreme gedragingen van de vlam missen. De onderzoekers toonden aan dat wanneer de vlam wordt uitgerekt of gedraaid, het gedetailleerde model verschuivingen in het brandstofmengsel onthult die het simpele model over het hoofd ziet. Deze verschuivingen kunnen aanzienlijk zijn en de lokale brandstofconcentratie in bepaalde gevangen zones met wel twintig procent veranderen. Het werk suggereert dat om waterstof veilig en efficiënt te kunnen gebruiken in toekomstige motoren, wetenschappers deze complexere berekeningen moeten gebruiken om de ware fysica van de vlam te vangen, vooral wanneer het vuur wordt onderworpen aan de gewelddadige krachten die in real-world machines worden aangetroffen.