Статья, описывающая работу, выполненную исследователями в Экспериментальной установке Сгорания Сандиа и Химических Науках Аргонна и Техническом отделе, показана в выпуске 5 декабря Науки.Ученые сгорания работали в течение многих лет, чтобы лучше понять тысячи химических реакций, которые происходят во время процесса сгорания, сказал Ахрен Джаспер Сандиа, ведущий автор исследования.
Поскольку ученые определяют и понимают скорости и результаты все большего количества этих реакций, он сказал, они могут использовать модели, чтобы более полно характеризовать то, что происходит в двигателе, и таким образом лучше предскажите эффективность сгорания и эмиссию, сформированную во время сгорания.Более подробное, фундаментальное понимание химии сгорания, в свою очередь, может привести к более чистым и более эффективным стратегиям в автомобильном транспортном средстве и топливном дизайне.Химик Аргонна Стивен Клиппенштейн, соответствующий автор исследования, сказал, что этот метод должен помочь разработке глобальных моделей для всей газовой фазы химическая окружающая среда, включая атмосферу Земли. Лучшие модели улучшат понимание изменения климата и повысят усилия обратиться к нему.
Зависимые от давления реакции исторически раздражающая проблемаМногие ключевые шаги, лежащие в основе сгорания газовой фазы, включают элементарные химические реакции, которые решительно зависимы от давления, и исследователи, которые разрабатывают модели сгорания, требуют подробных описаний этих реакций.
В то время как значительные успехи были сделаны за эти годы в понимании химии сгорания, результата и темпов зависимых от давления химических реакций – те, которые зависят от давления газа в двигателе – были очень трудными предсказать. Эти реакции зависят от давления, потому что перераспределение энергии и угловой момент, который происходит, когда реагирующие молекулы сталкиваются с другими газовыми молекулами, изменяют скорость и результат реакций.Предыдущий качественный анализ сосредоточился о том, как различные молекулярные свойства влияют на энергетические скорости передачи, но никакой точный метод не мог сделать априорные предсказания констант уровня, то есть, предсказания на основе теоретического вычета, не наблюдения.
«Нам отчаянно была нужна способность вычислить и вычислить точно, как химические реакции зависят от температуры и давления, и теперь у нас есть это», сказал Джаспер.Внимание на энергетическую передачу приводит к техническому решениюКоманда сосредоточилась на моделировании столкновений молекул в атомистических деталях и характеристике передачи энергии и углового момента, который происходит в результате тех столкновений.
«Мы добились успеха при помощи более точных моделей для описания взаимодействия сталкивающихся разновидностей и сосредоточившись на только тех аспектах энергетической передачи, которые являются самыми релевантными в определении темпа реакции», сказал Джаспер. Это позволило исследователям разрабатывать подробное описание результатов столкновения.Джаспер и его коллеги тогда смогли получить ту информацию о результате столкновения, используя прямые «классические траектории», которые явно описывают движение атомов в молекулах, и использовать эту информацию в вычислении темпов химической реакции.Ключевой шаг, Джаспер сказал, был разработкой модели для collisional энергии и функции углового момента перемещения, которая воспроизвела подробные особенности, предсказанные траекториями, и была достаточно проста использоваться в практических вычислениях темпа реакции.
«Нахождение способа точно вычислить и представлять энергию и передачу углового момента от этих vibrationally-взволнованных молекул, которые, как доказывают, были заключительной частью, должно было решить проблему», сказал Джаспер.«Полная теоретическая модель довольно сложна, включая много отдельных несвязанных вычислений, и замечательно, как точно можно теперь рассматривать все аспекты проблемы в развитии таких абсолютно априорных предсказаний», сказал Клиппенштайн.Исследование было также создано в соавторстве Клиппенштайном и Ларри Хардингом, обоими выдающимися товарищами в Аргонне, и влиятельным средством моделирования сгорания Джим Миллер, бывший сотрудник Сандиа теперь в Аргонне. Работа продолжает давнее развитие командой основного уравнения и элементарных теорий темпа реакции.
«Это усилие было истинным сотрудничеством с обеими главными ролями лабораторий в интеллектуальных фондах работы, а также в фактических вычислениях», отметил Клиппенштайн. «Объединенные экспертные знания в энергетических вычислениях передачи и в теориях темпа реакции были главными в успехе проекта».Миллер добавил: «Рабочая группа завершения но свободного вязания была развита с этими экспертами по моделированию сгорания за эти годы, и мы развили превосходные профессиональные отношения, которые привели к этому техническому успеху».