Di dalam nyala api: metode baru untuk menyelidiki sistem reaktif suhu tinggi

Dalam mitologi Yunani kuno, tempat khusus ditempati oleh karakter yang dengan bersemangat membela kemanusiaan dari kekejaman dan kesewenang-wenangan para dewa. Antara lain, dia memberi kita, orang-orang, api dan pengetahuan tentang bagaimana melestarikannya. Nama karakter ini adalah Prometheus. Zeus menghukumnya dengan cara yang sangat kejam dan canggih - Prometheus dirantai ke batu selama-lamanya, dan elang setiap hari mematuk hatinya, yang sepenuhnya beregenerasi, dan tepung terulang lagi. Tidak semua fenomena fisik atau kimia menerima mitologi mereka sendiri, tetapi api adalah masalah lain. Memberi kehidupan dan pada saat yang sama menghancurkan segala sesuatu di jalannya, begitu sederhana dan misterius. Hari ini kita akan berkenalan dengan sebuah karya di mana para ilmuwan mendemonstrasikan metode baru untuk mempelajari api, yang memungkinkan kita untuk memeriksa lebih detail proses molekuler yang terjadi dalam lidah api. Alat dan instrumen apa yang digunakan oleh para ilmuwan, hal-hal baru apa yang dapat mereka pelajari tentang api, dan bagaimana pekerjaan mereka dapat membantu umat manusia di masa depan? Jawaban selalu menunggu kita dalam laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.

Dasar studi

Terkadang, melihat nyala api, tampaknya ini adalah makhluk hidup dengan pikiran dan rencana jahatnya. Namun, mitos dalam nyala api adalah sebanyak imajinasi kita. Pada kenyataannya, api adalah proses fisikokimia yang sama dengan kristalisasi air, misalnya. Api adalah proses oksidasi yang disertai dengan radiasi dalam rentang yang terlihat dan pelepasan panas, yaitu energi termal. Untuk keberadaan api, bahan-bahan tertentu diperlukan: bahan bakar, zat pengoksidasi dan suhu. Bayangkan api unggun paling biasa di kamp turis. Kayu bertindak sebagai bahan bakar, dan oksigen, yang ada di udara di sekitar wisatawan, dan, tentu saja, kayu untuk api bertindak sebagai agen pengoksidasi. Tanpa oksigen (mis., Agen pengoksidasi dalam arti yang lebih luas), proses pembakaran tidak mungkin. Bahan ketiga, suhu, ditentukan oleh sifat-sifat dari dua sebelumnya. Ada banyak variasi masing-masing unsur unsur api, serta kombinasinya, yang masing-masing memiliki sifat, karakteristik, dan ciri khas tersendiri. Kami memiliki cukup banyak pengetahuan tentang proses pembakaran, tetapi tidak semua.

Dalam studi yang sedang diteliti hari ini, para ilmuwan memutuskan untuk mengukur suhu api dengan berbagai variabel input: kisaran suhu 1000-1800 K, tekanan 2,0-2,9 pada dan 7,6-10,7 pada, frekuensi 250 kHz. Untuk ini, laser kaskade kuantum (QCL) dengan modulasi acousto-optik (selanjutnya AOM) dengan rentang inframerah rata-rata sinyal keluaran dari 1975 hingga 2260 cm ^{-1 digunakan} .

Para ilmuwan mencatat bahwa untuk pengukuran sementara partikel non-intrusif dalam sistem reaktif, spektrometri serapan laser di daerah pertengahan-inframerah sangat baik. Perbandingan kekuatan penyerapan dua partikel target dengan ketergantungan suhu yang berbeda sudah merupakan metode termometri dua jalur. Dalam metode ini, karena keterbatasan dalam kecepatan pemindaian dan rentang panjang gelombang, perlu untuk menggunakan beberapa laser sekaligus untuk pengukuran yang lebih cepat. Selain itu, meskipun sensitivitas pengukuran dalam media konsentrasi rendah, laser pita sempit tidak cocok untuk sistem dengan konsentrasi tinggi partikel target.

Dengan demikian, metode yang serupa tidak dapat digunakan untuk pengukuran suhu dalam sistem bahan yang intensif energi, seperti C ₄ H ₈ N ₈ O ₈ (oktogen) dan C ₃ H ₆ N ₆ O ₆ (heksogen), karena elemen target (H ₂ O , , dll.) Diproduksi dalam konsentrasi yang sangat tinggi. Oleh karena itu, metode baru diperlukan untuk mempelajari sistem tersebut, yang dijelaskan oleh para ilmuwan dalam pekerjaan mereka.

Mempersiapkan pengaturan eksperimental

Gambar No. 1

Gambar 1a menunjukkan pengaturan eksperimental laser kaskade kuantum dengan modulasi acousto-optik (AOM QCL):

• Cermin - cermin;
• Sinar Difraksi pada Panjang Gelombang yang Diinginkan - sinar pantulan pada panjang gelombang yang diinginkan;
• Balok tidak terkoreksi - balok tidak terpantul;
• AOM - modulator acousto-optik;
• Lensa - lensa;
• Laser cascade kuantum QCL;
• AR Coating - lapisan antirefleksi;
• Generator RF - generator frekuensi radio;
• Keluaran - sinyal keluaran.

Sinyal keluaran spektral AOM QCL diukur sebagai fungsi dari input AOM RF menggunakan radiasi inframerah dengan transformasi Fourier dengan resolusi spektral 0,2 cm ^-1 ( 1b ).

Setengah lebar sinyal output tergantung pada kondisi operasi: durasi pulsa dan frekuensi QCL dan AOM. Dalam percobaan ini, indeks setengah-lebar adalah sekitar 12-15 cm ^-1 .

Dalam percobaan, tabung shock stainless steel dengan diameter internal 14 cm digunakan, dan diafragma polikarbonat dengan ketebalan 0,18 dan 0,76 mm juga digunakan. Lima transduser tekanan piezoelektrik yang terletak sepanjang 1,4 m terakhir dari tabung kejut digunakan untuk mengukur kecepatan tumbukan, yang secara linear diekstrapolasi ke dinding ujung. Suhu dan tekanan di daerah kejut yang dipantulkan (P5 dan T5) dihitung dengan menggunakan suhu dan tekanan awal di wilayah ini dan kecepatan kejut yang diekstrapolasi menggunakan rasio kejut satu dimensi dengan mempertimbangkan gas-gas yang dibekukan secara kimia, getaran secara seimbang. Redaman kecepatan sekitar 1,5% / m, dan kesalahan pada T5 dan P5 kurang dari 2%.


Gambar No. 2: pengaturan eksperimental bersama dengan wilayah uji tabung kejut.

Penjelasan untuk gambar di atas:

• Sistem AOM QCL - pemasangan laser kaskade kuantum dengan modulasi acousto-optik;
• Generator RF - generator frekuensi radio;
• Function Generator - Function Generator $
• Sinkronisasi - sinkronisasi;
• Sumber Arus Berdenyut - sumber arus berdenyut;
• Iris - bukaan;
• I (intensitas sinyal yang ditransmisikan) Detektor - sensor intensitas (I) dari sinyal yang ditransmisikan
• Cermin Lengkung - cermin melengkung;
• I0 Detector - sensor intensitas sinar referensi;
• Beamsplitter - pembagi balok;
• Cermin - cermin;
• Endwall - dinding ujung;
• ZnSe Windows - lensa dari seng selenide;
• Shock Tube - tabung kejutan.

Balok dari AOM QCL dibagi menjadi balok referensi dan sinyal dengan menggunakan pembagi balok yang terbuat dari kalsium fluorida (CaF ₂ ). Intensitas berkas referensi diukur menggunakan sensor photoelectric berpendingin thermoelectric. Seperti yang dapat kita lihat dari diagram, di depan tabung, sinar melewati lensa seng selenide setebal 3 mm dan diameter 12,7 mm. Kedua lensa terletak pada jarak 2 cm dari dinding ujung dan diarahkan satu sama lain. Setelah melewati lensa kedua, sinar diarahkan ke sensor intensitas sinyal yang ditransmisikan melalui cermin melengkung.

Laser pengaturan dioperasikan dalam mode berdenyut dengan tingkat pengulangan 500 kHz dan durasi pulsa 100 ns. AOM digunakan untuk mengganti pulsa antara pita spektral 2030 cm ^-1 dan 2080 cm ^-1 dengan memodulasi driver frekuensi radio dengan berliku - liku * dengan periode 250 kHz, yang disinkronkan dengan driver pulsa laser.

Berliku-liku * adalah sinyal periodik dari bentuk persegi panjang.

Pita spektral presisi seperti itu dipilih secara khusus untuk memberikan sensitivitas suhu tinggi dalam kisaran suhu yang dipelajari dengan sensitivitas yang relatif rendah terhadap fraksi mol dan tekanan CO. Selain itu, untuk stabilitas spektral yang lebih, AOM dan QCL dikontrol suhu.

Hasil Eksperimen

Dan sekarang kita akan meneruskan langsung ke hasil instalasi.

Selama percobaan, suhu yang diukur bervariasi dari 1000 hingga 1800 K, dan dua opsi tekanan digunakan: rendah - 2.0-2.9 di. Dan tinggi - 7.6-10.7 di. Campuran yang dianalisis terdiri dari CO yang diencerkan dalam helium (He) dan argon (Ar). Campuran 10% CO, 25% He dan 65% Ar digunakan pada tekanan rendah, dan 3% CO, 15% He dan 82% Ar pada tekanan tinggi. Untuk memastikan homogenitas (homogenitas) sampel, proses pencampuran berlangsung selama 8 jam.


Gambar No. 3

Untuk menghitung spektrum sinar sinyal yang diharapkan untuk masing-masing dari dua pita sepanjang panjang gelombang, kami menggunakan kombinasi dari spektrum serapan yang disimulasikan dan spektrum keluaran yang diukur AOM QCL. Dalam hal ini, hukum monokromatis Behr - Lambert diperhitungkan untuk setiap panjang gelombang individu ( 3a ).

Absorpsi untuk dua pita disimulasikan untuk setiap kombinasi T5, P5 dan fraksi mol dengan memperhitungkan jalur 14 cm (panjang tabung kejut) untuk: kisaran suhu 600-2600 K dengan peningkatan 50 K, kisaran fraksi molar CO dari 1% hingga 50% secara bertahap 1% dan kisaran tekanan 0,001-13,0 bar dengan peningkatan 1 bar.

Seperti dapat dilihat pada gambar 3b , suhu sangat mempengaruhi koefisien penyerapan, tetapi hanya sedikit pada fraksi dan tekanan mol. Suhu dan fraksi mol dihitung menggunakan metode iteratif, yaitu indikator ini pertama-tama ditentukan secara terpisah satu sama lain dan digunakan untuk menghitung nilai penyerapan yang diharapkan secara teoritis untuk dua pita keluaran pada tekanan yang diukur secara eksperimental (P5). Setelah itu, suhu diubah dengan membandingkan koefisien penyerapan secara teoritis dan yang diukur. Fraksi molar CO diubah menggunakan perbedaan antara nilai-nilai yang diukur dan teoritis dari pita serapan 2080 cm ^-1 .


Gambar No. 4

Pada gambar 4a, kita dapat melihat perbandingan suhu yang diukur dan diketahui dalam percobaan dengan tabung kejut dengan memperhitungkan dampak tekanan rendah dan tinggi. Seperti yang dapat kita lihat, suhu yang diperoleh dengan menggunakan sistem AOM QCL hampir sempurna konsisten dengan suhu kejut pada seluruh rentang 1000–1800 K dan pada kedua rentang tekanan. Grafik yang berdekatan ( 4b ) menunjukkan rasio fraksi molar aktual yang diukur dan CO. Dalam kasus indikator ini, kesepakatan yang sangat baik juga diamati antara data yang diketahui awalnya dan yang diperoleh dengan pengukuran dengan sistem eksperimental AOM QCL.

Temuan Peneliti

Para ilmuwan telah menemukan bahwa perubahan suhu tidak tergantung pada perpindahan sinar laser yang timbul dari partikel diafragma. Kesimpulan ini dibenarkan oleh fakta bahwa bias ini mempengaruhi kedua komponen spektral dari sinyal output karena pulsa variabel melewati balok yang sama. Akibatnya, kompensasi dikompensasi.

Jika kita mempertimbangkan imunitas pengukuran suhu terhadap emisi termal latar belakang dan pergeseran sinar laser yang dijelaskan di atas, maka metode yang dikembangkan sangat baik untuk mempelajari reaksi fase gas dari bahan energi (misalnya, oktogen dan heksogen) di mana CO dihasilkan, dan partikel panas dan gelombang tekanan dapat menyebabkan panas emisi dan pemindahan balok.

Selain itu, mengingat bandwidth AOM QCL 12-15 cm ^-1 , banyak karakteristik penyerapan dari satu komponen media uji dapat dianalisis secara bersamaan. Laser pita sempit memiliki sensitivitas yang meningkat, tetapi terbatas dalam rentang konsentrasi di mana mereka dapat digunakan, karena kejenuhan.

Pemodelan spektrum HITEMP hanya memperhitungkan CO. Dengan demikian, penggunaan sistem QM AOM pada struktur, ketika komponen komponen campuran dapat berbeda, memerlukan perbaikan sistem lebih lanjut untuk meningkatkan akurasinya.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian, saya sangat menyarankan agar Anda melihat laporan para ilmuwan .

Epilog

Studi eksperimental ini adalah demonstrasi alat baru dalam studi suhu dan konsentrasi komponen di dalam sistem reaktif suhu tinggi. Para ilmuwan yang menggunakan alat ini berhasil mempelajari campuran dengan 3% dan 10% CO dalam kisaran suhu 1000 ... 1800 K pada tekanan 2,0-2,9 pada dan 7,6-10,7 pada.

Sistem QOM AOM, menurut pengembangnya sendiri, cukup fleksibel dan memungkinkan Anda mengkonfigurasinya untuk berbagai lingkungan yang dipelajari dalam kisaran suhu yang luas. Selain itu, sistem dapat mengukur beberapa komponen media sekaligus dengan mengukur karakteristik penyerapannya.

Api bukan hanya kompor di rumah desa, perapian di rumah besar atau lilin di atas kue. Api adalah proses fisik dan kimia yang kompleks, pemahaman yang memberi seseorang lebih banyak alat untuk mengendalikan kekuatan kreatifnya dan melawan kekuatan destruktifnya.

Saya tidak membesar-besarkan perkataan bahwa kita semua dikejutkan oleh api yang terjadi di Katedral Notre Dame. Berabad-abad penelitian, penemuan, dan terobosan ilmiah, tetapi kita tidak dapat menyelamatkan salah satu mutiara arsitektur terbesar dan terindah dari api yang memberontak. Kehilangan ini sekali lagi mengingatkan kita bahwa manusia begitu hebat, dan kita masih harus belajar banyak tentang dunia di sekitar kita untuk sepenuhnya melindungi diri kita dari masalah yang bisa dia hadirkan kepada kita. Satu-satunya kekuatan destruktif yang kemungkinan besar tidak akan pernah bisa kita kendalikan adalah diri kita sendiri.

Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu, ingat aturan keselamatan kebakaran dan minggu kerja yang baik, kawan.

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga musim panas gratis ketika membayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di sini .

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?