في مستقبل الطاقة النظيفة، يُعد الاحتراق السلس للهيدروجين أمراً حاسماً. وبفضل الدعم من مشروع ACCESS التابع للمؤسسة الوطنية للعلوم الأمريكية (NSF)، حقق باحثو جامعة كاليفورنيا سان دييغو تقدماً كبيراً في التحكم بلهب الهيدروجين باستخدام تقنيات المحاكاة عالية الدقة، مما قد يعيد تشكيل تصميم توربينات الغاز ذات الانبعاثات الصفرية في المستقبل.
قاد الفريق البحثي البروفيسور أنطونيو إل. سانشيز (Antonio L. Sánchez)، وقام بمحاكاة سيناريو حقن دوامي للهيدروجين المخفف بالنيتروجين في هواء ساخن وعالي الضغط، محاكياً ظروف محرق التوربينات الغازية الحقيقية، بهدف تحديد الشروط التدفقية التي تجعل "اللهب المعلق" (lifted flame) يحترق بثبات وموثوقية. يحترق الهيدروجين بشكل نظيف، لكن سرعته وشدته تجعله غير مستقر ما لم يتم التحكم به بعناية. قال سانشيز: "نحن نوفر لمهندسي التصميم خارطة طريق قائمة على الفيزياء، توضح سلوك الهيدروجين في بيئات التوربينات الحقيقية. عدم استقرار اللهب قد يؤدي إلى تلف الأجهزة، وانخفاض الكفاءة، وخسائر".
يكمن الابتكار الرئيسي في مقارنة نموذجين كيميائيين: النموذج التفصيلي ذو الـ20 خطوة (الذي يُسمى "آلية سان دييغو ذات الـ20 خطوة") يعرض بدقة عملية تحويل الهيدروجين إلى ماء، متتبعاً كل الخطوات لفهم سلوك اللهب بدقة، لكنه يتطلب وقتاً طويلاً للمحاكاة، وأصبح ممكناً بفضل نظام Expanse في مركز الحوسبة الفائقة في سان دييغو (SDSC). أما النموذج المبسط فيجمع جميع التفاعلات في خطوة واحدة شاملة، وهو معقول تحت الضغط العالي داخل التوربينات الغازية، ويعمل بسرعة أكبر، مع نتائج شبه مطابقة للنموذج التفصيلي، مما يتيح للمهندسين دراسة استقرار اللهب وأداء التوربينات بكفاءة أعلى.
اكتشف العلماء أن رقم الدوامة (Swirl Number) ورقم دامكوهلر (Damköhler Number) هما العاملان الرئيسيان لاستقرار لهب الهيدروجين، وهناك "نقطة مثالية" للحفاظ على استقرار اللهب. كما أظهرت الدراسة أن "فقاعة الدوامة" الداخلية (vortex bubble) حاسمة للحفاظ على استقرار اللهب، مما يمكن أن يوجه تصميم محركات أكثر أماناً وكفاءة. مكّن الحاسوب الفائق Expanse في SDSC الفريق من استكشاف مجموعات متعددة من الدوامات والتدفقات بدقة عالية.
بالنسبة للصناعة، توفر الدراسة "خارطة طريق" لسلوك لهب الهيدروجين، مما يسرع عملية التسويق التجاري؛ وبالنسبة للمجتمع، تسرع الانتقال نحو توليد الطاقة ذات الانبعاثات الصفرية، مما يحقق هواء أنظف.
