Численное исследование конверсии метановых смесей под воздействием лазерного излучения

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В настоящей работе проведено исследование лазерной конверсии метановых смесей при различных условиях проведения вычислительного эксперимента. Подобные течения характеризуются резкими локальными изменениями газодинамических характеристик и концентраций компонент смеси. Их динамика и взаимные превращения описываются жесткой системой из уравнений Навье-Стокса и химической кинетики, что накладывает серьезные ограничения на выбор вычислительного алгоритма. Вычислительные эксперименты проводились с использованием ранее разработанного 2D-кода для моделирования дозвуковых осесимметричных течений многокомпонентной среды, дополненным модулем для учета лазерного излучения и модулем решения уравнений химической кинетики конверсии метана. Верификация результатов осуществлялась посредством расчетов конверсии метана под воздействием внешнего обогрева стенок. Сопоставление концентраций веществ на выходе из трубы с непосредственным решением системы дифференциальных уравнений химической кинетики при различных температурах проведения реакции показало хорошее соответствие результатов. Проведены вычислительные эксперименты по воздействию лазерного излучения на течение химически активной поглощающей среды. Показано, что вводимое в смесь лазерное излучение, поглощаемое этиленом, изменяет характер течения и значительно увеличивает температуру газовой смеси. Повышение температуры способствует увеличению выхода целевых продуктов (этилена, ацетилена, водорода) на меньшей длине реактора, в то время как в отсутствии излучения максимальные концентрации продуктов появляются на выходе из реактора. Исследовано влияние исходного состава газовой смеси на конверсию метана, сделан вывод, что наличие этилена значительно увеличивает образование целевых продуктов при умеренных температурах стенок реактора в присутствии лазерного излучения.

Об авторах

Елизавета Евгеньевна Пескова

ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва»

Email: e.e.peskova@math.mrsu.ru
ORCID iD: 0000-0003-2618-1674

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры прикладной математики, дифференциальных уравнений и теоретической механики

Россия, 430005, Россия, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68/1

Валерий Николаевич Снытников

Институт Катализа СО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: snyt@catalysis.ru
ORCID iD: 0000-0003-2655-1532

кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

Россия, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр-т Академика Лаврентьева, д. 5

Список литературы

  1. Masyuk N., Sherin A., Snytnikov V. N., Snytnikov Vl. N. Effect of Infrared Laser Radiation on Gas-Phase Pyrolysis of Ethane // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2018. Vol. 134. pp. 122–129. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jaap.2018.05.017
  2. Snytnikov V. N., Snytnikov V. N., Masyuk N. S., Markelova T. V. The Absorption of CO2 Laser Radiation by Ethylene in Mixtures with Methane // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2020. Vol. 253. pp.107–119. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2020.107119
  3. Стенд лазерного катализа / В. Н. Снытников [и др.] // Приборы и техника эксперимента. 2021. Т. 64, № 3. С. 474–482. DOI: https://doi.org/10.31857/S003281622102021X
  4. Лашина Е. А., Пескова Е. Е., Снытников В. Н. Математическое моделирование нестационарной температурной конверсии метан-этановых смесей в широком диапазоне температур // Химия в интересах устойчивого развития. 2023.№3. С. 288–296.
  5. Lashina E. A., Peskova E. E., Snytnikov V. N. Mathematical modeling of the homogeneous-heterogeneous non-oxidative CH4 conversion: the role of gasphase H or CH3 // Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis. 2023. DOI:
  6. https://doi.org/10.1007/s11144-023-02442-8
  7. Ansys Fluent: [Электронный ресурс]. URL: https://www.ansys.com/products/fluids/ansys-fluent (дата обращения: 15.07.2023).
  8. FlowVision: [Электронный ресурс]. URL: https://flowvisioncfd.com/en/ (дата обращения: 15.07.2023).
  9. Open FOAM: [Электронный ресурс]. URL: https://www.openfoam.com/ (дата обращения: 15.07.2023).
  10. Gubaydullin I. M., Zhalnin R. V., Masyagin V. F., Peskova E. E., Tishkin V. F. Simulation of propane pyrolysis in a flow-through chemical reactor under constant external heating // Mathematical models and computer simulations. 2021. Vol. 13, No 3. pp. 437–444.
  11. Моделирование течения многокомпонентного реагирующего газа с использованием алгоритмов высокого порядка точности / Р. В. Жалнин [и др.] // Вестник Удмуртского университета. Математика. Механика. Компьютерные науки. 2017. Т. 27, № 1. С. 608–617. DOI: https://doi.org/10.20537/vm170410
  12. Peskova E. E. Numerical modeling of subsonic axisymmetric reacting gas flows // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 2057. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/2057/1/012071
  13. Majda A., Sethian J. The derivation and numerical solution of the equations for zero Mach number combustion // Combust. Sci. Tech. 1985. Vol. 42. pp. 185–205. DOI: https://doi.org/10.1080/00102208508960376
  14. Rehm R. G., Baum H. R. The equation of motion for thermally driven, buoyant flows // J. Research NBS. 1978. Vol. 83, Issue 3. pp. 297–308.
  15. Day M. S., Bell J.B. Numerical simulation of laminar reacting flows with complex chemistry // Combustion Theory and Modelling. 2000. Vol. 4, No 4. pp. 535–556. DOI: https://doi.org/10.1088/1364-7830/4/4/309
  16. Stadnichenko O. A., Snytnikov V. N., Snytnikov Vl. N., Masyuk N. S. Mathematical modeling of ethane pyrolysis in a flow reactor with allowance for laser radiation effects // Chemical Engineering Research and Design. 2016. Vol. 109. pp. 405–413. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cherd.2016.02.008
  17. Hairer E., Wanner G. Solving Ordinary Differential Equations II. Stiff and Differential-Algebraic Problems. Berlin, Heidelberg: Springer, 1996. 614 p. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-05221-7

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Пескова Е.Е., Снытников В.Н., 2023

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Мы используем файлы cookies, сервис веб-аналитики Яндекс.Метрика для улучшения работы сайта и удобства его использования. Продолжая пользоваться сайтом, вы подтверждаете, что были об этом проинформированы и согласны с нашими правилами обработки персональных данных.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).