To the steady state theory of gas ignition with a heated body

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Steady-state theory of ignition by a heated flat surface formulated by Ya. B. Zeldovich in 1939 played a pioneering role in the successful development of ignition of various combustible materials. The analytical solution obtained later for a cylindrical surface opened the opportunity of comparison with experimental data. In the work performed by Filippov et al., a discrepancy was found between experiments on the ignition of methane–air mixtures with heated wires and an analytical solution. Based on it, Filippov et al. expressed doubts about the correctness of the model. However, this discrepancy may be due to the fact that the experiment used for comparison with the model does not fully satisfy the limitations that follow from the simplifying assumptions made when formulating the model. These assumptions and the limitations that follow from them are analyzed in this paper in relation to Kumagai’s experiments on the ignition of a methane–air mixture. Key assumptions of the steady-state model: a simplified description of the kinetics of chemical heat release using a global one-stage Arrhenius-type reaction without burnup; the condition that the thickness of the reaction zone must be substantially less than the thickness of the dynamic boundary layer; and the cylindrical symmetry of the thermal field around the heated body. Based on the analyses of the heat release kinetics, a numerical solution for two nonsteady problems of gas ignition with a heated body and gas self-ignition in a plug flow reactor with detailed reaction kinetics has been obtained. The solutions showed that the dependence of the heat release rate on temperature constructed for specific calculation options has a complex shape that cannot be even approximately described using the heat release law in the Arrhenius form. Nevertheless, it turned out that the critical Nusselt numbers delimiting the ignition region and the region of steady-state temperature profiles, which were calculated using the formulas of the analytical model with the appropriate procedure for calibrating the heat release characteristics, are in good agreement with the experimental data in the entire range of diameters and wire heating temperatures and gas flow rates. Also, good agreement with the experiment and the analytical model for critical ignition conditions was obtained in calculations using the unsteady ignition model, despite noticeable differences in the heat release rate depending on temperature. The condition of a small thickness of the reaction zone in relation to the size of the boundary layer is generally satisfied quite well, although at high gas flow velocities (at the level of 10 m/s), the mathematical rigor of this condition becomes insufficient for avoiding the convective heat transfer at the reaction zone. Due to separation of the flow from the body surface and formation of eddies, a region of reduced heat transfer is formed at the body surface near the azimuth angle of 90. The value of this reduced heat transfer can be noticeably less than the average one. It is in these areas of the surface of a heated body that conditions favorable for ignition are created. If a correction is made with a corresponding reduction in the critical Nusselt numbers in these experiments, then this would weaken the dependence of the critical Nusselt number on the wire diameter observed in the experiment bringing it closer to the approximately proportional dependence that follows from the analytical solution.

About the authors

Andrey A. Belyaev

N. N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: belyaevIHF@yandex.ru

Candidate of Science in physics and mathematics, leading research scientist

Russian Federation, Moscow

Boris S. Ermolaev

N. N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences

Email: boris.ermolaev44@mail.ru

Doctor of Science in physics and mathematics, leading research scientist

Russian Federation, Moscow

References

  1. Zel’dovich, Ya. B. 1939. Teoriya zazhiganiya nakalennoy poverkhnost’yu [The theory of ignition by an incandescent surface]. ZhETF 9(12):1530–1534.
  2. Zel’dovich, Ya. B., G. I. Barenblatt, V. B. Librovich, and G. M. Makhviladze. 1980. Matematicheskaya teoriya goreniya i vzryva [Mathematical theory of combustion and explosion]. Moscow: Nauka. 478 p.
  3. Kumagai, S. 1979. Gorenie [Combustion]. Moscow: Khimiya. 256 p.
  4. Philippov, A. A., and N. A. Khalturinskiy. 2015. To the theory of ignition by a hot surface: Critical conditions for occurrence of explosive and avalanche-like processes. Zel’dovich Memorial: Accomplishments in the combustion science in the last decade. Eds. A. A. Borisov and S. M. Frolov. Moscow: TORUS PRESS. 2:89–94.
  5. Philippov, A. A., and Al. Al. Berlin. 2021. K teorii zazhiganiya nakalennoy poverkhnost’yu [To the theory of ignition by hot surface]. Goren. Vzryv (Mosk.) — Combustion and Explosion 14(2):3–7.
  6. Zel’dovich, Ya. B. 1984. Izbrannye trudy. Khimicheskaya fizika i gidrodinamika [Selected works. Chemical physics and hydrodynamics]. Moscow: Nauka. 374 p. (Kommentariy k stat’e “Teoriya zazhiganiya nakalennoy poverkh- nost’yu” [Comment on the article “The theory of ignition by an incandescent surface”]. P. 225.)
  7. Grober, H., S. Erk, and U. Grigull. 1955. Die Grundge- setze der Warmeubertragung. — Berlin-Gottingen — Heidelberg: Springer. 428 p.
  8. Frank-Kamenetskii, D. A. 1969. Diffusion and heat transfer in chemical kinetics. New York: NY: Plenum Press. 600 p.
  9. ANSYS Academic Research CFD. CHEMKIN-Pro 15112, Reaction Design: San Diego, CK-TUT-10112- 1112-UG-1, 2011.
  10. Kutateladze, S. S. 1990. Teploperedacha i gidrodinami- cheskoe soprotivlenie [Heat transfer and hydrodynamic resistance]. Moscow: Energoatomizdat. 367 p.
  11. Reid, R. J., J. Prausnitz, and T. Sherwood. 1977. Properties of gases & liquids. New York, NY: McGraw Hill. 703 p.
  12. Burcat, A. Ideal gas thermodynamic data in polynomial form for combustion and air pollution use. Available at: http://gar¦eld.chem.elte.hu/Burcat/burcat.html/ (accessed January 21, 2022).
  13. Tereza, A. M., G. L. Agafonov, A. S. Betev, and S. P. Medvedev. 2020. Reduction of the detailed kinetic mechanism for efficient simulation of ignition delay for mixtures of methane and acetylene with oxygen. Russ. J. Phys. Chem. B 14(6):951–958.
  14. Mechanism Downloads. 2018. AramcoMech 3.0 Available at: http://c3.nuigalway.ie/combustionchemistrycentre/ mechanismdownloads/ (accessed January 13, 2022).
  15. Arutyunov, V. S. 2011. Okislitel’naya konversiya prirodnogo gaza [Oxidative conversion of natural gas]. Moscow: KRASAND. 640 p.
  16. Schlichting, G. 1979. Boundary layer-theory. McGraw-Hill, Inc. 817 p.
  17. Basevich, V. Ya, A. A. Belyaev, V. S. Posvyanskii, and S. M. Frolov. 2013. Mechanisms of the oxidation and combustion of normal paraffin hydrocarbons: Transition from C1–C10 to C11–C16. Russ. J. Phys. Chem. B 7(2):161– 169.
  18. Basevich, V. Ya., and S. M. Frolov. 2007. Kinetics of “blue” flames in the gas-phase oxidation and combustion of hydrocarbons and their derivatives. Russ. Chem. Rev. 76(9):867–884.
  19. Salgansky, E. A., M. V. Tsvetkov, A. Yu. Zaichenko, D. N. Podlesny, and I. V. Sedov. 2021. Thermodynamic evaluation of noncatalytic conversion of natural gas with the production of synthesis gas. Russ. J. Phys. Chem. B 15(6):969–976.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».