Моделирование ячеистой структуры детонационной волны в стехиометрической смеси синтез-газа с окислителем

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Предложена обобщенная двустадийная модель химической кинетики детонационного горения двухтопливной стехиометрической смеси синтез-газа с окислителем. Модель позволяет рассчитывать тепловой эффект химической реакции, молярную массу и внутреннюю энергию смеси без расчета ее детального химического состава. Разработан алгоритм расчета периода индукции химической реакции в рассматриваемой двухтопливной смеси, основанный на формулах для расчета периода индукции в однотопливных смесях каждого из горючих компонентов. Сделан двумерный численный расчет ячеистой многофронтовой структуры детонационной волны (ДВ) в стехиометрической смеси синтез-газа с воздухом при различном соотношении между горючими. Химические превращения описывались предложенной кинетической моделью. Полученный размер детонационной ячейки, а также качественная структура ДВ (в том числе ее перестройка от регулярной к нерегулярной при увеличении концентрации оксида углерода) хорошо соответствуют эксперименту.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Анатолий Владиславович Троцюк

Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьева Сибирского отделения Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: trotsyuk@hydro.nsc.ru

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Россия, 630090, Новосибирск

Павел Аркадьевич Фомин

Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьева Сибирского отделения Российской академии наук

Email: pavel_fomin_new@mail.ru

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник

Россия, 630090, Новосибирск

Список литературы

  1. Быковский Ф. А., Ждан С. А., Ведерников Е. Ф., Самсонов А. Н. Масштабный фактор при непрерывной спиновой детонации смесей синтез-газ–воздух // Физика горения и взрыва, 2017. Т. 53. No. 2. С. 71–83. doi: 10.15372/FGV20170209.
  2. Austin J. M., Shepherd J. E. Detonation in hydrocarbon fuel blends // Combust. Flame, 2003. Vol. 132. No. 1-2. P. 73–90. doi: 10.1016/S0010-2180(02)00422-4.
  3. Gamezo V. N., Desbordes D., Oran E. S. Formation and evolution of two-dimensional cellular detonations // Combust. Flame, 1999. Vol. 116. No. 1-2. P. 154–165. doi: 10.1016/S0010-2180(98)00031-5.
  4. Takeshima N., Ozawa K., Tsuboi N., Hayashi A. K., Morii Y. Numerical simulations on propane/oxygen detonation in a narrow channel using a detailed chemical mechanism: Formation and detailed structure of irregular cells // Shock Waves, 2020. Vol. 30. P. 809–824. doi: 10.1007/s00193-020-00978-5.
  5. Tang-Yuk K. C., Mi X. C., Lee J. H. S., Ng H. D., Deiterding R. Transmission of a detonation wave across an inert layer // Combust. Flame, 2022. Vol. 236. Article 111769. doi: 10.1016/j.combustflame.2021.111769.
  6. Fomin P. A., Trotsyuk A. V., Vasil’ev A. A. Approximate model of chemical reaction kinetics for detonation processes in mixture of CH4 with air // Combust. Sci. Technol., 2014. Vol. 186. No. 10-11. P. 1716–1735.
  7. Николаев Ю. А., Зак Д. В. Согласование моделей химических реакций в газах со вторым началом термодинамики // Физика горения и взрыва, 1988. Т. 24. № 4. С. 87–90.
  8. Strickland-Constable R. F. The burning velocity of gases in relation to the ignition delay // 3rd Symposium (International) on Combustion and Flame, and Explosion Phenomena, 1949. Vol. 33. No. 1. P. 229–235.
  9. Николаев Ю. А., Васильев А. А., Ульяницкий В. Ю. Газовая детонация и ее применение в технике и технологиях (обзор) // Физика горения и взрыва, 2003. Т. 39. No. 4. С. 22–54.
  10. Васильев А. А. Детонационные свойства синтез-газа // Физика горения и взрыва, 2007. Т. 43. № 6. С. 90–96.
  11. Lu P. L., Dabora E. K., Nicholls J. A. The structure of H2–CO–O2 detonations // Combust. Sci. Technol., 1969. Vol. 1. No. 1. P. 65–74. doi: 10.1080/00102206908952191.
  12. Strehlow R. A., Crooker A. J., Cusey R. E. Detonation initiation behind accelerating shock wave // Combust. Flame, 1967. Vol. 11. No. 4. P. 339–351. doi: 10.1016/0010-2180(67)90023-5.
  13. Guirao C. M., Knustautas R., Lee J. H., Benedick W., Berman M. Hydrogen–air detonations // 19th Symposium (International) on Combustion Processes. — Haifa, Israel, 1982. P. 583–590.
  14. Васильев А. А. Задержка воспламенения в многотопливных смесях // Физика горения и взрыва, 2007. Т. 43. № 3. С. 42–46.
  15. Старик А. М., Титова Н. С., Шарипов А. С., Козлов В. Е. О механизме окисления синтез-газа // Физика горения и взрыва, 2010. Т. 46. № 5. С. 3–19.
  16. Николаев Ю. А., Топчиян М. Е. Расчет равновесных течений в детонационных волнах в газах // Физика горения и взрыва, 1977. Т. 13. № 3. С. 393–404.
  17. The NASA Computer program CEARUN (Chemical Equilibrium with Applications). https://cearun.grc.nasa.gov/index.html.
  18. Троцюк А. В. Численное моделирование структуры двумерной газовой детонации смеси H2–O2–Ar // Физика горения и взрыва, 1999. Т. 35. № 5. С. 93–103.
  19. Численное решение многомерных задач газовой динамики / Под ред. С. К. Годунова. — М.: Наука, 1976. 400 с.
  20. Yamamoto S., Daiguji H. Higher-order-accurate upwind schemes for solving the compressible Euler and Navier–Stokes equations // Comput. Fluids, 1993. Vol. 22. No. 2/3. P. 259–270. doi: 10.1016/0045-7930(93)90058-H.
  21. Daiguji H., Yuan X., Yamamoto S. Stabilization of higher-order high resolution schemes for the compressible Navier–Stokes equation // Int. J. Numer. Method. H., 1997. Vol. 7. No. 2/3. P. 250–274. doi: 10.1108/09615539710163293.
  22. Chakravarthy S. R., Osher S. A new class of high accuracy TVD schemes for hyperbolic conservation laws. AIAA Paper No. 85-0363, 1985.
  23. Lin S.-Y., Chin Y.-S. Comparison of higher resolution Euler schemes for aeroacoustic computations // AIAA J., 1995. Vol. 33. P. 237–245.
  24. Batten P., Leschziner M. A., Goldberg U. C. Average-state Jacobians and implicit methods for compressible viscous and turbulent flows // J. Comput. Phys., 1997. Vol. 137. No. 1. P. 38–78.
  25. Coquel F., Perthame B. Relaxation of energy and approximate Riemann solvers for general pressure laws in fluid dynamics // SIAM J. Numer. Anal., 1998. Vol. 35. No. 6. P. 2223–2249.
  26. Shen J. W., Zhong X. Semi-implicit Runge–Kutta schemes for non-autonomous differential equations in reactive flow computations. AIAA Paper No. 96-1969, 1996.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1 Зависимость поперечного размера детонационной ячейки в стехиометрической смеси синтез-газа с воздухом (1 - α)CO + αH2 + 0.5(O2 + 3.76N2) от соотношения между горючими: 1–3 — экспериментальные данные [2]; 4 — эксперимент [13]. Точка 1 соответствует отсутствию стационарного самоподдерживающегося режима распространения ДВ. Точка 2 соответствует детонационному пределу, выше которого по концентрации окиси углерода стационарная самоподдерживающаяся волна не реализуется

Скачать (44KB)
Метаданные
3. Рис. 2 Рассчитанные (1) и измеренные (2 — детонация; 3 — нет детонации; 4 — предел детонации) [2] размеры детонационной ячейки в смеси (1 − α)CO + αH2 + 0.5(O2 + 3.76N2)

Скачать (49KB)
Метаданные
4. Рис. 3 Структура ДВ в стехиометрической водородно-воздушной смеси (α = 1); (а) поле нормализованной плотности; (б) численная шлирен визуализация; (в) поле температуры; AA и BB — основные поперечные волны; H = a = 1,4 см. Эксперимент [13]: a = 1,5 см

Скачать (361KB)
Метаданные
5. Рис. 4 Структура ДВ в смеси 0.7CO + 0.3H2 + 0.5(O2 + 3.76N2): (а) поле нормализованной плотности; (б) численная шлирен визуализация; (в) поле температуры; AA и BB — основные поперечные волны; aa, bb и cc — вторичные поперечные волны; P1 и P2 — области несгоревшего газа; H = a = 1,5 см. Эксперимент [2]: a = 1,1–2,0 см

Скачать (305KB)
Метаданные
6. Рис. 5 Структура ДВ в смеси 0.9CO+0.1H2 +0.5(O2 +3.76N2): (а) поле нормализованной плотности; (б) численная шлирен визуализация; (в) поле температуры; AA и BB — основные поперечные волны; aa, bb и cc — вторичные поперечные волны; P1 и P2 — области несгоревшего газа; H = a = 2,5 см. Эксперимент [2]: a = 2,0–4,0 см

Скачать (287KB)
Метаданные

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).