Переход горения в детонацию в воздушных смесях пропановодородного горючего

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Предложенный ранее экспериментальный способ оценки детонационной способности (ДС) топливно-воздушных смесей (ТВС), основанный на измерении расстояния и времени перехода горения в детонацию (ПГД) в эталонной импульсно-детонационной трубе (ЭДТ), использован для исследования ПГД в стехиометрических ТВС на основе пропановодородного и метановодородного горючих с объемной долей водорода от 0 до 1 в одинаковых термодинамических и газодинамических условиях. На основе известных данных по горению и самовоспламенению таких горючих ожидалось, что с ростом объемной доли водорода расстояние и время ПГД должны монотонно уменьшаться, а соответствующие зависимости должны быть близки к линейным. Вопреки ожиданиям полученные зависимости оказались нелинейными, а в некоторых случаях — немонотонными: на них наблюдаются локальные максимумы. Анализ результатов позволяет утверждать, что наблюдаемые зависимости — это проявление физико-химических свойств исследуемых ТВС. Изменение конструкции секции ускорения пламени в детонационной трубе в целом не влияет на характер полученных зависимостей: они остаются нелинейными, хотя немонотонность может вырождаться. Подобно другим критическим явлениям в химической кинетике немонотонность может проявляться лишь вблизи критических условий, а при удалении от критических условий она сглаживается или подавляется другими доминирующими эффектами.

Об авторах

И. О. Шамшин

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н. Н. Семёнова Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: igor_shamshin@mail.ru

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Россия

М. В. Казаченко

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н. Н. Семёнова Российской академии наук

Email: maksx71997@gmail.com

старший научный сотрудник

Россия

С. М. Фролов

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н. Н. Семёнова Российской академии наук; Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А Г. Мержанова Российской академии наук

Email: smfrol@chph.ras.ru

доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой, заведующий лабораторией; заведующий лабораторией

Россия

В. Я. Басевич

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н. Н. Семёнова Российской академии наук

Email: basevichv@yandex.ru

доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник

Россия

Список литературы

  1. Шамшин И. О., Казаченко М. В., Фролов С. М., Басевич В. Я. Переход горения в детонацию в воздушных смесях метановодородного горючего // Горение и взрыв, 2020. Т. 13. № 3. С. 60–75. doi: 10.30826/CE20130306.
  2. Соколик А. С., Щёлкин К. И. Распространение пламени в смесях метана с кислородом в закрытых трубах // Ж. физ. химии, 1933. Т. 4. № 1. С. 109–128.
  3. Соколик А. С. Самовоспламенение, пламя и детонация в газах. — М.: Изд-во АН СССР, 1960. 422 с.
  4. Lee J. H. S. The detonation phenomenon. — New York, NY, USA: The Cambridge University Press, 2008. 400 p.
  5. Фролов С. М., Гельфанд Б. Е. О предельном диаметре распространения газовой детонации в трубах // Докл. Акад. наук СССР, 1990. Т. 312. №5. С. 1177–1180.
  6. Фролов С. М., Шамшин И. О., Аксёнов В. С., Казаченко М. В., Гусев П. А. Ранжирование газовых топливно-воздушных смесей по их детонационной способности с помощью эталонной импульсно-детонационной трубы // Горение и взрыв, 2019. Т. 12. № 3. С. 78–90. doi: 10.30826/CE19120309.
  7. Frolov S. M., Zvegintsev V. I., Aksenov V. S., Bilera I. V., Kazachenko M. V., Shamshin I. O., Gusev P. A., Belotserkovskaya M. S. Detonability of fuel–air mixtures // Shock Waves, 2020. Vol. 30. P. 721–739. doi: 10.1007/s00193020-00966-9.
  8. Metghalchi M., Keck J. C. Laminar burning velocity of propane–air mixtures at high temperature and pressure // Combust. Flame, 1980. Vol. 38. P. 143–154. doi: 10.1016/0010-2180(80)90046-2.
  9. Bosschaart K. J., de Goey L. P. H., Burgers J. M. The laminar burning velocity of flames propagating in mixtures of hydrocarbons and air measured with the heat flux method // Combust. Flame, 2004. Vol. 136. No. 3. P. 261– 269.
  10. Marley S. K., Roberts W. L. Measurements of laminar burning velocity and Markstein number using high-speed chemiluminescence imaging // Combust. Flame, 2005. Vol. 141. No. 4. P. 473–477. doi: 10.1016/j.combustflame. 2005.02.011.
  11. Huzayyin A. S., Moneib H. A., Shehatta M. S., Attia A. M. A. Laminar burning velocity and explosion index of LPG–air and propane–air mixtures // Fuel, 2008. Vol. 87. P. 39–57. doi: 10.1016/j.fuel.2007.04.001.
  12. Akram M., Ratna Kishore V., Kumar S. Laminar burning velocity of propane/CO2/N2–air mixtures at elevated temperatures // Energ. Fuel., 2012. Vol. 26. P. 5509–5518. doi: 10.1021/ef301000k.
  13. Dowdy D. R., Smith D. B., Taylor S. C., Williams A. The use of expanding spherical flames to determine burning velocities and stretch effects in hydrogen/air mixtures // 23th Symposium (International) on Combustion Proceedings. — Pittsburgh, PA, USA: The Combustion Institute, 1991. Vol. 23. No. 1. P. 325–332. doi: 10.1016/S0082- 0784(06)80275-4.
  14. Kwon O. C., Tseng L.-K., Faeth G. M. Laminar burning velocities and transition to unstable flames in H2/O2/N2 and C3H8/O2/N2 mixtures // Combust. Flame, 1992. Vol. 90. No. 3-4. P. 230–246. doi: 10.1016/0010- 2180(92)90085-4.
  15. Tse S. D., Zhu D. L., Law C. K. Morphology and burning rates of expanding spherical flames in H2/O2/inert mixtures up to 60 atmospheres // P. Combust. Inst., 2000. Vol. 28. No. 2. P. 1793–1800. doi: 10.1016/S00820784(00)80581-0.
  16. Penyazkov O. G., Ragotner K. A., Dean A. J., Varathara- jan B. Autoignition of propane–air mixtures behind reflected shock waves // P. Combust. Inst., 2005. Vol. 30. P. 1941–1947. doi: 10.1016/j.proci.2004.08.122.
  17. Gallagher S. M., Curran H. J., Metcalfe W. K., Healy D., Simmie J. M., Bourque G. A rapid compression machine study of the oxidation of propane in the negative temperature coefficient regime // Combust. Flame, 2008. Vol. 153. P. 316–333. doi: 10.1016/j.combustflame.2007.09.004.
  18. Cheng R. K., Oppenheim A. K. Autoignition in methane–hydrogen mixtures // Combust. Flame, 1984. Vol. 58. P. 125–139. doi: 10.1016/0010-2180(84)90088-9.
  19. Keromnes A., Metcalfe W. K., Heufer K.A., Donohoe N., Das A. K., Sung C.-J., Herzler J., Naumann C., Griebel P., Mathieu O., Krejci M. C., Petersen E. L., Pitz W. J., Curran H. J. An experimental and detailed chemical kinetic modeling study of hydrogen and syngas mixture oxidation at elevated pressures // Combust. Flame, 2013. Vol. 160. No. 6. P. 995–1011. doi: 10.1016/j.combustflame.2013. 01.001.
  20. Milton B. E., Keck J. C. Laminar burning velocities in stoichiometric hydrogen and hydrogen–hydrocarbon gas mixtures // Combust. Flame, 1984. Vol. 58. No. 1. P. 13– 22. doi: 10.1016/0010-2180(84)90074-9.
  21. Yu G., Law C. K., Wu C. K. Laminar flame speeds of hydrocarbon–air mixtures with hydrogen addition // Combust. Flame, 1986. Vol. 63. No. 3. P. 339–347.
  22. Law C. K., Kwon O. C. Effects of hydrocarbon substitution on atmospheric hydrogen–air flame propagation // Int. J. Hydrogen Energ., 2004. Vol. 29. No. 8. P. 867–79. doi: 10.1016/j.ijhydene.2003.09.012.
  23. Tang С., Huang Z., Jin C., He J., Wang J., Wang X., Miao H. Laminar burning velocities and combustion characteristics of propane–hydrogen–air premixed flames // Int. J. Hydrogen Energ., 2008. Vol. 33. P. 4906–4914. doi: 10.1016/j.ijhydene.2008.06.063.
  24. Zhen H. S., Cheung C. S., Leung C. W., Choy Y. S. Effects of hydrogen concentration on the emission and heat transfer of a premixed LPG-hydrogen flame // Int. J. Hydrogen Energ., 2012. Vol. 37. No. 7. P. 6097–6105.
  25. Titova N. S., Kuleshov P. S., Favorskii O. N., Starik A. M. The features of ignition and combustion of composite propane–hydrogen fuel: Modeling study // Int. J. Hydrogen Energ., 2014. Vol. 39. No. 12. P. 6764–6773. doi: 10.1016/j.ijhydene.2014.01.211.
  26. Man X., Tang C., Wei L., Pan L., Huang Z. Measurements and kinetic study on ignition delay times of propane/hydrogen in argon diluted oxygen // Int. J. Hydrogen Energ., 2013. Vol. 38. P. 2523–2530. doi: 10.1016/j.ijhydene.2012.12.020.
  27. Sevrouk K. L., Krivosheyev P. N., Penyazkov O. G., Toro- hov S. A., Titova N. S., Starik A. M. Numerical and experimental analysis of propane–hydrogen mixture ignition in air // J. Phys. Conf. Ser., 2016. Vol. 774. P. 012083. doi: 10.1088/1742-6596/774/1/012083.
  28. Schwer D. A., Kailasanath K. Towards an assessment of rotating detonation engines with fuel blends. AIAA Paper No. 2017-4942. doi: 10.2514/6.2017-4942.
  29. Басевич В. Я., Медведев С. Н., Фролов Ф. С., Фролов С. М. Промотирование высокотемпературного самовоспламенения воздушных смесей водорода и метана нормальными алканами // Хим. физика, 2015. Т. 34. №3. С. 57–61.
  30. Meyer J. W., Urtiew P. A., Oppenheim A. K. On the inadequacy of gasdynamic processes for triggering the transition to detonation // Combust. Flame, 1970. Vol. 14. P. 13–20.
  31. Семенов Н. Н. Цепные реакции. — Л.: Госхимтехиздат, 1934.
  32. Lee J. H. S., Knystautas R., Freiman A. High speed turbulent deflagrations and transition to detonation in H2 –air mixtures // Combust. Flame, 1984. Vol. 56. P. 227–239.
  33. Щелкин К. И. Быстрое горение и спиновая детонация газов / Под ред. Н. Н. Семенова. — М.: Воениздат, 1949. 196 с.
  34. Басевич В. Я., Беляев А. А., Посвянский В. С., Фролов С. М. Механизмы окисления и горения нормальных парафиновых углеводородов: переход от С1–С10 к С11–C16 // Хим. физика, 2013. Т. 32. № 4. С. 87–96. doi: 10.7868/S0207401X13040031.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

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».