Оценка возможностей современных кинетических механизмов окисления ацетилена для моделирования нестационарных процессов горения

Аннотация

Ввиду высокой реакционной способности ацетилен является одним из перспективных газовых топлив, однако для широкого использования на практике требуется всестороннее изучение возможных режимов горения таких топлив. Настоящая работа посвящена анализу современных кинетических механизмов окисления ацетилена. Актуальные подходы к численному анализу газодинамических течений в химически активных газовых смесях --- мощный инструмент для решения многих задач промышленности и энергетики. Получение достоверных результатов численного моделирования нестационарных процессов горения и детонации невозможно без использования надежных и эффективных кинетических механизмов. Проведен обзор кинетических механизмов, описывающих окисление ацетилена. Восемь наиболее оптимальных механизмов исследованы на возможность их использования при детальном моделировании нестационарных процессов горения, в частности, ускорения пламени и перехода к детонации. С использованием полной модели газодинамики реагирующей среды выполнены расчеты времени задержки воспламенения и нормальной скорости горения. Для оценки корректности полученных значений параметров воспламенения и горения проведено сопоставление с имеющимися экспериментальными данными. На основе анализа полученных результатов сделаны выводы о возможности применения рассматриваемых кинетических механизмов с учетом точности воспроизведения параметров горения и вычислительной эффективности

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 20-58-04024) и Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (грант № T21PM-103)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Яковенко И.С., Ярков А.В., Тюрнин А.В. и др. Оценка возможностей современных кинетических механизмов окисления ацетилена для моделирования нестационарных процессов горения. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2022, № 5 (104), с. 62--85. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2022-5-62-85

Литература

[1] Lakshmanan T., Nagarajan G. Study on using acetylene in dual fuel mode with exhaust gas recirculation. Energy, 2011, vol. 36, iss. 5, pp. 3547--3553. DOI: https://doi.org/10.1016/j.energy.2011.03.061

[2] Sharma S., Sharma D., Soni S.L., et al. Performance, combustion and emission analysis of internal combustion engines fuelled with acetylene --- a review. Int. J. Ambient. Energy, 2022, vol. 43, iss. 1, pp. 622--640. DOI: https://doi.org/10.1080/01430750.2019.1663369

[3] Zhang B., Pang L., Shen X., et al. Measurement and prediction of detonation cell size in binary fuel blends of methane/hydrogen mixtures. Fuel, 2016, vol. 172, pp. 196--199. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2016.01.034

[4] Lemkowitz S.M., Pasman H.J. A review of the fire and explosion hazards of particulates. Kona, 2014, vol. 31, pp. 53--81. DOI: https://doi.org/10.14356/kona.2014010

[5] Krivosheyev P., Penyazkov O., Sakalou A. Analysis of the final stage of flame acceleration and the onset of detonation in a cylindrical tube using high-speed stereoscopic imaging. Combust. Flame, 2020, vol. 216, pp. 146--160. DOI: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2020.02.027

[6] Солоухин Р.И. Переход горения в детонацию в газах. Прикладная механика и техническая физика, 1961, № 4, с. 128--132.

[7] Солоухин Р.И. Ударные волны и детонация в газах. М., ФИЗМАТГИЗ, 1963.

[8] Khokhlov A.M., Oran E.S., Thomas G.O. Numerical simulation of deflagration-to-detonation transition: the role of shock--flame interactions in turbulent flames. Combust. Flame, 1999, vol. 117, iss. 1-2, pp. 323--339. DOI: https://doi.org/10.1016/S0010-2180(98)00076-5

[9] Smirnov N.N., Betelin V.B., Nikitin V.F., et al. Detonation engine fed by acetylene-oxygen mixture. Acta Astronaut., 2014, vol. 104, iss. 1, pp. 134--146. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2014.07.019

[10] Арефьев К.Ю., Федотова К.В., Крикунова А.И. и др. Математическое и физическое моделирование влияния пульсаций скорости сносящего потока воздуха на структуру пламени при диффузионном режиме горения метана. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2020, № 2 (89), с. 65--84. DOI: http://dx.doi.org/10.18698/1812-3368-2020-2-65-84

[11] Иванов М.Ф., Киверин А.Д., Яковенко И.С. Влияние газодинамических процессов на развитие горения вблизи концентрационных пределов воспламенения. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2015, № 6 (63), с. 85--98. DOI: http://dx.doi.org/10.18698/1812-3368-2015-6-85-98

[12] Иванов М.Ф., Киверин А.Д., Пиневич С.Г. Аномальное распространение пламени в горючих газовзвесях. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2015, № 5 (62), с. 51--68. DOI: http://dx.doi.org/10.18698/1812-3368-2015-5-51-68

[13] Иванов М.Ф., Киверин А.Д., Рыков Ю.В. Особенности распространения пламени в замкнутых объемах. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2010, № 1 (36), с. 21--39.

[14] Dounia O., Vermorel O., Misdariis A., et al. Influence of kinetics on DDT simulations. Combust. Flame, 2019, vol. 200, pp. 1--14. DOI: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2018.11.009

[15] Liberman M.A., Kiverin A.D., Ivanov M.F. Regimes of chemical reaction waves initiated by nonuniform initial conditions for detailed chemical reaction models. Phys. Rev. E, 2012, vol. 85, iss. 5, art. 05631. DOI: https://doi.org/10.1103/physreve.85.056312

[16] Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ. М., ФИЗМАТЛИТ, 2003.

[17] Turanyi T., Tomlin A.S. Analysis of kinetic reaction mechanisms. Berlin, Heidelberg, Springer, 2014. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-44562-4

[18] Westbrook C.K., Dryer F.L. Simplified reaction mechanisms for the oxidation of hydrocarbon fuels in flames. Combust. Sci. Technol., 1981, vol. 27, iss. 1-2, pp. 31--43. DOI: https://doi.org/10.1080/00102208108946970

[19] Mauss F., Lindstedt R.P. Reduced kinetic mechanisms for premixed acetylene-air flames. In: Peters N., Rogg B. (eds). Reduced Kinetic Mechanisms for Applications in Combustion Systems. Lecture Notes in Physics Monographs, vol. 15. Berlin, Heidelberg, Springer, 1993, pp. 102--122. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-540-47543-9_7

[20] Jones W.P., Lindstedt R.P. Global reaction schemes for hydrocarbon combustion. Combust. Flame, 1988, vol. 73, iss. 3, pp. 233--249. DOI: https://doi.org/10.1016/0010-2180(88)90021-1

[21] Metcalfe W.K., Burke S.M., Ahmed S.S., et al. A hierarchical and comparative kinetic modeling study of C₁--C₂ hydrocarbon and oxygenated fuels. Int. J. Chem. Kinet., 2013, vol. 45, iss. 10, pp. 638--675. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/kin.20802

[22] Alekseev V.A., Bystrov N., Emelianov A., et al. High-temperature oxidation of acetylene by N₂O at high Ar dilution conditions and in laminar premixed C₂H₂+O₂+N₂ flames. Combust. Flame, 2022, vol. 238, art. 111924. DOI: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2021.111924

[23] Porras S., Kaczmarek D., Herzler J., et al. An experimental and modeling study on the reactivity of extremely fuel-rich methane/dimethyl ether mixtures. Combust. Flame, 2020, vol. 212, pp. 107--122. DOI: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2019.09.036

[24] Smith G.P., Golden D.M., Frenklach M., et al. GRI-Mech 3.0. URL: http://combustion.berkeley.edu/gri-mech (дата обращения: 02.09.2022)

[25] Smith G.P., Tao Y., Wang H. Foundational Fuel Chemistry Model Version 1.0 (FFCM-1). URL: https://web.stanford.edu/group/haiwanglab/FFCM1/pages/download.html (дата обращения: 02.09.2022).

[26] The San Diego mechanism. Chemical-kinetic mechanisms for combustion applications. web.eng.ucsd.edu: веб-сайт. URL: https://web.eng.ucsd.edu/mae/groups/combustion/mechanism.html (дата обращения: 15.05.2022).

[27] Slavinskaya N., Mirzayeva A., Whitside R., et. al. A modelling study of acetylene oxidation and pyrolysis. Combust. Flame, 2019, vol. 210, pp. 25--42. DOI: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2019.08.024

[28] Shen X., Yang X., Santner J., et al. Experimental and kinetic studies of acetylene flames at elevated pressures. Proc. Combust. Inst., 2015, vol. 35, iss. 1, pp. 721--728. DOI: https://doi.org/10.1016/j.proci.2014.05.106

[29] Wang H., Laskin A.A. A comprehensive reaction model of ethylene and acetylene combustion. URL: http://ignis.usc.edu/Mechanisms/C2-C4/c2.html (дата обращения: 15.08.2022).

[30] Miller J.A., Mitchell R.E., Smooke M.D., et al. Toward a comprehensive chemical kinetic mechanism for the oxidation of acetylene: comparison of model predictions with results from flame and shock tube experiments. Symp. Combust., 1982, vol. 19, iss. 1, pp. 181--196. DOI: https://doi.org/10.1016/S0082-0784(82)80189-6

[31] Varatharajan B.N., Williams F.A. Chemical-kinetic descriptions of high-temperature ignition and detonation of acetylene-oxygen-diluent systems. Combust. Flame, 2001, vol. 124, iss. 4, pp. 624--645. DOI: https://doi.org/10.1016/S0010-2180(00)00235-2

[32] Tereza A.M., Medvedev S.P., Smirnov V.N. Experimental study and numerical simulation of chemiluminescence emission during the self-ignition of hydrocarbon fuels. Acta Astronaut., 2019, vol. 163, part A, pp. 18--24. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2019.03.001

[33] Tereza A.M., Agafonov G.L., Betev A.S., et al. 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, 2020, vol. 14, no. 6, pp. 951--958. DOI: https://doi.org/10.1134/S1990793120060299

[34] Numerical reactive gas-dynamics software package. github.com: веб-сайт. URL: https://github.com/yakovenko-ivan/NRG (дата обращения: 15.08.2022).

[35] McGrattan K., McDermott R., Weinschenk C., et al. Fire dynamics simulator, technical reference guide. National Institute of Standards and Technology, Special Publication 1018-1, 2013.

[36] McBridge B.J., Gordon S., Reno M.A. Coefficients for calculating thermodynamic and transport properties of individual species. NASA-TM-4513. NASA, 1993.

[37] Kee R.J., Rupley F.M., Miller J.A., et al. CHEMKIN: a software package for the analysis of gas-phase chemical and plasma kinetic. Release 3.6. San Diego, Reaction Design, 2000.

[38] Bykov V., Kiverin A., Koksharov A., et al. Analysis of transient combustion with the use of contemporary CFD techniques. Comput. Fluids, 2019, vol. 194, art. 104310. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2019.104310

[39] Ivanov M.F., Kiverin A.D., Yakovenko I.S., et al. Hydrogen-oxygen flame acceleration and deflagration-to-detonation transition in three-dimensional rectangular channels with no-slip walls. Int. J. Hydrog. Energy, 2013, vol. 38, iss. 36, pp. 16427--16440. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.08.124

[40] Kiverin A.D., Yakovenko I.S., Ivanov M.F. On the structure and stability of supersonic hydrogen flames in channels. Int. J. Hydrog. Energy, 2016, vol. 41, iss. 47, pp. 22465--22478. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.10.007

[41] Edwards D.H., Thomas G.O., Williams T.L. Initiation of detonation by steady planar incident shock waves. Combust. Flame, 1981, vol. 43, pp. 187--198. DOI: https://doi.org/10.1016/0010-2180(81)90016-X

[42] Hidaka Y., Hattori K., Okuno T., et. al. Shock-tube and modeling study of acetylene pyrolysis and oxidation. Combust. Flame, 1996, vol. 107, no. 4, pp. 401--417. DOI: https://doi.org/10.1016/S0010-2180(96)00094-6

[43] Homer J.B., Kistiakowsky G.B. Oxidation and pyrolysis of ethylene in shock waves. J. Chem. Phys., 1967, vol. 47, iss. 12, art. 5290. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1701792

[44] Kiverin A.D., Yakovenko I.S. Estimation of critical conditions for deflagration-to-detonation transition in obstructed channels filled with gaseous mixtures. Math. Model. Nat. Phenom., 2018, vol. 13, no. 6, art. 54. DOI: https://doi.org/10.1051/mmnp/2018071

[45] Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович В.Б. и др. Математическая теория горения и взрыва. М., Наука, 1980.

[46] Rokni E., Moghaddas A., Askari O., et. al. Measurement of laminar burning speeds and investigation of flame stability of Acetylene (C₂H₂)/air mixtures. J. Energy Resour. Technol., 2015, vol. 137, iss. 1, art. 012204. DOI: https://doi.org/10.1115/1.4028363

[47] Ravi S., Sikes T.G., Morones A., et al. Comparative study on the laminar flame speed enhancement of methane with ethane and ethylene addition. Proc. Combust. Inst., 2015, vol. 35, iss. 1, pp. 679--686. DOI: https://doi.org/10.1016/j.proci.2014.05.130

[48] Egolfopoulos F.N., Zhu D.L., Law C.K. Experimental and numerical determination of laminar flame speeds: mixtures of C₂-hydrocarbons with oxygen and nitrogen. Symp. Combust., 1991, vol. 23, iss. 1, pp. 471--478. DOI: https://doi.org/10.1016/S0082-0784(06)80293-6

[49] Jomaas G., Zheng X.L., Zhu D.L., et al. Experimental determination of counterflow ignition temperatures and laminar flame speeds of C₂--C₃ hydrocarbons at atmospheric and elevated pressures. Proc. Combust. Inst., 2005, vol. 30, iss. 1, pp. 193--200. DOI: https://doi.org/10.1016/j.proci.2004.08.228

[50] Lokachari N., Burke U., Ramalingam A., et. al. New experimental insights into acetylene oxidation through novel ignition delay times, laminar burning velocities and chemical kinetic modeling. Proc. Combust. Inst., 2019, vol. 37, iss. 1, pp. 583--591. DOI: https://doi.org/10.1016/j.proci.2018.07.027

[51] Кузнецов Н.М. Кинетика мономолекулярных реакций. М., Наука, 1982.