Газодинамическая стабилизация и интенсификация макрокинетических процессов окисления метана в высокоэнтальпийном кислородсодержащем потоке

Аннотация

Представлены результаты экспериментального исследования интенсификации и стабилизации макрокинетических процессов окисления (горения) метана в высокоэнтальпийном кислород-содержащем потоке внутри конечного по длине канала постоянного сечения. Представлены расчетные и экспериментальные данные по газодинамической интенсификации и стабилизации окисления метана в рециркуляционной зоне высокоэнтальпийного кислородсодержащего потока, образующейся за плохообтекаемым телом клиновидной формы. При расчетных и экспериментальных исследованиях рассмотрены различные конфигурации плохообтекаемых тел, отличающихся их числом и степенью загромождения канала постоянного сечения. Определена зависимость относительного времени пребывания газов в рециркуляционной зоне за плохообтекаемыми телами при различных конфигурациях. Рассмотрен диапазон значений начальных энтальпий высокоэнтальпийного кислородсодержащего потока 350...700 кДж/кг. Установлены закономерности влияния степени загромождения потока на завершенность физико-химических процессов в исследуемом канале. Проведено сравнение интенсивности окисления метана в высокоэнтальпийном кислород-содержащем потоке с газодинамической стабилизацией и без нее. Определен уровень нижнего предельного значения коэффициента избытка горючего, соответствующего стабильному воспламенению и горению метана. Полученные данные указывают на интенсификацию диффузионно-кинетических режимов окисления метана и позволяют оценить факторы, лимитирующие завершенность физико-химических процессов

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России (проект № 075-15-2020-806 от 29.09.2020)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Арефьев К.Ю., Гришин И.М., Захаров В.С. и др. Газодинамическая стабилизация и интенсификация макрокинетических процессов окисления метана в высокоэнтальпийном кислородсодержащем потоке. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2023, № 4 (109), с. 52--78. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2023-4-52-78

Литература

[1] Urzay J. Supersonic combustion in air-breathing propulsion systems for hypersonic flight. Annu. Rev. Fluid Mech., 2018, vol. 50, no. 1, pp. 593--627. DOI: http://dx.doi.org/10.1146/annurev-fluid-122316-045217

[2] Tripathi G., Sharma P., Dhar A. Effect of methane augmentations on engine performance and emissions. Alex. Eng. J., 2020, vol. 59, iss. 1, pp. 429--439. DOI: https://doi.org/10.1016/j.aej.2020.01.012

[3] Agora Energiewende and Ember (2021): the European power sector in 2020: up-to-date analysis on the electricity transition. Available at: https://www.agora-energiewende.de/en/publications/the-european-power-sector-in-2020 (accessed: 15.12.2021).

[4] Azatyan V.V. Chain nature of the combustion, explosion, and detonation of gases: new aspects of theory. Russ. J. Phys. Chem. A, 2015, vol. 89, pp. 1995--2005. DOI: https://doi.org/10.1134/S0036024415110035

[5] Kim N.J. Effect of an inlet temperature disturbance on the propagation of methane--air premixed flames in small tubes. Combust. Flame, 2009, vol. 156, iss. 7, pp. 1332--1338. DOI: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2009.02.004

[6] Cheng R.K., Oppenheim A.K. Autoignition in methane--hydrogen mixtures. Combust. Flame, 1984, vol. 58, iss. 2, pp. 125--139. DOI: https://doi.org/10.1016/0010-2180(84)90088-9

[7] Vasil’ev A.A. Ignition delay in multifuel mixtures. Combust. Explos. Shock Waves, 2007, vol. 43, no. 3, pp. 282--285. DOI: https://doi.org/10.1007/s10573-007-0041-2

[8] Austin J.M., Shepherd J.E. Detonations in hydrocarbon fuel blends. Combust. Flame, 2003, vol. 132, iss. 1-2, pp. 73--90. DOI: https://doi.org/10.1016/S0010-2180(02)00422-4

[9] Vasil’ev A.A. Cell size as the main geometric parameter of multifront detonation wave. J. Propuls. Power, 2006, vol. 22, no. 6, pp. 1245--1260. DOI: https://doi.org/10.2514/1.20348

[10] Hernandez-Rivera R., Troiani G., Pagliaroli T., et al. Detection of the thermoacoustic combustion instabilities of a slot burner based on a diagonal-wise recurrence quantification. Phys. Fluids, 2019, vol. 31, iss. 12, art. 124105. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5124015

[11] Schefer R.W., Wicksall D.M., Agrawal A.K. Combustion of hydrogen-enriched methane in a lean premixed swirl-stabilized burner. Proc. Combust. Inst., 2002, vol. 29, iss. 1, pp. 843--851. DOI: https://doi.org/10.1016/S1540-7489(02)80108-0

[12] Afarin Y., Tabejamaat S. Effect of hydrogen on H₂/CH₄ flame structure of MILD combustion using the LES method. Int. J. Hydrog. Energy, 2013, vol. 38, iss. 8, pp. 3447--3458. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.12.065

[13] Hernandez-Perez F.E., Groth C.P.T., Gulder O.L. Large-eddy simulation of lean hydrogen--methane turbulent premixed flames in the methane-dominated regime. Int. J. Hydrog. Energy, 2014, vol. 39, iss. 13, pp. 7147--7157. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.02.028

[14] Dinkelacker F., Manickam B., Muppal S.P.R. Modelling and simulation of lean premixed turbulent methane/hydrogen/air flames with an effective Lewis number approach. Combust. Flame, 2011, vol. 158, iss. 9, pp. 1742--1749. DOI: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2010.12.003

[15] Zhang M., Wang J., Xie Y., et al. Flame front structure and burning velocity of turbulent premixed CH₄/H₂/air flames. Int. J. Hydrogen Energy, 2013, vol. 38, iss. 26, pp. 11421--11428. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.05.051

[16] Sun Z.-Y., Li G.-X. Turbulence influence on explosion characteristics of stoichiometric and rich hydrogen/air mixtures in a spherical closed vessel. Energy Convers. Manag., 2017, vol. 149, pp. 526--535. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.07.051

[17] Sun Z.-Y. Experimental studies on the explosion indices in turbulent stoichiometric H₂/CH₄/air mixtures. Int. J. Hydrog. Energy, 2019, vol. 44, iss. 1, pp. 469--476. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.02.094

[18] Day M.S., Gao X., Bell J.B. Properties of lean turbulent methane-air flames with significant hydrogen addition. Proc. Combust. Inst., 2011, vol. 33, iss. 1, pp. 1601--1608. DOI: https://doi.org/10.1016/j.proci.2010.05.099

[19] Therkelsen P.L., Enrique Portillo J., Littlejohn D., et al. Self-induced unstable behaviors of CH₄ and H₂/CH₄ flames in a model combustor with a low-swirl injector. Combust. Flame, 2013, vol. 160, iss. 2, pp. 307--321. DOI: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2011.11.008

[20] Li D., Wang R., Yang G., et al. Effect of hydrogen addition on the structure and stabilization of a micro-jet methane diffusion flame. Int. J. Hydrogen Energy, 2021, vol. 46, iss. 7, pp. 5790--5798. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.11.034

[21] Liu W., Kelley A., Law C. Flame propagation and counterflow nonpremixed ignition of mixtures of methane and ethylene. Combust. Flame, 2010, vol. 157, iss. 5, pp. 1027--1036. DOI: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2009.11.002

[22] Wang T., Luo Z., Wen H., et al. The explosion enhancement of methane-air mixtures by ethylene in a confined chamber. Energy, 2021, vol. 214, art. 119042. DOI: https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.119042

[23] Shao J., Davidson D.F., Hanson R.K. A shock tube study of ignition delay times in diluted methane, ethylene, propene and their blends at elevated pressures. Fuel, 2018, vol. 225, pp. 370--380. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2018.03.146

[24] Иванов М.Ф., Киверин А.Д., Гальбурт В.А. Об одном способе ускорения перехода от дефлаграции к детонации в газообразных горючих смесях. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2008, № 4 (31), с. 38--45.

[25] 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.

[26] Wilson M.P., Bowersox R.D.W., Glawe D.D. Experimental investigation of the role of downstream ramps on a supersonic injection plume. J. Propuls. Power, 1999, vol. 15, no. 3, pp. 432--439. DOI: https://doi.org/10.2514/2.5462

[27] Sislian J.P., Schumacher J. A comparative study of hypersonic fuel/air mixing enhancement by ramp and cantilevered ramp injectors. AIAA Paper, 1999, art. 99-4873. DOI: https://doi.org/10.2514/6.1999-4873

[28] Wan J., Zhao H., Akkerman V. Anchoring mechanisms of a holder-stabilized premixed flame in a preheated mesoscale combustor. Phys. Fluids, 2020, vol. 32, iss. 9, art. 097103. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0021864

[29] 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: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2020-2-65-84

[30] Chaudhuri S., Cetegen B.M. Blowoff characteristics of bluff-body stabilized conical premixed flames with upstream spatial mixture gradients and velocity oscillations. Combust. Flame, 2008, vol. 153, iss. 4, pp. 616--633. DOI: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2007.12.008

[31] Nair S., Lieuwen T. Near-blowoff dynamics of a bluff-body stabilized flame. J. Propuls. Power, 2007, vol. 23, no. 2, pp. 421--427. DOI: https://doi.org/10.2514/1.24650

[32] Arefyev K.Yu., Krikunova A.I., Panov V.A. Experimental study of premixed methane-air flame coupled with an external acoustic field. J. Phys. Conf. Ser., 2019, vol. 1147, art. 012050. DOI: http://dx.doi.org/10.1088/1742-6596/1147/1/012050

[33] Sosounov V. Research and development of ramjets/ramrockets. Part III. The study of gaseous hydrogen ram combustors. AGARD Lect. Ser., 1993, vol. 194, pp. 1--6.

[34] Арефьев К.Ю., Александров В.Ю., Рудинский А.В. и др. Исследование плазменного воздействия на эффективность горения газообразного метана в сверхзвуковом потоке. ТВТ, 2021, т. 59, № 4, с. 548--556. DOI: https://doi.org/10.31857/S0040364421040037

[35] Zhu Q., Zhao X., Deng Y. Advances in the partial oxidation of methane to synthesis gas. J. Nat. Gas Chem., 2004, vol. 13, no. 4, pp. 191--203.

[36] Mikofski M.A., Williams T.C., Shaddix C.R., et al. Flame height measurement of laminar inverse diffusion flames. Combust. Flame, 2006, vol. 146, iss. 1-2, pp. 63--72. DOI: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2006.04.006

[37] Tsuji H., Gupta A.K., Hasegawa T., et al. High temperature air combustion. CRC Press, 2003.

[38] Weber R., Orsino S., Lallemant N., et al. Combustion of natural gas with high temperature air and large quantities of flue gas. Proc. Combust. Inst., 2000, vol. 28, iss. 1, pp. 1315--1321. DOI: https://doi.org/10.1016/S0082-0784(00)80345-8

[39] Vinogradov V.A., Shikhman Yu.M., Albegov R.V., et al. Experimental research of methane combustion in high speed subsonic airflow. AIAA Paper, 2003, art. 2003-6940. DOI: https://doi.org/10.2514/6.2003-6940

[40] Vinogradov V.A., Shikhman Y.M., Albegov R.V., et al. About possibility of effective methane combustion in high speed subsonic airflow. AIAA Paper, 2002, art. 2002-5206.

[41] Xiao W., Huang Y. Lean blowout limits of a gas turbine combustor operated with aviation fuel and methane. Heat Mass Transf., 2015, vol. 52, no. 5, pp. 1015--1024. DOI: https://doi.org/10.1007/s00231-015-1622-3

[42] Albegov R.V., Vinogradov V.A., Shikhman Yu.M. Combustion of methane injected into an air flow with high subsonic velocities by different methods. Combust. Explos. Shock Waves, 2016, vol. 52, no. 1, pp. 14--25. DOI: https://doi.org/10.1134/S0010508216010020

[43] Batraev I.S., Prokhorov E.S., Ul’yanitskii V.Y. Acceleration of dispersed particles by gas detonation productions in an expanding channel. Combust. Explos. Shock Waves, 2021, vol. 57, no. 5, pp. 588--596. DOI: https://doi.org/10.1134/S0010508221050087

[44] Zipf R.K. Jr., Gamezo V.N., Sapko M.J., et al. Methane--air detonation experiments at NIOSH lake Lynn laboratory. J. Loss Prev. Process. Ind., 2013, vol. 26, iss. 2, pp. 295--301. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jlp.2011.05.003

[45] Aleksandrov V.Yu., Arefyev K.Yu., Baskakov A.A., et al. Detonation of air-methane mixture in a supersonic crossflow. BMSTU Journal of Mechanical Engineering, 2017, no. 2 (683), pp. 98--108 (in Russ.). DOI: http://dx.doi.org/10.18698/0536-1044-2017-2-98-108

[46] Guiberti T.F., Durox D., Scouflaire P., et al. Impact of heat loss and hydrogen enrichment on the shape of confined swirling flames. Proc. Combust. Inst., 2015, vol. 35, iss. 2, pp. 1385--1392. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.proci.2014.06.016

[47] Aref’ev K.Yu., Kukshinov N.V., Serpinskii O.S. Methodology of experimental determining the combustion efficiency of fuel mixture flows in channels of variable cross-section. Fluid Dyn., 2017, vol. 52, no. 5, pp. 682--694. DOI: https://doi.org/10.1134/S0015462817050106

[48] Grishin I., Zakharov V., Aref’ev K. Experimental study of methane combustion efficiency in a high-enthalpy oxygen-containing flow. App. Sci., 2022, vol. 12, iss. 2, art. 899. DOI: https://doi.org/10.3390/app12020899

[49] Annushkin M.Yu. Basic laws of burn-out in turbulent hydrogen jets in air channels. Fizika goreniya i vzryva, 1981, no. 4, pp. 59--71 (in Russ.).

[50] Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA J., 1994, vol. 32, no. 8, pp. 1598--1605. DOI: https://doi.org/10.2514/3.12149

[51] Ivanov M.F., Kiverin A.D., Yakovenko I.S. Gas-dynamic processes influence on combustion evolution close to concentration flammability limits. Herald of the Bauman Moscow State Technical University, Series Natural Sciences, 2015, no. 6 (63), pp. 85--98 (in Russ.). DOI: http://dx.doi.org/10.18698/1812-3368-2015-6-85-98

[52] Ivanov M.F., Kiverin A.D., Smygalina A.E. Ignition of hydrogen-air mixture near lower flammability limit. Herald of the Bauman Moscow State Technical University, Series Natural Sciences, 2013, no. 1 (48), pp. 89--108 (in Russ.).

[53] Aref’ev K.Yu., Voronetskii A.V., Il’chenko M.A. Dynamic characteristics of a resonant gas-dynamic system for ignition of a fuel mixture. Combust Explos. Shock Waves, 2013, vol. 49, no. 6, pp. 657--661. DOI: https://doi.org/10.1134/S0010508213060038

[54] Aref’ev K.Yu., Voronetskii A.V., Il’chenko M.A., et al. Numerical and experimental study of ignition of a two-phase fuel composition (ethanol + air) in a resonance gas-dynamic system. Combust Explos. Shock Waves, 2017, vol. 53, no. 4, pp. 398--405. DOI: https://doi.org/10.1134/S0010508217040037

[55] Aleksandrov V.Yu., Aref’ev K.Yu., Il’chenko M.A. Numerical and experimental study of oscillatory processes in small-size combustion heaters of air. Combust Explos. Shock Waves, 2016, 52, no. 4, pp. 439--445. DOI: https://doi.org/10.1134/S0010508216040079