Численное моделирование процесса распространения пламени ацетилен-кислородной смеси, разбавленной инертным газом, в каналах различной ширины

Язык труда и переводы:
УДК:
544.452.2
Дата публикации:
22 ноября 2022, 15:46
Категория:
Математическое моделирование физических процессов и технических систем
Авторы
Ярков Андрей Владимирович
МГТУ им. Н.Э. Баумана; ОИВТ РАН
Аннотация:
Представлены результаты численного моделирования процесса распространения пламени разбавленной ацетилен-кислородной смеси в полуоткрытом канале. В качестве разбавителя выступает азот, объемная доля в системе которого составляет 25 %. Расчеты проведены с использованием современного бездиссипативного метода CABARET. Путем постобработки полученных результатов получены зависимости скорости фронта пламени и оценочного значения ширины пограничного слоя в зависимости от автомодельной переменной, выражающей мгновенное положение фронта пламени. На основе сопоставления характеристик, полученных в разных постановках, продемонстрировано влияние ширины канала на динамику развития пламени на различных стадиях процесса ускорения пламени. В частности, показано, что при увеличении ширины канала увеличивается скорость распространения пламени и амплитуда пульсаций скорости на квазистационарной стадии распространения пламени. Кроме того, в случае наиболее широкого канала наблюдалось стремительное развитие пограничного слоя.
Ключевые слова:
нестационарное горение, горение ацетилена, численное моделирование, влияние геометрии канала, диаметр канала
Основной текст труда

Введение

Одним из наиболее перспективных направлений энергетической сферы является проведение исследований в области повышения энергетического выхода и снижения доли вредных выбросов в атмосферу при использовании газообразного топлива. Газообразные углеводороды активно используют как в качестве добавки к основному топливу [1], так и в качестве самостоятельного горючего для двигателей, в том числе для двигателей внутреннего сгорания [2] и детонационных двигателей [3]. Одним из наиболее ярких представителей углеводородного топлива для различных систем является ацетилен ввиду его высокой химической активности и широких детонационных пределов [4]. Однако высокая реакционная способность ацетилена может способствовать развитию детонационных режимов горения, способных привести к аварийным ситуациям. В связи с этим возникает необходимость решения сразу нескольких задач: установления детонационных пределов смесей на основе ацетилена и выявления механизмов перехода в детонацию в ацетиленовых смесях. Этим вопросам посвящена серия экспериментальных [5-7] и расчетно-теоретических работ [8]. Следует, однако, учитывать, что на процесс развития ускорения пламени большое влияние может оказывать размер канала [9, 10], в котором распространяется пламя реагирующей смеси. С другой стороны, на динамику пламени существенное влияние оказывает развитие пограничного слоя в потоке перед фронтом пламени [11].

Таким образом, при исследовании механизмов перехода горения в детонацию отдельное внимание необходимо уделить перечисленным выше факторам, что при решении задачи численного моделирования зачастую упускается из виду. Это может быть причиной как рассогласования между экспериментальными и расчетными данными, так и некорректной интерпретации результатов моделирования. В связи с этим в настоящей работе рассмотрены эффекты, связанные с влиянием ширины канала и динамики развития пограничного слоя на процесс нестационарного развития пламени в смесях на основе ацетилена.

Методика исследования

Исследование проводилось методом численного моделирования процесса распространения пламени в канале. Газодинамические течения описывались с использованием математической модели на основе полной системы уравнений Навье — Стокса, учитывающей теплопроводность, вязкость, многокомпонентную диффузию и химические превращения в зоне горения. Численное решение уравнений газовой динамики проводилось с помощью бездиссипативного метода CABARET [12]. Химическая кинетика описывалась с использованием редуцированного кинетического механизма, включающего 25 реакций и 17 компонент [13].

Вычисления проводились в двумерной постановке, в рамках которой расчетная область представляла собой полуоткрытый канал заданной ширины H, заполненный реагирующей стехиометрической смесью ацетилена с кислородом, разбавленной 25 % азота. Процесс горения инициировался источником малого радиуса (r= 1 мм), внутри которого горючая смесь была мгновенно изобарически нагрета до температуры 1500 К, остальная же область находилась при температуре 300 К. На стенках реактора ставились условия прилипания, при этом стенка считалась изотермичной с температурой Twall = 300 К. Начальное давление в системе составляло 20 кПа. Ввиду осевой симметрии была рассмотрена лишь одна из половин канала, оставшаяся же часть учитывалась путем введения граничных условий симметрии на нижней границе расчетной области. Размер расчетной ячейки был выбран равным 50 мкм, что соответствует области сходимости решения и обеспечивает адекватное воспроизведение особенностей газодинамики горения ацетиленовых смесей [14]. Схематическое изображение расчетной области приведено на рис. 1.

Рис. 1. Схематическое изображение расчетной области

Результаты и их обсуждение

На рис. 2, а приведены хронограммы скорости горения для каналов различной ширины и отмечены точки, соответствующие характерным стадиям развития поверхности фронта пламени. На рис. 2, б показаны пространственные структуры фронта пламени на различных стадиях эволюции процесса в следующем порядке: 1 – конец стадии экспоненциального роста, 2 – формирование плоского фронта, 3 – торможение ядра потока, 4 – формирование тюльпанообразного пламени, 5 – схлопывание языков пламени, 6 – повторное вытягивание языков пламени. Видно, что увеличение ширины канала способствует повышению средней скорости фронта и увеличению пульсаций скорости на стадии развития структуры тюльпанообразного пламени. При этом динамика фронта напрямую зависит от текущей структуры фронта. Так, экспоненциальная стадия роста скорости заканчивается в момент перестройки вытянутой пальцеобразной структуры в промежуточную конфигурацию плоского пламени, что сопровождается существенным торможением волны горения. Затем плоское пламя подвергается возмущениям поверхности фронта, что приводит к увеличению скорости его распространения, а фазам торможения фронта соответствуют этапы его взаимодействия с волнами разрежения. Последующее образование тюльпанообразной структуры способствует установлению квазистационарного режима распространения, где схлопывание языков пламени приводит к заметному снижению скорости и переходу к плоской конфигурации пламени, а повторное вытягивание языков пламени приводит к возобновлению роста скорости. Результаты оценки ширины пограничного слоя (рис. 2, в) позволяют заключить, что с увеличением ширины канала увеличивается инкремент роста эффективной ширины пограничного слоя вблизи стенок канала в потоке перед фронтом пламени.

Наблюдаемое влияние ширины канала на скорость пламени можно объяснить, если учесть тот факт, что в результате перестройки структуры фронта изменяется площадь его поверхности. Чем больше это изменение, тем сильнее изменяется скорость фронта. Средняя скорость фронта пламени напрямую зависит от средней величины площади поверхности фронта, которая имеет наибольшее значение в случае широкого канала. Этому способствуют, с одной стороны, большие пространственные масштабы для растяжения пламени в потоке, и, с другой, возможность развития коротковолновых возмущений фронта. Кроме того, ощутимый вклад в динамику пламени вносит развитый пограничный слой. Так, с увеличением ширины пограничного слоя становится возможным переход от ламинарного режима к развитию неустойчивости пограничного слоя и формированию вихреобразных течений, наличие которых способствует интенсификации горения, что в конечном итоге может привести к выходу процесса из квазистационарного режима, последующему ускорению пламени и переходу к детонации [15].

Рис. 2. Хронограммы скорости горения, пространственные структуры фронта пламени и ширины пограничного слоя: а — хронограммы скорости фронта пламени смеси ацетилен-кислород (стехиометрия), разбавленной азотом (XN2 = 0,25), построенные в зависимости от автомодельной переменной ξ; б — профили фронта пламени; в — ширины пограничного слоя вблизи стенок перед фронтом; x — координата фронта; H — ширина канала

Заключение

В рамках настоящей работы на примере стехиометрической смеси ацетилена с кислородом, смешанной с азотом до степени разбавления 25 %, с использованием метода численного моделирования продемонстрирована зависимость характера эволюции структуры фронта пламени от ширины канала. В частности, показано, что увеличение диаметра канала способствует росту средней скорости фронта, а также повышению степени нестационарности его распространения. Этому способствует сразу два фактора. Во-первых, ширина канала напрямую влияет на величину площади поверхности фронта пламени за счет большего его растяжения, а также за счет развития гидродинамической неустойчивости фронта. Во-вторых, в случае наиболее широкого канала наблюдается хорошо развитый пограничный слой, взаимодействие пламени с которым способствует интенсивному теплообмену между свежей смесью и продуктами горения, что является ключевым моментом при организации высокоэффективного режима горения.

Благодарность. Выражаю свою благодарность Киверину Алексею Дмитриевичу и Яковенко Ивану Сергеевичу за помощь и сопровождение на всех этапах выполнения работы. Работа выполнена с использованием вычислительных ресурсов Межведомственного суперкомпьютерного центра Российской академии наук (МСЦ РАН).

Литература
  1. Ji Ch., Wang Sh., Zhang B. Performance of a hybrid hydrogen–gasoline engine under various operating conditions. Applied Energy, 2012, vol. 97, pp. 584–589. DOI: https://doi.org/0.1016/j.apenergy.2011.11.056
  2. Haller J., Link T. Thermodynamic concept for an efficient zero-emission combustion of hydrogen and oxygen in stationary internal combustion engines with high power density. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, vol. 42, no. 44, pp. 27374–27387. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.08.168
  3. Rankin B.A., Fotia M.L., Naples A.G., et al. Overview of performance, application, and analysis of rotating detonation engine technologies. Journal of Propulsion and Power, 2017, vol. 33, no. 1, pp. 131–143. DOI: https://doi.org/10.2514/1.B36303
  4. Smirnov N.N., Betelin V.B., Nikitin V.F., et al. Detonation engine fed by acetylene-oxygen mixture. Acta Astronautica, 2014, vol. 104, no. 1, pp. 134–146. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2014.07.019
  5. Wu Y., Zheng Q., Weng Ch. An experimental study on the detonation transmission behaviours in acetylene-oxygen-argon mixtures. Energy, 2018, vol. 143, pp. 554–561. DOI: https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.11.019
  6. Krivosheyev P., Penyazkov O. Analysis of the final stage of flame acceleration and the onset of detonation in a cylindrical tube using high-speed stereoscopic imaging. Combustion and Flame, 2020, vol. 216, pp. 146–160. DOI: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2020.02.027
  7. Krivosheyev P.N., Novitski A.O., Penyazkov O.G. Evolution of the reaction front shape and structure on flame acceleration and deflagration-to-detonation transition. Russian Journal of Physical Chemistry B, 2022, vol. 16, no. 4, pp. 661–669. DOI: https://doi.org/10.1134/S1990793122040248
  8. Oran E.S., Gamezo V.N. Origins of the deflagration-to-detonation transition in gas-phase combustion. Combustion and Flame, 2007, vol. 148, no. 1–2, pp. 4–47. DOI: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2006.07.010
  9. Yoshida K., Hayashi K., Morii Y., et al. Study on behavior of methane/oxygen gas detonation near propagation limit in small diameter tube: effect of tube diameter. Combustion Science and Technology, 2016, vol. 188, no. 11–12, pp. 2012–2025. DOI: https://doi.org/10.1080/00102202.2016.1213989
  10. Li J., Lai W.H., Chung K. Tube diameter effect on deflagration-to-detonation transition of propane-oxygen mixtures. Shock Waves, 2006, vol. 16, no. 2, pp. 109–117. DOI: https://doi.org/10.1007/s00193-006-0056-8
  11. Kuznetsov M., Alekseev V., Matsukov I., Dorofeev S. DDT in a smooth tube filled with a hydrogen–oxygen mixture. Shock Waves, 2005, vol. 14, pp. 205–215. DOI: https://doi.org/10.1007/s00193-005-0265-6
  12. Головизин В.М. и др. Новые алгоритмы вычислительной гидродинамики для многопроцессорных вычислительных комплексов. Москва, Изд-во МГУ, 2013, 472 с.
  13. Varatharajan B.N., Williams F.A. Chemical-kinetic descriptions of high-temperature ignition and detonation of acetylene-oxygen-diluent systems. Combustion and Flame, 2001, vol. 124, no. 4, pp. 624–645. DOI: https://doi.org/10.1016/S0010-2180(00)00235-2
  14. 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
  15. Ivanov M.F., Kiverin A.D., Yakovenko I.S., Liberman M.A. Hydrogen–oxygen flame acceleration and deflagration-to-detonation transition in three-dimensional rectangular channels with no-slip walls. International Journal of Hydrogen Energy, 2013, vol. 38, no. 36, pp. 16427–16440. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.08.124
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.