Анализ механизмов воспламенения стехиометрической топливно-воздушной смеси

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

В работе проведено сравнение различных механизмов активации стехиометрической смеси метана и воздуха в адиабатической элементарной ячейке постоянного объема в нуль-мерном приближении. Эволюция состава смеси от начального состояния описывается соответствующими уравнениями химической кинетики в рамках схемы с 224 реакциями для 32 компонентов, которая включает ионизованные компоненты окислителя и их зависимости от приведенного поля. В качестве базового механизма рассматривается активация треугольным импульсом тока длительностью 50 нс с амплитудами, обеспечивающими актуальный энерговклад для воспламенения смеси при начальных атмосферных условиях, т.е. порядка 1–2 МДж/м3. В качестве вариантов для сравнения рассмотрены идеализированные случаи процесса воспламенения, инициированные либо предварительным нагревом, либо частичной диссоциацией молекулярных компонентов окислителя. Отмечается определяющая роль как суммарного энерговклада, так и характерной мощности активации.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. А. Битюрин

Объединенный институт высоких температур РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: valentin.bityurin@gmail.com
Россия, Москва

А. Н. Бочаров

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: valentin.bityurin@gmail.com
Россия, Москва

А. С. Добровольская

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: valentin.bityurin@gmail.com
Россия, Москва

П. П. Иванов

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: valentin.bityurin@gmail.com
Россия, Москва

Т. Н. Кузнецова

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: valentin.bityurin@gmail.com
Россия, Москва

Е. А. Филимонова

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: valentin.bityurin@gmail.com
Россия, Москва

Список литературы

  1. Ju Y., Sun W. Plasma Assisted Combustion: Dyna-mics and Chemistry // Prog. Energy Combust. Sci. 2015. V. 48. P. 21.
  2. Starikovskiy A., Aleksandrov N. Plasma-assisted Ignition and Combustion // Prog. Energy Combust. Sci. 2013. V. 39. № 1. P. 61.
  3. Анохин Е.М., Киндышева С.В., Александров Н.Л. Воспламенение углеводород-кислородных смесей с помощью наносекундного поверхностного диэлектрического барьерного разряда // Физика плазмы. 2018. T. 44. № 11. C. 927.
  4. Discepoli G., Cruccolini V., Ricci F., Giuseppe A.Di., Papi S., Grimaldi C.N. Experimental Characterisation of the Thermal Energy Released by a Radio Frequency Corona Igniter in Nitrogen and Air // Appl. Energy. 2020. V. 263. P. 114617.
  5. Boumehdi M.A., Stepanyan S.A., Desgroux P., Vanhove G., Starikovskaia S.M. Ignition of Methane- and n-butane-containing Mixtures at High Pressures by Pulsed Nanosecond Discharge // Combust. Flame. 2015. V. 162. P. 1336.
  6. Cathey C.D., Tang T., Shiraishi T., Urushihara T., Kuthi A., Gundersen M.A. Nanosecond Plasma Ignition for Improved Performance of an Internal Combustion Engine // IEEE Trans. Plasma Sci. 2007. V. 35. P. 1664.
  7. Filimonova E.A. Discharge Effect on the Negative Temperature Coefficient Behaviour and Multistage Ignition in C3H8–Air Mixture // J. Phys. D: Appl. Phys. 2015. V. 48. P. 015201.
  8. Filimonova E., Bocharov A., Bityurin V. Influence of a Non-equilibrium Discharge Impact on the Low Temperature Combustion Stage in the HCCI Engine // Fuel. 2018. V. 228. P. 309.
  9. Filimonova E.A., Dobrovolskaya A.S., Bocharov A.N., Bityurin V.A., Naidis G.V. Formation of Combustion Wave in Lean Propane-air Mixture with a Non-uniform Chemical Reactivity Initiated by Nanosecond Streamer Discharges in the HCCI Engine // Combust. Flame. 2020. V. 215. P. 401.
  10. Bityurin V.A., Bocharov A.N., Dobrovolskaya A.S., Kuznetsova T.N., Popov N.A., Filimonova E.A. Numerical Modeling of Pulse-Periodic Nanosecond Discharges // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. V. 2100. № 1. P. 012032.
  11. Битюрин В.А., Бочаров А.Н. Магнитогидродинамическое взаимодействие при обтекании затупленного тела гиперзвуковым воздушным потоком // МЖГ. 2006. № 5. C. 188.
  12. Aleksandrov N.L., Kindusheva S.V., Nudnova M.M., Starikovskii A.Yu. Mechanism of Ultra-fast Heating in a Non-equilibrium Weakly Ionized Air Discharge Plasma in High Electric Fields // J. Phys. D: Appl. Phys. 2010. V. 43. P. 255201.
  13. Popov N.A. Fast Gas Heating in a Nitrogen-Oxygen Discharge Plasma: I. Kinetic Mechanism // J. Phys. D: Appl. Phys. 2011. V. 44. P. 285201.
  14. Popov N.A., Starikovskaia S.M. Relaxation of Electronic Excitation in Nitrogen/Oxygen and Fuel/Air Mixtures: Fast Gas Heating in Plasma-assisted Ignition and Flame Stabilization // Prog. Energy Combust. Sci. 2022. V. 89. 100928.
  15. Белов Г.В., Иориш В.С., Юнгман В.С. Моделирование равновесных состояний термодинамических систем с использованием ИВТАНТЕРМО для Windows // ТВТ. 2000. Т. 38. № 2. С. 209.
  16. Битюрин В.А., Иванов П.П., Корягина Г.М., Любимов Г.А., Медин С.А., Морозов Г.Н., Прокоп А.С. Численное моделирование работы МГД-генератора на переменных режимах в составе МГДЭС // ТВТ. 1982. Т. 20. № 4. С. 347.
  17. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Электр. спр. М.: Наука, 1978–2004. http://twt.mpei.ac.ru/tthb/2/oivt/IVTANThermo/Rus/index.htm

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема области решения и внешних воздействий.

Скачать (9KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Структура треугольного импульса разряда длительностью 50 нс: 1 – суммарный ток, 2 – напряжение на промежутке размером 1 мм, 3 – суммарная мощность.

Скачать (27KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Эволюция температуры (1), вложенной энергии (2) и состава метано-воздушной смеси, активированной треугольным импульсом (50 нс, 24 кА/м), в логарифмических координатах: 3 – мольная доля CH4, 4 – e, 5 – O, 6 – H, 7 – N, 8 – H2O, 9 – CO, 10 – OH.

Скачать (23KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Эволюция температуры и концентраций основных компонентов метано-воздушной смеси после химической активации путем частичной диссоциации азота или кислорода при равных затратах энергии: 1, 2 – температура; 3, 6, 8 – мольные доли атомарных кислорода, азота, водорода (при О-активации); 4, 5, 7 – при N-активации.

Скачать (20KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Эволюция температуры и концентраций основных компонентов состава метано-воздушной смеси после температурной и химической активаций путем частичной диссоциации азота: 1, 2 – температура; 3, 6, 8 – мольные доли атомарных кислорода, азота, водорода (при термической активации); 2, 4, 5, 7 – при N-активации.

Скачать (21KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Эволюция температуры смеси при активации треугольными импульсами тока (50 нм) сверху вниз: 30, 27, 24, 20, 17, 14, 11, 8 кА/м.

Скачать (18KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Изменение мольных долей заряженных и атомарных компонентов стехиометрической метано-воздушной смеси, активированной импульсом тока (50 нс, 24 кА): 1 – температура, 2 – концентрация электронов, 3 – атомов O, 4 – атомов H, 5 – атомов N, 6 – ионов O2+, 7 – N2+, 8 – NO+, 9 – N+, 10 – O+; закрашенный прямоугольник – интервал действия разряда.

Скачать (22KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Изменение мольных долей углеводородов в стехиометрической метано-воздушной смеси, активированной импульсом тока (50 нс, 20 кА/м): 1 – температура, 2 – концентрация CH4, 3 – CH3, 4 – CH2O, 5 – CHO, 6 – CH3O, 7 – C2H2, 8 – C2H4, 9 – CH3CHO, 10 – CH3OH, 11 – CH2OH, 12 – C3H6, 13 – C2H5OH.

Скачать (22KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Изменение мольных долей окислов и радикалов в стехиометрической метано-воздушной смеси, активированной импульсом тока (50 нс, 20 кА/м): 1 – температура, 2 – концентрация H2O, 3 – CO, 4 – OH, 5 – CO2, 6 – H2O2, 7 – HO2, 8 – H2, 9 – NO; закрашенный прямоугольник – интервал действия разряда.

Скачать (19KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Эволюция температуры и состава метано-воздушной смеси, активированной импульсом тока (50 нс, 20 кА/м) в групповом представлении: 1 – начальный состав и концентрация молекулярного водорода, 2 – концентрации окислов и радикалов, 3 – промежуточных углеводородов, 4 – ионов, электронов и атомов, 5 – температура.

Скачать (19KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Температурные стадии состава метано-воздушной смеси, активированной импульсом тока (50 нс, 20 кА/м) в групповом представлении: 1 – начальный состав и концентрация молекулярного водорода, 2 – окислов и радикалов, 3 – промежуточных углеводородов, 4 – ионов, электронов и атомов, 5 – время.

Скачать (18KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Время задержки воспламенения при различных механизмах активации: 1 – активация импульсом тока длительностью 10 нс, 2 – 50 нс, 3 – 50 мкс, 4 – N-активация, 5 – термоактивация, 6 – термоактивация (обедненная смесь).

Скачать (17KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

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».