Numerical simulation and experimental study of laser ignition of oxygen–hydrogen mixture in a model combustion chamber

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The article considers results of a study on determining optimal areas for laser ignition of an oxygen–hydrogen fuel mixture in a model combustion chamber by focusing laser radiation to initiate an optical breakdown spark in a selected zone. The results of numerical simulation of the nonstationary process of mixing the gaseous components — oxygen and hydrogen — are presented with the determination of the parameters of the resulting mixture in the volume of the model combustion chamber carried out in the LOGOS-Prepost software package. Three zones that are most preferable for laser ignition in the chamber are selected among the zones in which focusing of radiation is possible during laser ignition. These zones are located in the regions of flow recirculation exhibiting fuel mixture compositions close to stoichiometric and low flow velocities. Preferential use of the zones for laser ignition selected by the results of the numerical simulation was confirmed by test fires.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Sergei G. Rebrov

SSC Keldysh Research Center

Author for correspondence.
Email: rebrov_sergey@mail.ru

(b. 1958) — Doctor of Science in technology, head of department

Russian Federation, 8 Onezhskaya Str., Moscow 125438

Viktor A. Golubev

SSC Keldysh Research Center

Email: golubev.va@mail.ru

(b. 1985) — Candidate of Science in technology, senior research scientist

Russian Federation, 8 Onezhskaya Str., Moscow 125438

Andrei N. Golikov

SSC Keldysh Research Center

Email: andgolikov@mail.ru

(b. 1954) — Doctor of Science in technology, head of sector

Russian Federation, 8 Onezhskaya Str., Moscow 125438

Igor A. Ganin

Volga Region Branch of JSC NPO Energomash

Email: pfenergo@samtel.ru

(b. 1965) — branch director — chief designer

Russian Federation, 29 Zavodskoe Shosse, Samara 443009

Vladimir V. Koshlakov

SSC Keldysh Research Center

Email: kerc@elnet.msk.ru

(b. 1977) — Doctor of Science in technology, general director

Russian Federation

Alexander V. Bloshenko

State Corporation for Space Activities “Roscosmos”

Email: info@roscosmos.ru

(b. 1984) — Candidate of Science in physics and mathematics, deputy general director for space complexes and science

Russian Federation, 42, b. 1, 2, Shchepkina Str., Moscow 129110

References

  1. Choudhary, G., and H. Hansen. 1998. Human health perspective on environmental exposure to hydrazines: A review. Chemosphere 37(5):801–843. doi: 10.1016/s0045-6535(98)00088-5.
  2. Yepifanov, I. K., A. D. Kondrat’yev, and S. V. Doroshina 2009. Ekologicheskiy ushcherb pri avarii raket-nositeley na aktivnom uchastke poleta [Environmental damage in the event of a launch vehicle accident during the active phase of flight]. Natsional’nyye interesy: prioritety i bezopasnost’ [National Interests: Priorities and Security] 5(24):53–57.
  3. Zvonov, V. A. 1981. Toksichnost’ dvigateley vnutrennego sgoraniya [Toxicity of internal combustion engines]. Moscow: Mashinostoenie. 160 p.
  4. Ross, M., M. Mills, and D. Toohey . 2010. Potential climate impact of black carbon emitted by rockets. Geophys. Res. Lett. 37(24):L24810. 6 p. doi: 10.1029/ 2010GL044548.
  5. Ross, M., and J. A. Vedda . The policy and science of rocket emissions. Arlington, VA: Aerospace Corp., Center for Space Policy and Strategy, 2018. 12 p.
  6. Wintner, E. 2014. Laser ignition of engines: Technology, benefits and challenges. Latin America Optics and Photonics Conference. Paper LFP.1. doi: 10.1364/ LAOP.2014.LFP.1.
  7. Wintner, E., H. Kofler, A. K. Agarwal, M. A. Deneva, and M. N. Nenchev . 2014. Laser ignition of engines — a contribution to environmental protection and a challenge to laser technology. Annual J. Electronics 8:1–4.
  8. Hasegawa, K., K. Kusaka, A. Kumakawa, M. Sato, and M. Tadano. 2003. Laser ignition characteristics of GOx/GH and GOx/GCH propellants. AIAA Paper No. 2003-4906. doi: 10.2514/6.2003-4906.
  9. Rebrov, S. G., A. N. Golikov, and V. A. Golubev . 2012. Lazernoe vosplamenenie raketnykh topliv v model’noy kamere sgoraniya [Laser ignition of rocket fuels in a model combustion chamber]. Trudy MAI [Proceedings of the MAI] 53:10. Available at: http://trudymai.ru/published.php?ID=29491 (accessed November 25, 2024).
  10. Belov, E. A., A. N. Golikov, V. A. Golubev, D. I. Dubovik, N. G. Ivanov, O. G. Klyueva, P. S. Lyovochkin, S. G. Rebrov, and E. N. Romasenko 2013. Eksperimental’noe issledovanie vliyaniya raspolozheniya zony fokusirovki lazera na vosplamenenie topliva kislorod–kerosin [Experimental study of the effect of the location of the laser focusing zone on the ignition of oxygen–kerosene fuel]. Trudy NPO Energomash im. akademika V. P. Glushko (Mosk.) — Proceedings of NPO Energomash 30:120–134.
  11. Chvanov, V. K., I. A. Ganin, N. G. Ivanov, P. S. Lyovochkin, E. N. Romasenko, and B. A. Surkov . 2015. Eksperimental’noye issledovaniye lazernogo vosplameneniya topliva kislorod–kerosin v kamerakh ZHRD [Experimental study of laser ignition of oxygen–kerosene fuel in liquid propellant rocket engine chambers]. Trudy NPO Energomash imeni akademika V. P. Glushko [Proceedings of NPO Energomash] 32:113–133.
  12. Rebrov, S. G., A. N. Golikov, and V. A. Golubev . 2017. Lazernoe zazhiganie topliva kislorod–kerosin v raketnoy tekhnike: ot zapal’nykh ustroystv k marshevym raketnym dvigatelyam [Laser ignition of oxygen–kerosene fuel in rocket technology: From ignition devices to sustainer rocket engines]. Trudy MAI [Proceedings of MAI] 95:12. Available at: https://trudymai.ru/upload/iblock/030/Rebrov_Golubev_Golikov_rus.pdf?lang=ru&issue=95 (accessed November 25, 2024).
  13. Borner, M., C. Manfletti, J. Hardi, et al. 2018. Laser ignition of a multi-injector LOx/methane combustor. CEAS Space J. 10(2):273–286. doi: 10.1007/s12567-018-0196-6.
  14. Rebrov, S. G., V. A. Golubev, and A. N. Golikov . 2018. Lazernoye zazhiganiye kislorodno-uglevodorodnykh topliv v raketnykh dvigatelyakh [Laser ignition of oxygen–hydrocarbon fuels in rocket engines]. BMSTU J. Mechanical Engineering 7:77–91. doi: 10.18698/0536-1044-2018-7-77-91.
  15. Rebrov, S. G., V. A. Golubev, Y. P. Kosmachev, and V. P. Kosmacheva . 2019. Lazernoye zazhiganiye toplivazhidkiy kislorod – gazoobraznyy vodorod v krupnorazmernoy kamere sgoraniya [Laser ignition of liquid-oxygen – gaseous-hydrogen fuel in a large-scale combustion chamber]. BMSTU J. Mechanical Engineering 12:104–114. doi: 10.18698/0536-1044-2019-12-104-114.
  16. Shynkarenko, O., and D. Simone. 2020. Oxygen–methane torch ignition system for aerospace applications. Aerospace 7(114):1–10. doi: 10.3390/aerospace7080114.
  17. Andronov, A. A., V. A. Gurin, A. V. Marugin, et al. 2014. Laser ignition in internal-combustion engines: Sparkless initiation. Tech. Phys. Lett. 40(8):662–664. doi: 10.1134/S1063785014080021. EDN: UEXNNB.
  18. Richardson, S., M. McMillian, S. Woodruff, and D. McIntyre. 2004. Misfire, knock and NOx mapping of a laser spark ignited single cylinder lean burn natural gas engine. SAE Technical Paper 2004-01-1853. doi: 10.4271/2004-01-1853.
  19. Maillard, M., G. A. Hudebine, M. Orain, and P. Doublet. 2023. Ignition of a Safran’s helicopter engine with a compact nanosecond laser system. Turbomachinery Technical Conference and Exposition. Paper GT2023-103897. 8 p. doi: 10.1115/GT2023-103897.
  20. Patil, S. S., P. M. Patane, and M. R. Nandgaonkar . 2023. Laser ignition and flame propagation of methanol–air mixture in a constant volume combustion chamber. Energ. Source. Part A 45(4):11142–11154. doi: 10.1080/ 15567036.2023.2255156.
  21. Zhang, Wei, Hongwei Zang, Shuo Wang, and Junyan Chen. 2024. Non-resonant photochemical ignition of lean methane/air mixtures by femtosecond laser filamentation. Combust. Flame 266:113542. doi: 10.1016/ j.combustflame.2024.113542.
  22. Ostrovskaya, G. V., and A. N. Zaydel’ . 1973. Lazernaya iskra v gazakh [Laser spark in gases]. Phys. — Usp. 111(4):579–615.
  23. Khitrin, L. N. 1957. Fizika goreniya i vzryva [Physics of combustion and explosion]. Moscow: Publishing House of Moscow State University. 453 p.
  24. Lewis, B., and G. von Elbe. 1961. Combustion, flames and explosions of gases. New York, London. Academic Press Inc. 739 p.
  25. Raushenbakh, B. V., A. A. Belyy, I. V. Bespalov, et al. 1964. Fizicheskie osnovy rabochego protsessa v kamerakh sgoraniya vozdushno-reaktivnykh dvigateley [Physical basis of the working process in the combustion chambers of air-breathing engines]. Moscow: Mashinostroenie. 526 p.
  26. Lim, E. H., A. McIlroy, P. D. Ronney, and J. A. Syage . 1995. Detailed characterization of minimum ignition energies of combustible gases using laser ignition sources. 8th Symposium (International) on Transport Phenomena in Combustion. San Franscisco, CA. 176–184.
  27. Rebrov, S. G., V. A. Golubev, A. N. Golikov, and A. E. Morgunov . 2022. Issledovanie vliyaniya parametrov toplivnykh smesey kislorod–vodorod i kislorod–metan na vozmozhnost’ lazernogo zazhiganiya [Investigation of the influence of parameters of oxygen–hydrogen and oxygen–methane mixtures on the possibility of laser ignition]. Goren. Vzryv (Mosk.) — Combustion and Explosion 15(4):10–18. doi: 10.30826/CE22150402.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Figure 1: Model combustion chamber: 1 — mixing head; 2 — laser ignition module; 3 — unit for side mounting of ignition module on the combustion chamber; 4 — combustion chamber; 5 — nozzle; 6 — seat for axial mounting of ignition module; 7 — plug; and points Nos. 1–3 refer to the possible ignition zones. Dimensions are in millimeters

Download (439KB)
Indexing metadata
3. Figure 2: Mixing head of the model combustion chamber: 1 — three oxidizer supply holes; and 2 — 24 fuel supply holes

Download (255KB)
Indexing metadata
4. Figure 3: Calculation grid model

Download (225KB)
Indexing metadata
5. Figure 4: Predicted distributions of fuel mass fraction at different times: (a) 0.01 s; (b) 0.5; and (c) 1 s

Download (205KB)
Indexing metadata
6. Figure 5: Predicted vector field of flow velocities at different times: (a) 0.01 s; (b) 0.5; and (c) 1 s

Download (513KB)
Indexing metadata
7. Figure 6: Predicted time histories of the oxidizer-to-fuel ratio (a) and flow velocity (b) in ignition zones: 1–3 — points 1 to 3

Download (364KB)
Indexing metadata
8. Figure 7: Measured time histories of the operation parameters of the combustion chamber during the test fire with fuel feed advance: 1 — combustion chamber pressure; 2 — fuel consumption; 3 — oxidizer consumption; 4 — laser photosensor; and 5 — combustion chamber photosensor

Download (142KB)
Indexing metadata

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».