Modeling of cellular detonation wave structure in stoichiometric dual-fuel mixture of synthesis-gas with oxidizer

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

A generalized two-step chemical kinetic model of detonation of dual-fuel stoichiometric mixture of synthesis-gas with oxidizer is presented. It allows calculation of heat release in the course of chemical reaction and variation of molar mass, internal energy, and specific heat ratio of the mixture without computation of its detailed chemical composition. An algorithm for calculating the induction period of chemical reaction in the mixture under consideration according to known formulae for calculating the induction period in single-fuel mixtures of carbon monoxide and hydrogen with an oxidizer has been developed. Two-dimensional numerical calculation of the multifront detonation wave structure in the mixture under consideration at different relations between fuels is performed. Chemical transformations are described by the proposed kinetic model. Detonation cell size and qualitative wave structure (including the transformation of the cellular structure from irregular to regular with the increase in hydrogen concentration) are shown to correspond well to experimental data.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Anatoliy V. Trotsyuk

M. A. Lavrent’ev Institute of Hydrodynamics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: trotsyuk@hydro.nsc.ru

Candidate of Science in physics and mathematics, senior research scientist

Russian Federation, 15 Lavrent’ev Prosp., Novosibirsk 630090

Pavel A. Fomin

M. A. Lavrent’ev Institute of Hydrodynamics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: pavel_fomin_new@mail.ru

Doctor of Science in physics and mathematics, senior research scientist

Russian Federation, 15 Lavrent’ev Prosp., Novosibirsk 630090

References

  1. Bykovskii, F. A., S. A. Zhdan, E. F. Vedernikov, and A. N. Samsonov. 2017. Scaling factor in continuous spin detonation of syngas–air mixtures. Combust. Explo. Shock Waves 53(2):187–198. doi: 10.1134/S0010508217020095.
  2. Austin, J. M., and J. E. Shepherd. 2003. Detonation in hydrocarbon fuel blends. Combust. Flame 132(1-2):73–90. doi: 10.1016/S0010-2180(02)00422-4.
  3. Gamezo, V. N., D. Desbordes, and E. S. Oran. 1999. Formation and evolution of two-dimensional cellular detonations. Combust. Flame 116(1-2):154–165. doi: 10.1016/S0010-2180(98)00031-5.
  4. Takeshima, N., K. Ozawa, N. Tsuboi, A. K. Hayashi, and Y. Morii. 2020. Numerical simulations on propane/oxygen detonation in a narrow channel using a detailed chemical mechanism: formation and detailed structure of irregular cells. Shock Waves 30:809–824. doi: 10.1007/s00193-020-00978-5.
  5. Tang-Yuk, K. C., X. C. Mi, J. H. S. Lee, H. D. Ng, and R. Deiterding. 2022. Transmission of a detonation wave across an inert layer. Combust. Flame. 236:111769. doi: 10.1016/j.combustflame.2021.111769.
  6. Fomin, P. A., A. V. Trotsyuk, and A. A. Vasil’ev. 2014. Approximate model of chemical reaction kinetics for detonation processes in mixture of CH4 with air. Combust. Sci. Technol. 186(10-11):1716–1735.
  7. Nikolaev, Yu. A., and D. V. Zak. 1988. Agreement of models of chemical reactions in gases with the second law of thermodynamics. Combust. Explo. Shock Waves 24(4):461–464. doi: 10.1007/BF00750021.
  8. Strickland-Constable, R. F. 1949. The burning velocity of gases in relation to the ignition delay. 3rd Symposium (International) on Combustion and Flame, and Explosion Phenomena 33(1):229–235.
  9. Nikolaev, Yu. A., A. A. Vasil’ev, and V. Yu. Ul’yanitskii. 2003. Gas detonation and its application in engineering and technologies. Combust. Explo. Shock Waves 39(4):382–410. doi: 10.1023/A:1024726619703.
  10. Vasil’ev, A. A. 2007. Detonation properties of the synthesis gas. Combust. Explo. Shock Waves 43(6):703–709. doi: 10.1007/s10573-007-0095-1.
  11. Lu, P. L., E. K. Dabora, and J. A. Nicholls. 1969. The structure of H2–CO–O2 detonations. Combust. Sci. Technol. 1(1):65–74. doi: 10.1080/00102206908952191.
  12. Strehlow, R. A., A. J. Crooker, and R. E. Cusey. 1967. Detonation initiation behind accelerating shock wave. Combust. Flame 11(4):339–351. doi: 10.1016/0010-2180(67)90023-5.
  13. Guirao, C. M., R. Knustautas, J. H. Lee, W. Benedick, and M. Berman. 1982. Hydrogen–air detonations. 19th Symposium (International) on Combustion Processes. Haifa, Israel. 583–590.
  14. Vasil’ev, A. A. 2007. Ignition delay in multifuel mixtures. Combust. Explo. Shock Waves 43(3):282–285. doi: 10.1007/s10573-007-0041-2.
  15. Starik, A. M., N. S. Titova, A. S. Sharipov, and V. E. Kozlov. 2010. Syngas oxidation mechanism. Combust. Explo. Shock Waves 46(5):491–506. doi: 10.1007/s10573-010-0065-x.
  16. Nikolaev, Yu. A., and M. E. Topchiyan. 1977. Analysis of equilibrium flows in detonation waves in gases. Combust. Explo. Shock Waves 13(3):327–338. doi: 10.1007/BF00740309.
  17. The NASA Computer program CEARUN (Chemical Equilibrium with Applications). Available at: https://cearun.grc.nasa.gov/index.html (accessed February 8, 2022).
  18. Trotsyuk, A. V. Numerical simulation of the structure of two-dimensional gaseous detonation of an H2–O2–Ar mixture. 1999. Combust. Explo. Shock Waves 35(5):549–558. doi: 10.1007/BF02674500.
  19. Godunov, S. K., ed. 1976. Chislennoe reshenie mnogomernykh zadach gazovoy dinamiki [Numerical solutions of multidimensional problems of gasdynamics]. Moscow: Nauka. 400 p.
  20. Yamamoto, S., and H. Daiguji. 1993. Higher-order-accurate upwind schemes for solving the compressible Euler and Navier–Stokes equations. Comput. Fluids 22(2/3):259–270. doi: 10.1016/0045-7930(93)90058-H.
  21. Daiguji, H., X. Yuan, and S. Yamamoto. 1997. Stabilization of higher-order high resolution schemes for the compressible Navier–Stokes equation. Int. J. Numer. Method. H. 7(2/3):250–274. doi: 10.1108/09615539710163293.
  22. Chakravarthy, S. R., and S. Osher. 1985. A new class of high accuracy TVD schemes for hyperbolic conservation laws. AIAA Paper No. 85-0363.
  23. Lin, S.-Y., and Y.-S. Chin. 1995. Comparison of higher resolution Euler schemes for aeroacoustic computations. AIAA J. 33:237–245.
  24. Batten, P., M. A. Leschziner, and U. C. Goldberg. 1997. Average-state Jacobians and implicit methods for compressible viscous and turbulent flows. J. Comput. Phys. 137(1):38–78.
  25. Coquel, F., and B. Perthame. 1998. Relaxation of energy and approximate Riemann solvers for general pressure laws in fluid dynamics. SIAM J. Numer. Anal. 35(6):2223–2249.
  26. Shen, J. W., and X. Zhong. 1996. Semi-implicit Runge–Kutta schemes for non-autonomous differential equations in reactive flow computations. AIAA Paper No. 96-1969.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Figure 1 Detonation cell size in a stoichiometric mixture of syngas with air (1 - α)CO + αH2 + 0.5(O2 + 3.76N2): 1–3 and 4 — experimental data of [2] and [13], respectively; 1 — no self-sustained detonation; and 2 — detonation limit (in terms of carbon monoxide concentration) above which no self-sustaining detonation is realized

Download (44KB)
Indexing metadata
3. Figure 2 Calculated (1) and measured [2] detonation cell size in a stoichiometric mixture of syngas with air (1 − α)CO + αH2 + 0.5(O2 + 3.76N2): 2 — detonation; 3 — no detonation; and 4 — detonation limit

Download (49KB)
Indexing metadata
4. Figure 3 Detonation wave structure in a stoichiometric mixture of hydrogen with air (α = 1): (a) flow field of normalized density; (b) numerical Schlieren-visualization; (c) temperature; and AA and BB — main transverse waves; H = a = 1.4 cm. Experiment [13]: a = 1.5 cm

Download (361KB)
Indexing metadata
5. Figure 4 Detonation structure in a stoichiometric mixture of syngas with air, 0.7CO + 0.3H2 + 0.5(O2 + 3.76N2): (a) flow field of normalized density; (b) numerical Schlieren-visualization; (c) temperature; AA and BB — main transverse waves; and aa, bb, and cc — secondary transverse waves; P1 and P2 indicate the pockets of unburned gas; H = a = 1.5 cm. Experiment [2]: a = 1.1–2.0 cm

Download (305KB)
Indexing metadata
6. Figure 5 Detonation wave structure in a stoichiometricmixture of syngas with air, 0.9CO+0.1H2 +0.5(O2 +3.76N2): (a) flow field of normalized density; (b) numerical Schlieren-visualization; (c) temperature; AA and BB — main transverse waves; and aa, bb, and cc — secondary transverse waves; P1 and P2 indicate the pockets of unburned gas; H = a = 2.5 cm. Experiment [2]: a = 2.0–4.0 cm

Download (287KB)
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».