CC BY
49
УДК 621.762.212.001
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ИНИЦИИРОВАННОГО ГОРЕНИЯ БЕДНЫХ ВОДОРОДО-ВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ МЕТОДОМ СКОРОСТНОЙ КИНОСЪЕМКИ
РУБЦОВ Н.М., *КОТЕЛКИН В.Д., СЕПЛЯРСКИЙ Б.С., ЧЕРНЫШ В.И., ЦВЕТКОВ Г.И.
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, 142432, Московская область, г. Черноголовка, ул. Институтская, д. 8 *Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, 119991, г. Москва, Ленинские Горы, д. 1, Главное здание
АННОТАЦИЯ. Экспериментально показана возможность многократного инициирования искрой распространения пламени в водородо-воздушной смеси с содержанием (И2 < 10 %) в замкнутом реакторе. Численные расчеты в приб лижении Буссинеска с учетом кинетических особенностей окисления водорода находятся в хорошем качественном согласии с наблюдаемыми на опыте закономерностями.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: горение, бедные смеси, ячеистые пламена, приближение Буссинеска, концентрационный предел, распространение пламени, водородо-воздушный.
В последнее время большое внимание уделяется использованию водородсодержащих топлив в автомобильной промышленности и силовых установках. Однако, широкое применение водородного топлива ограничено высокой взрывоопасностью его смесей с воздухом. Кроме того, очень важным является обеспечение стабильности распространения фронта горения, что необходимо не только для практических приложений, но представляет интерес с точки зрения нелинейной динамики [1 - 3]. В этой связи особенный интерес представляет горение бедных водородо-воздушных смесей вблизи нижнего концентрационного предела. Для этих смесей характерна неоднородность фронта горения, обусловленная высоким коэффициентом диффузии молекулярного водорода и приводящая к возникновению ячеек пламени [1 - 4]. В [5] было показано, что в отсутствие силы тяжести также наблюдается неоднородность горения бедных смесей водорода с воздухом. Распространение ячеек пламени в бедных смесях водорода с воздухом изучали в узких трубах, при этом было установлено, что в направлении силы тяжести предел распространения в бедной смеси по горючему меньше, чем в обратном направлении [3], при этом имеет место недогорание горючего.
В связи со сказанным представляет интерес экспериментальное выявление областей концентрации бедных смесей, в которых определяющую роль играет как термодиффузионная неустойчивость фронта пламени, так и гидродинамическая неустойчивость пламени в поле силы тяжести. В настоящей работе для решения этого вопроса использовали метод скоростной киносъемки. Поскольку температуры горения бедных смесей невысоки [1], использование теневого и шлирен методов [2] для исследования горения таких смесей методически осложнено. Цветная киносъемка, в отличие от теневого метода, когда регистрируется только область резкого изменения плотности газа в волне горения, обладает большей чувствительностью, т. к. интенсивность излучения определяется наличием в пламени неравновесных концентраций активных частиц. Этот метод позволяет изучать динамику изменения положения зоны реакции в пространстве и во времени с большей точностью.
Из литературы известно, что компьютерный анализ полной системы трехмерных уравнений неразрывности, движения и энергии для сжимаемой ньютоновской среды (см., например, [4]), а также химической кинетики не всегда приводит к однозначному описанию газового горения. Например, результаты расчетов процессов турбулентного
горения зависят от выбора модели турбулентности [4]. С другой стороны, использование аналитических выражений для средней скорости распространения бедных водородо-воздушных пламен на основе приближенного анализа структур из сферических ячеек пламени ("flame balls") [1] базируется на ряде предположений, экспериментальная проверка которых затруднена. Поэтому в настоящей работе наряду с получением новых экспериментальных результатов по распространению пламен в бедных смесях осуществлено также численное моделирование горения бедных смесей с рассмотрением термодиффузионной неустойчивости фронта пламени, и гидродинамической неустойчивости пламени в поле силы тяжести.
Целью настоящей работы являлось экспериментальное установление закономерностей инициированного горения бедных водородо-воздушных смесей при атмосферном давлении методом скоростной киносъемки, а также численное моделирование этого процесса. Отметим, что для упрощения описания конвективного движения газа в процессе горения использовали модель термической конвекции в приближении Буссинеска [6, 7].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Эксперименты проводили со смесями: 4 % СС14 + 7,5 % Н2 + 88,5 % воздух; 4 % СС14 + 8 % Н2 + 88 % воздух и 4 % СС14 + 11 % Н2 + 85 % воздух. 4 % четыреххлористого углерода (СС14) добавляли в смесь для визуализации водородного пламени. Отметим, что добавка СС14 до 5 % и других фреонов для бедных смесей является инертной и не проявляет ингибирующего действия на горение водорода с воздухом [2].
Эксперименты проводили в горизонтальном цилиндрическом реакторе из нержавеющей стали длиной 25 см и диаметром 12 см, снабженном съемными крышками и окном из оптического кварца диаметром 10 см на торце. В центре реактора располагали электроды искрового зажигания, расстояние между которыми составляло 0,5 мм.
Эксперименты проводили в следующей последовательности. Горючую смесь составляли непосредственно в реакторе, при этом напускали сначала пары CC14, потом водород и воздух до атмосферного давления. Как было установлено ранее [8] для полноты перемешивания достаточно выдержать смесь в реакторе в течение 20 мин. Затем проводили инициирование искрой. Регистрацию воспламенения и распространения пламени осуществляли через оптическое окно скоростной кинокамерой Casio Exi1im F1 Pro со скоростью 60 кадров/с с разрешением Fu11 HD. Полученный видеофайл записывали в память компьютера и затем проводили его покадровую обработку.
Перед каждым опытом реактор вакуумировали с использованием форвакуумного насоса 2НВР-5Д. Для высокой точности составления газовых смесей использовали образцовый вакуумметр (до 1 атм), газоразрядный манометр ВДГ-1 (до 100 Торр) и вакуумметр ВИТ-2 (до 10-2 Торр). Газ Н2, а также жидкий СС14 (давление насыщенного пара равно 170 Торр при 298 К) использовали марки ХЧ.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1, а, в представлены типичные результаты киносъемки (частота кадров 60 кадров/с) процесса формирования и распространения ячеистых пламен при центральном инициировании, для смесей 4 % СС14 + 7,5 % Н2 + 88,5 % воздух (а); 4 % СС14 + 8 % Н2 + 88 % воздух (б) и 4 % СС14 + 11 % Н2 + 85 % воздух (в) при начальной температуре Т0 = 298 К и энергии искрового разряда Е0 = 1,5 Дж. Как видно из рисунка, хорошо визуализируются ячейки горения, представляющие собой светлые пятна. При киносъемке горения смесей (7,5 и 8 % водорода в воздухе) наблюдалось движение фронта пламени к верхней части реактора (рис. 1, а, б). Для этих смесей на этапе инициирования (кадры 1-5) фронт пламени имеет сферическую форму.
В процессе горения форма фронта пламени изменяется, и он приобретает форму полусферического сегмента, движущегося вверх (кадры 6-15).
□ * в ч Г §
1 т в
а - 7,5 % Н2 + 92,5 % воздух, То = 298 К, Ео = 1,5 Дж
Ш а Ц в & В № и ш
т, .".¿Г Л-..■• ш В ш Ш Щ ш
% !*? ш ■КГ:*.: - ■■Щ', ЕЕ уШ* [1 ЕЕ №
* ЕЕ в ш ЕВ ш
б - 8 % Н2 + 92 % воздух, Т0 = 298 К, Е0 = 1,5 Дж
в - 11 % Н2 + 89 % воздух, То = 298 К, Ео = 1,5 Дж
Рис. 1. Киносъемка процесса распространения ячеистого фронта пламени с частотой 60 кадров/с. Цифра на кадре соответствует номеру кадра при съемке
Авторами было обнаружено, что после прекращения свечения фронта пламени горение в такой смеси может быть инициировано еще раз том же месте искровым разрядом той же энергии (кадр 40 рис. 1, а и кадр 39 рис. 1, б). При повторном инициировании количество ячеек и скорость фронта горения приблизительно такие же, как и при первом воспламенении (кадр 41 - 44 рис. 1, а и кадр 40-43 рис. 1, б). Полученный результат указывает на необходимость учета возможности повторного воспламенения бедных водородо-воздушных смесей при разработке систем пожаробезопасности.
Было также установлено, что в наиболее богатой смеси (11 % Н2 + 89 % воздух) фронт ячеистого горения распространяется во все стороны практически с одинаковой скоростью (рис. 1, в), причем приблизительно в 4 раза быстрее, чем для смесей, содержащих 7,5 % и 8 % водорода в воздухе (рис. 1. а, б). Полученный результат дает основание полагать, что при концентрации водорода в воздухе более 10 %, скорость пламени возрастает настолько, что конвективное движение среды практически не оказывает влияния на величину скорости пламени в разных направлениях. Отметим, что в этой смеси, горящей "симметрично", повторное распространение фронта горения не наблюдается.
Наряду с экспериментальными исследованиями формирования и распространения ячеистых пламен при центральном инициировании бедных водородо-воздушных смесей проводили численное моделирование этого процесса. Рассматривали плоскую двухмерную задачу. Для описания конвективного движения газа в процессе горения использовали модель термической конвекции в приближении Буссинеска [6, 7]. Считали, что изменения плотности р вызываются изменениями температуры Т (р - начальная плотность, в — коэффициент объёмного расширения среды):
Р = Ро + Р $Р<<Ро , $Р = -Ро в-Т. (1)
В соответствии с приближением Буссинеска изменение плотности учитывается только в уравнениях движения и игнорируется в уравнении неразрывности. Тогда (после вычета гидростатического давления р0 = р^И) двухмерные уравнения движения и неразрывности в размерных переменных имеют вид (§■ = 980 см/с - ускорение свободного падения, и, V -компоненты скорости течения).
С дV „ дУ дУ ^
Р
-+ 3— + V—
дг дх ду
= - Ур + еувТРо +ПАУ, V-V = 0, (2)
— + и — + V— = %-АТ + . (3)
где V = У(и, V) скорость среды; еу - единичный вектор в вертикальном направлении.
Распределение температуры в газе описывается уравнением теплопроводности (X - коэффициент температуропроводности; q - источники тепловыделения, поделенные на ср).
дТ дТ дТ
--+ и--+ V—
дг дх ду
Распределения концентраций химических компонент описываются соответствующими диффузионно-кинетическими уравнениями (П - коэффициент диффузии; Жу - скорости реакций)
дС + идС + VдС = ПАСг + ТЖп . (4)
дг дх ду гг У 4 ^
Индекс «г» соответствует выбранному номеру химического компонента, а индекс «у» выбранному номеру химической реакции. Введем безразмерные переменные:
^ х у г и V п Т - Т0 р Сг
£ = —, $ = —, Т = —, 3 =—, v = —, в =--,п = —, Уг =7—'—, (5)
V V г/ V0 V0 тс - Т0 р г [и2 \ У)
где Ь0, г0, V0, Т0, Р 0 - характерные масштабы длины, времени, скорости, температуры и
давления; Тс - адиабатическая температура горения меси заданного состава; Т0 - начальная температура. В безразмерных переменных система (2 - 4), примет вид:
(
Re
дЧ „ дЧ дЧ — + 3— + V-
дт дд
Л
= - Уп + еЯав + АЧ
V- V = 0;
1
дв п дв дв — + 3 — + V— = дт дд Ре
дГ
-Ав + £а ;
дГ дГ 1 + 3^ + vдYL = АГ +Т КГ
дт дд ' ^ у у
где использованы традиционные Рейнольдса - Яе и Пекле - РеТ, Ре,
Ре,
обозначения для
критериев подобия Рэлея -
Яа =
'Т '
Р>&в'1'>К
Яе =
Ро ЦГ»
Рет = &
Ре = Цй
1 д
(6)
(7)
(8) Яа,
(9)
пх п "
Вычисления проводили в декартовых координатах с использованием равномерной сетки (513^513 узлов). Конечно-разностная аппроксимация производных, входящих в уравнения (6) - (8), имела второй порядок точности. Расчет компонентов скорости, т. е. интегрирование уравнений (6), проводится в два этапа, подробное описание которых изложено в [9]. Сначала уравнения движения интегрируются без учета сил давления, и находится промежуточное поле скоростей, а затем, исходя из условия несжимаемости, находится потенциальная добавка к промежуточному полю скоростей, соответствующая действию градиента давления. Поле давления находится в результате решения эллиптической краевой задачи для уравнения (6), которое получается из условия несжимаемости в результате подстановки промежуточного поля скоростей [10]. После окончательного вычисления поля скоростей проводится численное интегрирование уравнений (7), (8), в результате которого находятся новые значения температуры и концентраций. На боковых границах расчетной области требовалось равенство нулю нормальных производных (условие зеркальной симметрии). Для решения эллиптической краевой задачи использовалась мультигридная методика [11]. Интегрирование параболических уравнений (7), (8) осуществлялось модифицированным попеременно треугольным методом [12], обеспечивающим второй порядок точности по временной и пространственным переменным.
Цель исследования состояла в установлении с помощью описанного метода возможности моделирования ячеистого режима горения, увеличения количества ячеек с ростом содержания Н2 в смеси, возможности вторичного инициирования ячеистого пламени в смеси, в которой уже произошло горение.
Редуцированный кинетический механизм горения водорода при атмосферном давлении представляли в следующем виде [13]:
Н2 + О2 ^ 2 ОН (0)
ОН + Н2 ^ Н2О + Н (1)
Н + О2 ^ ОН + О (2)
О + Н2 ^ ОН + Н (3)
Н + О2 + М ^ НО2 + м (4)
Н + НО2 ^ 2 ОН (5)
Н2+ НО2 ^ Н2О2 + н (6)
ОН + О ^ Н + О2 (7)
О + НО2 ^ ОН + О2 (8)
ОН + НО2 ^ Н2О + О2 (9)
2 НО2 ^ Н2О2 + О2 (10)
Н2О2 + М ^ 2 ОН + М (11)
н + н + м ^ н2 + м (12)
к0 = 1,92-1014 ехр(-21890/Т) см7(молек-с) [14] к = 4,63-1012ехр(-2100/Т) см3 / (молек-с) [15] к2 = 1,99-1014ехр(-8460/т) см3 / (молек-с) [1б] к3 = 1,88-1014ехр(-6897/т) см3 / (молек-с) [16 ] к4 = 6,47-1015(Т/298)"°'8 см6 / (молекЧ)[17] к5 = 1,69-1014ехр(-440/Т) см3 / (молек-с) [16] к6 = 3• 1013ехр(-14400/Т) см3 / (молек-с) [16] к7 = 9,29-1012 см3 / (молек-с) [18] к8 = 3,25-1013 см3 / (молек-с) [16] к9 = 2,89-1013ехр(250/Т) см3 / (молек-с) [17] к10 =24012 см3 / (молек-с) [19] к11 = 1,3^017 ехр(-22750/Т) см3 / (молек-с) [20]
ч15
3
к12 = 2,2-10 см6 / (молек2-с) [17]
Этот механизм и приведенные значения кинетических констант не изменяли в ходе
расчета. Как известно, распространение волны горения может рассматриваться без учета
реакции зарождения цепей [21], что было учтено при записи кинетического механизма
окисления водорода. Для простоты представления кинетических уравнений в безразмерных
переменных характерные масштабы времени, длины и скорости процесса были выбраны
следующим образом: ю = 1/(к10[Н2]0), Х0 = у0= ^3/к1°[Н2]0)1/2, Ч0 = х^ = (Dз к10[Н2]0)1/2, 0 12
54 = х^3, где к1 = 4,63'10 - предэкспоненциальный множитель реакции (1), D3 -коэффициент диффузии Н2. Безразмерные переменные и параметры приняли вид т = £ = х/х0, £ = у/у0, Yi = [концентрация г-го компонента]/ [Н2]0. Кр - безразмерная константа скорости реакции, в выражении для Кр экспоненциальная зависимость константы скорости от температуры принимает вид ехр(-Б/[9(Тс-Т0)+Т0]). Для бимолекулярной реакции Кр = кр/к10, где р соответствует номеру реакции (р ^ 4,12). Для тримолекулярной реакции Кр = кр[Н2]0/к10, где р = 4,12. Безразмерные коэффициенты диффузии 50, 81, 52, 83, 85, 86, 87 (81 = Di/D3, i = 0 - 6) в водородо-воздушной смеси относятся соответственно к ОН, О, Н, Н2,О2, НО2, Н2О2. Например, уравнение теплопроводности в безразмерных переменных для приведенного выше механизма имеет вид:
{а2п Д2
д2 в д2 в) [Н2]0
дт + д£+ уд^" 4и^2V2У\срр{тс-т
+-г- +
р р т п
р т,п
Здесь Ср - средневзвешенная теплоемкость при постоянном давлении 0,25 кал/(г-град) [22]; 87 безразмерная температуропроводность смеси, считается, что 84 ~ 85, р - плотность газовой смеси, гсм3, М = 760-1019/Т, Т - температура (К). Тепловые эффекты элементарных реакций Qp и коэффициенты диффузии были взяты из [23, 24]. Индексы т, п при безразмерных концентрациях реагентов, которые меняются от 0 до 6, относятся соответственно к безразмерным концентрациям следующих реагентов: ОН, О, Н, Н2, О2, НО2, Н2О2. Индекс р при безразмерных константах скорости Кр = кр/к10 меняется от 0 до 12, причем значение индекса соответствует номеру реакции в кинетическом механизме горения водорода.
Очаг инициирования задавали эллипсом с осями 20*30 узлов (рис. 2, а, б) в котором безразмерная концентрация атомов водорода и безразмерная температура полагались равными 0,4^0,6. В участке расчетной области вне очага концентрации всех промежуточных продуктов полагали равными нулю, температуру равной начальной (300 К), концентрацию водорода 6 и 8 % в воздухе, содержание кислорода в котором составляло 21 %.
Таким образом, для процесса инициированного воспламенения решение системы уравнений (6 - 8) удовлетворяет следующим начальным условиям вне области инициирования:
0 < £< Ц, 0 < С < Ц , т= 0: Г, (0,£ С) = 0 (г Ф 3,4), ¥3(0,1 С) = /н2, П(0,£ О = /02;
Т(0,£ С) = 300 К.
Граничные условия: 0 < £< Ц: Т(т,£0) = 300 К, Т(т,£ Ь) = 300 К;
0 < Ц: Т(т,0,О = 300 К, Т(т,Ц, С) = 300 К.
Считалось, что на границе канала отсутствует гибель активных центров:
- 0,
где Ц - безразмерные длина и ширина канала, /Н2, /02 - содержания исходных реагентов в смеси.
Вычисленные профили атомов водорода во фронте ячеистых пламен в водородо-воздушной смеси для содержаний Н2 = 6 и 8 % приведены на рис. 2, а и 2, б, соответственно. Оттенок серого цвета на рис. 2 определяет пространственное распределение концентраций атомов водорода, более светлый цвет соответствует большему значению концентрации.
"дГ (т,£,С) = 0- ~дГ (т,£,С)~
1_ дС ] Ц 1 д£ ]
в
а) 6 % Н2 + 94 % воздух, Т0 = 298 К. Временной интервал между кадрами 1-11, 12-16 составляет ~ 0,04 с, между кадрами 8 и 9 - 0,5 с
^ б) 8 % Н2 + 92 % воздух, Т0 = 298 К.
ЕЭи Временной интервал между кадрами 1-10, 11-13 составляет ~ 0,01 с,
между кадрами 10 и 11 - 0,5 с
1
Рис. 2. Расчет процесса распространения ячеистого фронта пламени
Отметим, что наилучшее совпадение с экспериментальными данными рис. 1, а и 1, б по динамике развития фронта горения и количеству образовавшихся ячеек достигается при концентрации водорода в воздухе 4 % и 6 %, соответственно. Укажем, что для приведенной кинетической схемы величина нижнего концентрационного предела распространения
ламинарного пламени окисления водорода при атмосферном давлении составляет 5 % [25]. Для описанной выше модели, в которой учитывалось влияние конвекции на процесс распространения пламени, величина нижнего концентрационного предела окисления водорода оказалась равной 2 %, что находятся в качественном согласии с [3] где показано, что предел распространения пламени при движении пламени в направлении силы тяжести ниже, чем при движении пламени в обратном направлении. Из литературы [26] также известно, что величина нижнего предела может достигать 3 % в зависимости от мощности инициирования и методики регистрации. Следует отметить, что использованная в настоящей работе модель не описывает режим распространения фронта ячеистого горения практически с одинаковой скоростью во все стороны для концентраций водорода в смеси > 10 %, а именно влияние конвекции оказалось существенным и для горения при концентрациях водорода > 10 %. Данный результат указывает на ограничения применимости приближения Буссинеска для анализа распространения пламени в бедных смесях при увеличении содержания водорода. Вместе с тем, из рис. 2 видно, что в расчете удалось осуществить качественное описание опытных закономерностей (рис. 1, а, б), а именно ячеистого режима горения, увеличения количества ячеек с ростом содержания Н2 для смесей с [Н2] < 8 % и возможности вторичного инициирования ячеистого пламени в смеси, в которой уже происходило горение (кадр 12 рис. 2, а и кадр 11 рис. 2, б).
Возможность вторичного инициирования обусловлена тем, что движение фронта пламени и нагретых продуктов реакции к верхней части реактора приводит к обогащению водородом газа в нижней части реактора, в которой газовая смесь опять становится горючей. Сказанное иллюстрирует рис. 3, на котором представлен результат расчета концентрации Н2 в процессе распространения ячеистого фронта пламени, соответствующий "кадрам" 1216 рис. 2, а.
Укажем, что полученные результаты расчетов находятся в качественном соответствии с выводами теории диффузионно-тепловой устойчивости пламен [1 - 3]. Так, если в расчетах положить все коэффициенты диффузии равными друг другу и коэффициенту температуропроводности (диффузионно-тепловая неустойчивость отсутствует), то наблюдается распространение гладкого пламени "вверх", а не ячеистые режимы горения, приведенные на рис. 2, а, б.
В расчетах исследовали влияние природы наиболее быстро диффундирующей частицы на закономерности распространения бедных водородо-воздушных пламен. При этом в расчете положили коэффициент диффузии ОН равным коэффициенту диффузии атомов Н, и одновременно коэффициент диффузии Н положили равным коэффициенту диффузии радикалов ОН, т. е. радикалы ОН стали наиболее быстро диффундирующими частицами. Однако, ни ячеистый характер пламени, ни скорость его распространения заметно не изменились. Это означает, что в рамках проведенного расчета закономерности распространения бедных водородных пламен не зависят от природы наиболее быстро диффундирующего промежуточного продукта, а определяются величиной коэффициента диффузии исходного компонента, находящегося в недостатке [2, 3].
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект №10-08—00305а).
Рис. 3. Расчет концентрации Н2 в процессе распространения ячеистого фронта пламени, соответствующий "кадрам" 12-16 рис. 2, б. 6 % Н2 + 94 % воздух, Т0 = 298 К
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Williams F.A., Grcar J.F. A hypothetical burning-velocity formula for very lean hydrogen-air mixtures // Proc. of the Combustion Institute. 2009. V.32, №1. P.1351-1360.
2. Lewis B., Von Elbe G. Combustion, Explosions and Flame in Gases. New York, London : Acad. Press, 1987, 566 p.
3. Зельдович Я.Б. Избранные труды. Химическая физика и гидродинамика / под ред. ак. Ю.А. Харитона. М. : Наука, 1984, 379 с.
4. Макаров Д.В., Мольков В.В. Моделирование динамики газового взрыва в невентилируемом сосуде методом крупных вихрей // Физика горения и взрыва. 2004. T.40, №2. С.13-25.
5. Ronney P.D. Near-limit flame structures at low Lewis number // Comb. and Flame. 1990. V.82. P.1-14.
6. Rayleigh J.W. On convection currents in a horizontal layer of fluid, when the higher temperature is on the under side // Phil. Mag. 1916. V.32. P.529-546.
7. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т.6. Гидродинамика. М. : Наука, 1986. 736 с.
8. Рубцов Н.М., Сеплярский Б.С., Цветков Г.И. и др. Влияние паров металлоорганических соединений на процессы воспламенения и горения водорода, пропилена и природного газа // Теоретические основы химической технологии. 2009. Т.43, №2. С.187-193.
9. Chorin A.J. A numerical method for solving incompressible viscous flow problems // J. Comp. Phys. 1967. V.2. P.12-26.
10. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. М. : Наука, 1989. 608 с.
11. Wesseling P. An introduction to Multigrid methods. New York : Wiley, 1992. 284 p.
12. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы математической физики. М. : Научный мир, 2000. 306 с.
13. Rubtsov N.M., Seplyarskii B.S., Chernysh V.I. et al. Investigation into self-ignition in chain oxidation of hydrogen, natural gas and isobutene by means of high-speed colour cinematography // Mend. Comm. 2009. V.19. 346-349.
14. Азатян В.В., Александров Е.Н., Трошин А.Ф. О скорости зарождения цепей в реакциях горения водорода и дейтерия с кислородом // Кинетика и катализ. 1975. Т.16, №2. С.306-311.
15. Atkinson R., Baulch D.L., Cox R.A. et al. Evaluated kinetic and photochemical data for atmospheric chemistry: supplement VI. IUPAC subcommittee on gas kinetic data evaluation for atmospheric chemistry // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1997. V.26. Р.1329-1499.
16. Baulch D.L., Cobos C.J., Cox R.A. et al. Evaluated kinetic data for combustion modeling // J. Phys. Chem. Ref. Data, 1992. V.21. P.411-736.
17. Ryu S-O., Hwang S.M., Rabinowitz M.J. et al. Rate coefficient of the OCH via shock-tube laser absorption spectroscopy // Chem. Phys. Lett. 1995. Р.242-279.
18. Baulch D.L., Bowman C.T., Cobos C.J. et al. Evaluated Kinetic Data for Combustion Modelling: Supp. II // J. Phys. Chem. Ref. Data. 2005. V.34. Р.566.
19. Yang H., Gardiner W.C., Shin K.S. et al. Shock tube study of the rate coefficient of H + O2 - OH + O // Chem. Phys. Lett. 1994. V.231. P.449.
20. Park Y.K. and Vlachos D.G. Chemistry reduction and thermokinetic criteria for ignition of hydrogen-air mixtures at high pressures // J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1998. V.94. Р.735-743.
21. Посвянский В.С. Скорость и пределы распространения изотермических пламен : дис... канд. физ.-мат. наук. М., Институт химической физики АН СССР, 1976. 134 с.
22. Таблицы физических величин / справочник / под ред. Е.К. Кикоина. М. : Атомиздат, 1976. 1007 с.
23. Hitch B.D., Senser D.W. Reduced H2-O2 mechanisms for Use in Reacting Flow Simulation / AIAA-88-0732, Presented at the Aerospace Sciences Meeting. Reno : NV, 1988. 11 p.
24. Коннов А.А.. Refinement of the Kinetic Mechanism of Hydrogen Combustion // Химическая физика. 2004. Т.23. С.5-12.
25. Rubtsov N.M., Seplyarsky B.S., Tsvetkov G.I. et al. Nimerical investigation of the effects of surface recombination and initiation for laminar hydrogen flames at atmospheric pressure // Mendeleev Communications. 2008. V.1. P.220-222.
26. Cashdollar K.L., Zlochower I.A., Green G.M. et al. Flammability of methane, propane, and hydrogen gases // Journal of loss prevention in the Process industries. 2000. V.13, №3-5. P.327-340.
INVESTIGATION INTO FEATURES OF INITIATED COMBUSTION OF LEAN HYDROGEN - AIR MIXTURES AT ATMOSPHERIC PRESSURE BY MEANS OF HIGH-SPEED CINEMATOGRAPHY
Rubtsov N.M., *Kotelkin V.D., Seplyarsky B.S., Chernysh V.I., Tsvetkov G.I.
Institute of Structural Makrokinetics and Problems of Materials Science (ISMAN) of the Russian Academy of Sciences, Chernogolovka, Moscow Region, Russia
*Moscow State University, Faculty of Mechanics and Mathematics, Moscow. Russia
SUMMARY. The possibility of repeated spark ignition of flame propagation in lean hydrogen - air mixtures containing H2<10% in closed reactor volume is experimentally shown. Numerical simulations in Boussinesq approximation taking into account kinetic regularities of hydrogen oxidation are in good qualitative agreement with experimentally observed combustion features.
KEYWORDS: combustion, lean mixtures, cellular flames, Boussinesq approximation, concentration limit, flame propagation, hydrogen-air.
Рубцов Николай Михайлович, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник ИСМАН, тел. (495)485-99-09, e-mail: [email protected]
Котелкин Вячеслав Дмитриевич, доктор физико-математических наук, профессор, Механико-математический факультет МГУ, e-mail: [email protected]
Сеплярский Борис Семенович, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией ИСМАН, e-mail: [email protected]
Черныш Виктор Иосифович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИСМАН Цветков Георгий Игоревич, инженер ИСМАН
