Закономерности распространения пламени пропано-воздушной смеси в цилиндрическом канале

Закономерности распространения пламени пропано-воздушной смеси в цилиндрическом канале

Моисеева К. М., Крайнов А. Ю.
Сибирский журнал индустриальной математики, 26, 1(93), 108-117 (2023)
Скачать статью

УДК 536.46 
DOI: 10.33048/SIBJIM.2023.26.110

Аннотация:

Представлены результаты исследования горения пропано-воздушной смеси в цилиндрическом канале. Актуальность исследования связана с необходимостью изучения процессов распространения пламени в газовых смесях в условиях закрытых объёмов. Решение задачи выполнено численно для двухмерной осесимметричной постановки. Метод решения основан на методе Ван-Леера для расчёта потоков массы, импульса и энергии на гранях расчётных ячеек. Показано формирование тюльпанообразного пламени. Показано, что результаты численного исследования соответствуют данным эксперимента: формирование тюльпанообразного пламени возможно для смесей с составом, близким к стехиометрическому. Стадии формирования пламени соответствуют описаниям из литературы: расширяющееся в сторону боковой стенки пламя, вытянутое в осевом направлении пламя, пламя с «юбкой», тюльпанообразное пламя.

Литература:
  1. Nilsson E. J. K, van Sprang A., Larfeldt J., Konnov A. A. Effect of natural gas composition on the laminar burning velocities at elevated temperatures // Fuel. 2019. V. 253. P. 904–909.
     
  2. Li Y., Zhou C.-W., Somers K. P., et al. The oxidation of 2-butene: a high pressure ignition delay, kinetic modeling study and reactivity comparison with isobutene and 1-butene // Proc. Combustion Institute. 2017. V. 36. P. 403–411.
     
  3. Konnov A. A. Implementation of the NCN pathway of prompt-NO formation in the detailed reaction mechanism // Combustion and Flame. 2009. V. 156. P. 2093–2105.
     
  4. Shen X., He X., Sun J. A comparative study on premixed hydrogen–air and propane–air flame propagations with tulip distortion in a closed duct // Fuel. 2015. V. 161. P. 248–253.
     
  5. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. М.: Мир, 1968.
     
  6. Moiseeva K. M., Krainov A. Yu., Krainov D. A. Numerical investigation on burning rate of propane-air mixture // IOP Conf. Ser. Materials Sci. Engrg. 2019. V. 696. Article 012011.
     
  7. Моисеева К. М., Крайнов А. Ю. Искровое зажигание горючих газов и газовзвесей. Томск: изд. STT, 2020. 
     
  8. Щетинков Е. С. Физика горения газов. М.: Наука, 1965.
     
  9. Van Leer B. Towards the ultimate conservative difference scheme. Second-order sequel to Godunov’s method // J. Comput. Phys. 1979. V. 32, N 1. P. 101–136.
     
  10. Годунов С. К., Забродин А. В., Иванов М. Я. и др. Численное решение многомерных задач газовой динамики. М.: Наука, 1976.
     
  11. Clanet C., Searby G. On the «tulip flame» phenomenon // Combustion and Flame. 1996. V. 105. P. 225–238.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект 21-71-10034)

К. М. Моисеева
  1. Томский государственный университет, 
    просп. Ленина, 36, г. Томск 634050, Россия

E-mail: : MoiseevaKM@mail.tsu.ru

А. Ю. Крайнов
  1. Томский государственный университет, 
    просп. Ленина, 36, г. Томск 634050, Россия

E-mail: akrainov@ftf.tsu.ru

Статья поступила 01.08.2022 г. 
После доработки — 01.08.2022 г.
Принята к публикации 29.09.2022 г.

Abstract:

The paper presents the results of a study of the combustion of a propane-air mixture in a cylindrical channel. The relevance of the study is related to the need to study the processes of flame propagation in gas mixtures in closed volumes. The problem is solved numerically for a two-dimensional axisymmetric formulation. The solution method is based on the Van Leer method for calculating mass, momentum, and energy fluxes on the faces of computational cells. The formation of a tulip-shaped flame is shown. It is shown that the results of the numerical study correspond to the experimental data - the formation of a tulip-shaped flame is possible for mixtures with a composition close to stoichiometric. The stages of flame formation correspond to the descriptions from the literature: a flame expanding towards the side wall, an axially elongated flame, a skirted flame, a tulip-shaped flame.

References:
  1. Nilsson E. J. K, van Sprang A., Larfeldt J., Konnov A. A. Effect of natural gas composition on the laminar burning velocities at elevated temperatures. Fuel, 2019, Vol. 253, pp. 904–909.
     
  2. Li Y., Zhou C.-W., Somers K. P., et al. The oxidation of 2-butene: a high pressure ignition delay, kinetic modeling study and reactivity comparison with isobutene and 1-butene. Proc. Combustion Institute, 2017, Vol. 36, pp. 403–411.
     
  3. Konnov A. A. Implementation of the NCN pathway of prompt-NO formation in the detailed reaction mechanism. Combustion and Flame, 2009, Vol. 156, pp. 2093–2105.
     
  4. Shen X., He X., Sun J. A comparative study on premixed hydrogen–air and propane–air flame propagations with tulip distortion in a closed duct. Fuel, 2015, Vol. 161, pp. 248–253.
     
  5. Lewis B., Von Elbe G. Gorenie, plamya i vzryvy v gazakh [Combustion, flames and explosions of gases]. Moscow: Mir, 1968 (in Russian).
     
  6. Moiseeva K. M., Krainov A. Yu., Krainov D. A. Numerical investigation on burning rate of propane-air mixture. IOP Conf. Ser. Materials Sci. Engrg., 2019, Vol. 696, article 012011.
     
  7. Moiseeva K. M., Krainov A. Yu. Iskrovoe zazhiganie goryuchikh gazov i gazovzvesei [Spark ignition of combustible gases and gas suspensions]. Tomsk: STT Press, 2020 (in Russian).
     
  8. E. S. Shchetinkov Fizika goreniya gazov [The physics of the combustion of gases]. Moscow: Nauka, 1965 (in Russian).
     
  9. Van Leer B. Towards the ultimate conservative difference scheme. Second-order sequel to Godunov’s method. J. Comput. Phys., 1979, Vol. 32, No. 1, pp. 101–136.
     
  10. Godunov S. K. , Zabrodin A. V., Ivanov M. Ya., et al. Chislennoe reshenie mnogomernykh zadach gazovoi dinamiki [Numerical solution of multidimensional gas-dynamics problems]. Moscow: Nauka, 1976 (in Russian). 
     
  11. Clanet C., Searby G. On the «tulip flame» phenomenon. Combustion and Flame, 1996, Vol. 105, pp. 225–238.