Математическое моделирование распространения пламени в водород-воздушных смесях

Развитие водородной энергетики неразрывно связано с обеспечением водородной безопасности и исследованием процессов, протекающих при горении водород-содержащих смесей. Использование численного моделирования позволяет исследовать поведение системы в диапазонах изменения основных параметров, не покрытых экспериментальными данными. В данной работе представлена модель, позволяющая моделировать течения химически реагирующих сплошных сред, верифицированная на экспериментальных данных по распространению пламени в ударной трубе с перегородками, заполненной водород-воздушной смесью.

Ключевые слова

водород; воспламенение; период индукции; кинетические модели.

Литература

1. Арутюнов, В.С. Проблемы и вызовы водородной энергетики / В.С. Арутюнов // Горение и плазмохимия. - 2021. - Т. 19, № 4. - С. 245-255.
2. Гельфанд, Б.Е. Водород: параметры горения и взрыва / Б.Е. Гельфанд, О.Е. Попов, Б.Б. Чайванов. - М.: Физматлит, 2008.
3. Dorofeev, S.B. Deflagration to Detonation Transition in Large Confined Volume of Lean Hydrogen-Air Mixtures / S.B. Dorofeev, V.P. Sidorov, A.E. Dvoinishnikov, W. Breitung // Combustion and Flame. - 1996. - V. 104, № 1-2. - P. 95-110.
4. Veser, A. Deflagration to Detonation Transition Experiments with Hydrogen-Air Mixtures in Shock Tube and Obstacle Array Geometries / A. Veser, W. Breitung, G. Engel, et al. - Karlsruhe: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 1999.
5. Баженова, Т.В. Ударноволновой механизм самовоспламенения водорода при внезапном истечении из резервуара под высоким давлением / Т.В. Баженова, М.В. Брагин, В.В. Голуб, М.Ф. Иванов // Теплофизика высоких температур. - 2007. - Т. 45, № 5. - С. 733-740.
6. Lu-Qing Wang. Experimental Study of Detonation Propagation in a Square Tube Filled with Orifice Plates / Lu-Qing Wang, Hong-Hao Ma, Zhao-Wu Shen, et al. // International Journal of Hydrogen Energy. - 2018. - V. 43, № 9. - P. 4645-4656.
7. Нигматулин, Р.И. Основы механики гетерогенных сред / Р.И. Нигматулин. - М.: Наука, 1987.
8. Ковалев, Ю.М. Анализ инвариантности некоторых математических моделей многокомпонентных сред / Ю.М. Ковалев, В.Ф. Куропатенко // Вестник ЮУрГУ. Серия: Математика. Механика. Физика. - 2012. - № 11. - С. 4-7.
9. Ковалев, Ю.М. Математическая модель газовзвеси с химическими превращениями в приближении парных взаимодействий / Ю.М. Ковалев, Е.Е. Пигасов // Вестник ЮУрГУ. Серия: Математическое моделирование и программирование. - 2014. - Т. 7, № 3. - С. 40-49.
10. Оран, Э. Численное моделирование реагирующих потоков / Э. Оран, Дж. Борис. - М.: Мир, 1990.
11. Варнатц, Ю. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ / Ю. Варнатц, У. Маас, Р. Диббл. - М.: Физматлит, 2006.
12. Гиршфельдер, Дж. Молекулярная теория газов и жидкостей / Дж. Гиршфельдер, Ч. Кертисс, Р. Берд. - М.: Издательство иностранной литературы, 1961.
13. Беляев, П.Е. Адаптация метода Куропатенко для расчета ударных волн в эйлеровых координатах / П.Е. Беляев, И.Р. Макеева, Е.Е. Пигасов, Д.А. Мастюк // Вестник ЮУрГУ. Серия: Математическое моделирование и программирование. - 2021. - Т. 14, № 1. - С. 83-96.
14. Рябинин, В.К. Математическое моделирование адиабатического периода индукции для метан-кислородных смесей в широком диапазоне начальных давлений и температур / В.К. Рябинин, Ю.М. Ковалев // Вестник ЮУрГУ. Серия: Математическое моделирование и программирование. - 2013. - Т. 6, № 1. - С. 56-71.
15. Пигасов, Е.Е. Математическое моделирование адиабатического теплового взрыва для реакции окисления водорода / Е.Е. Пигасов, В.К. Рябинин, Ю.М. Ковалев // Вестник ЮУрГУ. Серия: Математическое моделирование и программирование. - 2013. - Т. 6, № 3. - С. 130-135.
16. Зельдович, Я.Б. Математическая теория горения и взрыва / Я.Б. Зельдович, Г.И. Баренблатт, Б.Б. Либрович, Г.М. Махвиладзе. - М.: Наука, 1980.
17. Ибрагимова, Л.Б. Сравнительный анализ констант скоростей химических реакций, описывающих горение водородо-кислородных смесей / Л.Б. Ибрагимова, Г.Д. Смехов, О.П. Шаталов // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. - 2009. - Т. 8. - 25 c.
18. Димитров, В.И. Простая кинетика // В.И. Димитров. - Новосибирск: Наука, 1982.
19. Бабушок, В.И. Тестовые примеры моделирования кинетики сложных реакций / В.И. Бабушок, А.Н. Дакданча. - Красноярск, 1990.
20. Бабушок, В.И. Структура предела цепочно-теплового самовоспламенения / В.И. Бабушок, Т.В. Крахтинова, В.С. Бабкин // Кинетика и катализ. - 1984. - Т. 25, № 1. - C. 5-12.
21. Mullins, B.P. Studies of the Spontaneous Ignition of Fuels Injected into a Bot Air Stream / B.P. Mullins. - NATO AGARD AG S/P2, 1952.
22. Patch, R.W. Shock-Tube Measurement of Dissociation on Rates of H2-J Chem / R.W. Patch // Journal of Chemical Physics. - 1962. - V. 36, № 7. - 6 p.
23. Porowski, R. Experimental Study on DDT for Hydrogen-Methane-Air Mixtures in Tube with Obstacles / R. Porowski, A. Teodorczyk // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. - 2013. - V. 26, № 2. - P. 374-379.
24. Kee, R.J. Chemkin-III: A Fortran Chemical Kinetics Package for the Analysis of Gas-Phase Chemical and Plasma Kinetics / R.J. Kee, F.M. Rupley, E. Meeks, J.A. Miller. - Springfield: Sandia National Laboratories, 1996.