Установление газодинамических и кинетических особенностей проникновения метано-кислородных пламён через препятствия путем использования 4D спектроскопии и скоростной киносъёмки


Просмотр статьи
PDF, 2,2 МБ

Establishment of gasdynamic and kinetic features of penetration of methane-oxygen flames through obstacles by the use of 4D spectroscopy and high-speed cinematography

It is experimentally shown that at penetration of a flame front (FF) through obstacles, gasdynamic factors, for example, turbulization of a flame can determine combustion kinetics, including transition of low-temperature hydrocarbon combustion to a high-temperature mode. It is established that FF after a single obstacle does not occur in close proximity to an obstacle, the first center of ignition can be observed far from an obstacle surface (“flame jump”). It is shown that the use of a net sphere as an obstacle leads to increase in the length of "jump" of FF behind an obstacle in comparison with a round opening. It is shown that two or more obstacles of both a spherical form and flat one considerably suppress FF propagation. It is experimentally shown that below a flame penetration limit of the diluted methane-oxygen mix through a flat obstacle with one opening, the flame does not penetrate through a diffuser, but penetrates through a confuser. Features of penetration of FF through rectangular openings in comparison with round ones by means of color speed filming and visualization of a gas stream are experi-mentally investigated. It is shown that the length of a "flame jump" behind an opening is mainly determined by the time of occurrence of the laminar to turbulent transition, rather than the period of ignition delay. The results obtained are important for the solution of problems of explosion safety for volumes of complex geometry.

hyperspectrometer, high-speed cinematography, flames, gasdynamic and kinetic features, methane-oxygen mixture, obstacle

Николай Михайлович Рубцов, Алексей Николаевич Виноградов, Александр Петрович Калинин, Алексей Игоревич Родионов, Игорь Дмитриевич Родионов, Кирилл Яковлевич Трошин, Георгий Игоревич Цветков, Виктор Иосифович Черныш

Том 17, выпуск 4, 2016 год



Экспериментально показано, что при проникновении пламени через препятствия газодинамические факторы, например, турбулизация пламени, могут определять кинетику процесса горения, в том числе переход низкотемпературного горения углеводорода в высокотемпературный режим. Установлено, что фронт пламени после одиночного препятствия не возникает в непосредственной близости от препятствия, первый очаг воспламенения может наблюдаться сравнительно далеко от поверхности препятствия. Показано, что использование сеточной сферы как препятствия приводит к увеличению длины "скачка" пламени за препятствием по сравнению с круглым отверстием. Показано, что два или больше препятствий как сферической, так и плоской формы заметно подавляют распространение пламени. Экспериментально показано, что ниже предела проникновения пламени разбавленной смеси метана с кислородом через плоское препятствие с одним отверстием, в случае препятствия в виде воронки пламя не проникает со стороны раструба воронки (диффузор), но проникает со стороны носика воронки (конфузор). Экспериментально исследованы особенности проникновения фронта пламени через прямоугольные отверстия в сравнении с круглыми с использованием цветной киносъемки и визуализации газового потока. Показано, что длина “скачка пламени” после отверстия в препятствии преимущественно определяется временем возникновения ламинарно-турбулентного перехода, а не периодом задержки воспламенения. Полученные результаты важны для решения проблем безопасности взрыва для объемов со сложной геометрией.

гиперспектрометр, скоростная киносъемка, горение, газодинамические и кинетические особенности, метано-кислородная смесь, препятствия

Николай Михайлович Рубцов, Алексей Николаевич Виноградов, Александр Петрович Калинин, Алексей Игоревич Родионов, Игорь Дмитриевич Родионов, Кирилл Яковлевич Трошин, Георгий Игоревич Цветков, Виктор Иосифович Черныш

Том 17, выпуск 4, 2016 год



1. S. Chakraborty, A. Mukhopadhyay, S. Sen, International Journal of Thermal Sciences, 2008, 47, 84.
2. G.K. Hargrave, S.J. Jarvis, and T.C. Williams, Meas. Sci. Technol., 2002, 13, 1036.
3. V. Polezhaev, S. Nikitin, Thermoacoustics and heat transfer in an enclosure induced by a wall heating // 16th International Congress on Sound and Vibration, Kraków, Poland, 5–9 July 2009, pp. 2‒8.
4. I.O. Moen, M.Donato, R. Knystautas and J.H. Lee, Combust. Flame, 1980, 39, 21.
5. S.S. Ibrahim and A.R. Masri, J. Loss Prev. in the Process Ind., 2001, 14, 213.
6. G.D. Salamandra, T.V.Bazhenova, I.M.Naboko, Zhurnal Technicheskoi fiziki, 1959, 29, 1354 (in Russian).
7. N. Ardey, F. Mayinger, Highly turbulent hydrogen flames, Proc. of the 1st Trabson Int. Energy and Environment Symp., Karadeniz Techn.Univ., Trabson,Turkey, 1996. 679.
8. B. Durst, N. Ardey, F. Mayinger, OECD/NEA/CSNI Workshop on the Implementation of Hydrogen Mitigation Techniques, Winnipeg, Manitoba. 1996, AECL-11762, 433.
9. M. Jourdan, N. Ardey, F. Mayinger and M. Carcassi, Influence of turbulence on the deflagrative flame propagation in lean premixed hydrogen air mixtures, Heat Transfer, Proceedings of 11th IHTC, Kuongju, Korea, 1998, 7, 295.
10. Gussak L.A., Turkish M.C. LAG Stratiff. Charge Engines, 1 Mech. Conference Publication. London, 1976, 137.
11. Набоко И.М., Рубцов Н.М., Сеплярский Б.С., Трошин К.Я., Цветков Г.И., Черныш В.И., Режимы распространения пламени при горении бедных водородо-воздушных смесей в присутствии добавок в условиях центрального инициирования при атмосферном давлении//Физико-хими¬ческая кинетика в газовой динамике. 2012. Т.13, вып. 2. http://chemphys.edu.ru/issues/2012-13-2/articles/311/
12. I.M. Naboko, N.M. Rubtsov, B.S. Seplyarskii and V.I. Chernysh, Interaction of Spherical Flames of Hydrogen-Air and Methane-Air Mixtures in the Closed Reactor at the Central Spark Initiation with Closed Meshed Obstacles, J. Aeronaut Aerospace Eng 2013, 2:5, http://dx.doi.org/10.4172/2168-9792.1000127.
13. N.M. Rubtsov, The Modes of Gaseous Combustion, Springer International Publishing, 2016, 302 Р.
14. Ideya M. Naboko, Nikolai M. Rubtsov, Boris S. Seplyarskii, Victor I. Chernysh and Georgii I. Tsvetkov, Influence of an acoustic resonator on flame propagation regimes in spark initiated H2 combustion in cylindrical reactor in the vicinity of the lower detonation limit, Mendeleev Commun., 2013, 23, 163.
15. Thomas Alasard, Low Mach number limit of the full Navier ‒ Stokes equations, Archive for Rational Mechanics and Analysis 180 (2006), no. 1, 1‒73.
16. F. Nicoud, Conservative High-Order Finite-Difference Schemes for Low-Mach Number Flows.
17. V. Akkerman, V. Bychkov, A. Petchenko, L.-E. Eriksson, Flame oscillations in tubes with nonslip at the walls, Combustion and Flame, 2006, V.145. Pp. 675‒687.
18. A. Majda, Compressible fluid flow and systems of conservation laws in severalspace variables, Applied Mathematical Sciences, vol. 53, Springer-Verlag, New York, 1984.
19. Абугов Д.И., Бобылев В.М. Теория и расчет ракетных двигателей твердого топлива, М: Машиностроение, 1987, 271С.
20. Clavin, P. Premixed combustion and gasdynamics. Ann. Rev. Fluid Mech. 1994, 26, 321-352.
21. C. Clanet, G. Searby and P. Clavin, Primary acoustic instability of flames propagating in tubes: cases of spray and premixed gas combustion, J. Fluid Mech., 1999, 385, 157.
22. B. Lewis, G. Von Elbe, Combustion, Explosions and Flame in Gases, New York, London.: Acad. Press, 1987, P. 566.
23. Kampen, J. F. van, Acoustic pressure oscillations induced by confined turbulent premixed natural gas flames, PhD thesis, University of Twente, Enschede, The Netherlands, March 2006, ISBN 90-365-2277-3, Printed by Febodruk BV, Enschede, The Netherlands.
24. G. Backstrom, Simple Fields of Physics by Finite Element Analysis (Paperback), GB Publishing (2005), P. 324.
25. Omar D. Lopez, Robert Moser and Ofodike A. Ezekoye, High-Order Finite Difference Scheme for the Numerical Solution of the Low Mach-Number Equations. Mecánica Computacional, 2006, XXV, 1127.
26. N.M. Rubtsov, B.S. Seplyarskii, I. M. Naboko, V.I. Chernysh, G.I. Tsvetkov and K.Ya. Troshin, Non-steady propagation of single and counter flames in hydrogen–oxygen and natural gas–oxygen mixtures in closed cylindrical vessels with spark initiation in initially motionless gas, Mendeleev Commun., 2014, 24, 163.
27. Griffiths J.F., Barnard J.A., Flame and Combustion, 1995, 3rd Edition, CRC Press, 328 P.
28. Abdel-Gayed R. G., Bradley D., Criteria for turbulent propagation limits of premixed flames.1985, Combust. Flame, 62, 61.
29. Bradley D.; Abdel-Gayed R.G.; Lung F.K.-K., Combustion regimes and the straining of turbulent premixed flames, 1989, Combust. Flame, 76, 213.
30. Melvin R. Baer and Robert J. Gross, 2001, SANDIA REPORT, Sandia National Laboratories Albuquerque, New Mexico 87185 and Livermore, California 94550.
31. Nickolai M. Rubtsov, Boris S. Seplyarskii, Kirill Ya. Troshin, Victor I. Chrenysh, Georgii I. Tsvetkov, Initiation and propagation of laminar spherical flames at atmospheric pressure // Mendeleev Comm., 2011, T. 21, pp. 218‒221.
32. Набоко И.М., Рубцов Н.М., Сеплярский Б.С., Цветков Г.И., Черныш В.И. Возникновение акустической неустойчивости в водородо- воздушных смесях в замкнутом реакторе при центральном инициировании искровым разрядом//Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2011. Т. 12. http://chemphys.edu.ru/issues/2011-12/articles/355/
33. Steven A. Orzag and Lawrence C. Kellst, J. Fluid Mech., 1980, 96, 159.
34. Saric W.S., Reed H.L., Kerschen E.J., Annual. Rev. Fluid Mech., 2002, 34, 291.
35. S.S. Ibrahim and A.R. Masri, J. Loss Prev. in the Process Ind., 2001, 14, 213.
36. C. Clanet and G. Searby, Combustion and flame, 1996, 105, 225.
37. N.M. Rubtsov, B.S. Seplyarskii V.I. Chernysh and G.I. Tsvetkov, International Journal of Chemistry and Materials Research, 2014, 2, 102, http://pakinsight.com/?ic=journal&journal=64
38. G.N. Abramovich, Teorija turbulentnych struj (The theory of turbulent flows), 1960, Moscow, Ekolit, reprint, 2011 (in Russian).
39. V.V. Lemanov, V.I. Terechov, K.A. Sharov, A.A. Shumeiko, JETP Letters, 2013, 39, 89 (Pis'ma v ZhETF, 2013, 39, 34).
40. F. Durst, K. Haddad, O. Ertun, in Advances in Turbulence ed. Prof. B. Erkhardt, Proceedings of the 12th Euromech European Turbulence Conference September 7-10 Marburg Germany, Springer Publishing, 160.
41. Виноградов А.Н., Егоров В.В., Калинин А.П., Мельникова Е.М., Родионов А.И., Родионов И.Д. Линейка гиперспектральных сенсоров оптического диапазона Препринт ИКИ РАН Пр-2176, 2015. 16 с.
42. Рубцов Н.М., Виноградов А.Н., Калинин А.П., Родионов А.И., Трошин К.Я., Цветков Г.И. Установление закономерностей распространения неустойчивого фронта пламени методами оптической 3D спектроскопии и цветной скоростной киносъёмки, ИПМ им. А.Ю. Ишлинского РАН, Препринт № 1097, 2015.
43. Nickolai M. Rubtsov, Boris S. Seplyarskii, Kirill Ya. Troshin, Victor I. Chrenysh, Georgii I. Tsvetkov, Initiation and propagation of laminar spherical flames at atmospheric pressure // Mendeleev Comm., 2011, T.21, pp. 218‒221.
44. Lewis B., Von Elbe G. Combustion, Explosions and Flame in Gases New York, London: Acad.Press, 1987. 566 p.
45. Coheur P.-F., Bernath P.F., Carleer M., Colin R., et al. A 3000 K laboratory emission spectrum of water// The Journal of Chemical Physics. 2005. 122. 074307
46. Herzberg G. Molecular Spectra and Molecular Structure. Vol. 1, Spectra of Diatomic Molecules. 2nd edn. Van Nostrand. New York. 1950.
47. Крешков А.П. Основы аналитической химии. Теоретические основы. Качественный анализ, 1970, М: Изд-во “Химия”. Т.3.