Воспламенение паров керосина при сверх-звуковом обтекании цилиндра с торцевой наветренной стенкой


Просмотр статьи
PDF, 984,3 КБ

Ignition of kerosene vapor in supersonic flow around a cylinder with an end windward wall

The detonation capacity of kerosene vapor is numerically studied in supersonic flow around a circular cylinder with an end windward wall. The model of kerosene combustion in the air takes into account 68 reactions for 44 components. Its testing is made by the way of comparison with the available calculated and experimental data on the ignition delay time under adiabatic condi-tions at a constant density. The mathematical model flow past cylinder is based on two-dimensional non-stationary Euler equations for a multi-component reacting gas. The enthalpy and entropy of the initial mixture and combustion products are determined by polynomials from the NASA base. Calculations are performed on the basis of the Godunov finite-difference scheme and its modification of increased accuracy. The results allow justifying the parameters of the nozzle with a central body for a supersonic direct-flow chamber with detonative combus-tion of kerosene.

kerosene, detailed kinetics, supersonic flow, ignition, initiation of detonation, deto-nation combustion, numerical simulation

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.19.2.742


Том 19, выпуск 2, 2018 год



В работе численно исследуется детонационная способность паров керосина при сверхзвуковом обтекании кругового цилиндра с торцевой наветренной стенкой. Модель горения керосина в воздухе учитывает 68 реакций для 44 компонент. Ее тестирование проводится путем сравнения с имеющимися расчетными и экспериментальными данными по времени задержки воспламенения в адиабатических условиях при постоянной плотности. В основе математической модели обтекания - двумерные нестационарные уравнения Эйлера для многокомпонентного реагирующего газа. Энтальпия и энтропия исходной смеси и продуктов горения задаются многочленами из базы NASA. Расчеты выполняются на основе конечно-разностной схемы С.К. Годунова и ее модификации повышенной точности. Результаты позволяют обосновать параметры сопла с центральным телом для прямоточной камеры детонационного горения керосина.

керосин, детальная кинетика, сверхзвуковое обтекание, воспламенение, инициирование детонации, детонационное горение, численное моделирование

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.19.2.742


Том 19, выпуск 2, 2018 год



1. Зельдович Я.Б. К вопросу об энергетическом использовании детонационного горения// Журнал технической физики, 1940, т. 10, вып. 17, с. 1453-1461.
2. Frolov S.M., V.S.Aksenov V.S., Ivanov V.S. Experimental proof of Zel'dovich cycle efficiency gain over cycle with constant pressure combustion for hydrogen–oxygen fuel mixture// International Journal of Hydrogen Energy. 2015. V. 40. Issue 21. Pp. 6970-6975
3. Frolov S.M., V.S.Aksenov V.S., Ivanov V.S., Shamshin I.O. Large-scale hydrogen-air continuous deto-nation combustor // International Journal of Hydrogen Energy. 2015. V. 40, No. 3, pp. 1616-1623.
4. Tunik Yu.V. Detonation Combustion of Hydrogen in a Convergent-Divergent Nozzle with a Central Coaxial Cylinder// Fluid Dynamics. 2014. Vol. 49. No. 5, pp. 688–693. https://doi.org/10.1134/S0015462814050160
5. Zubin M.A., Tunik Yu.V. About stabilization of hydrogen detonative combustion in a convergent-divergent nozzle// Physical-Chemical Kinetics in Gas Dynamics. 2015. V.16. No.3. http://chemphys.edu.ru/issues/2015-16-3/articles/579/
6. Zhuravskaya T.A., Levin V.A. Stabilization of detonation combustion of a high-velocity combustible gas mixture flow in a plane channel// Fluid Dynamics. 2010, Vol. 50, No. 2, pp. 283–293. DOI: 10.1134/S001546281502012X
7. Zhuravskaya T.A., Levin V.A. Investigation of certain techniques for stabilizing detonation waves in a supersonic flow// Fluid Dynamics. 2012. V. 47. No.6, pp 793–801. https://doi.org/10.1134/S0015462812060129
8. Kindracki J, Kobiera A, Wolanski P, Gut Z, Folusiak M, Swiderski K. Experimental and numerical study of the rotating detonation engine in hydrogen–air mixture// Progress in Propulsion Physics. Ed. by L. DeLuca, C. Bonnal, O. Haidn, S. Frolov // Moscow: Torus Press, 2011. –V. 2, pp. 555-582. – 864 P.
9. Фролов С.М., Аксенов В.С. Переход горения в детонацию в керосигно воздушной смеси // До-клады Академии наук. 2007. Т. 416. № 3. С. 356-359.
10. Фролов С.М., Аксенов В.С., Иванов В.С.. Экспериментальная демонстрация рабочего процесса в импульсно-детонационном жидкостном ракетном двигателе// Химическая физика. 2011. Т. 30. № 8. С. 58-61.
11. Vikram Athreya V, N K S Rajan, Manjunatha A, H R Purushothama. An experimental study on kero-sene based pulse detonation engine // International journal of mechanical engineering and technology (IJMET). 2014. V.5, No 9. Pp. 31-35
12. Kindracki J. Study of detonation initiation in kerosene–oxidizer mixtures
in short tubes// Shock Waves. 2014. V. 24. Pp. 603–618. DOI 10.1007/s00193-014-0519-2.
13. Лепихов А.В. Упрощенная кинетическая схема горения RP-1/O2 для CFD расчетов ракетных двигателей// Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2016. Т.17, № 1. http://chemphys.edu.ru/essues/2016-17-1/articles/626/
14. Федоров А.В., Тропин Д.А. Математическая модель детонационного сгорания пара керосина в окислителе // Физика горения и взрыва. 2012. Т. 48. № 1. С. 47-54.
15. Ковалев В.Л., Ветчинкин А.С., Вагнер А.В. Моделирование воспламенения авиационного керо-сина ударной волной// Вестник Московского университета. Серия 1: Математика. Механика, издательство Изд-во Моск. ун-та. Серия 1. Математика. Механика .— 2014. № 2, с. 70-74
16. Беляев А.А., Басевич В.Я., Фролов С.М. База данных для расчета ламинарного и турбулентного горения воздушных смесей авиационного керосина // Горение и взрыв. 2015. Т. 8. № 1. С. 29-36.
17. Старик А.М., Титова Н.С., Торохов С.А. Кинетика окисления и горения сложных углеводород-ных топлив: авиационный керосин. Физика горения и взрыва. 2013. Т. 49. № 4, с. 12-30.
18. Slavinskaya N. Skeletal mechanism for kerosene combustion with PAH production// AIAA-2008-0992.
19. Rajasekaran A., Satishkumar G., Babu V. Numerical simulation of the supersonic combustion of kero-sene in a model combustor // Progress in Computational Fluid Dynamics, An Int. J. 2009. V.9, No.1, pp. 30-42.
20. Дубовкин Н.Ф., Маланичева В.Г., Массур Ю.П., Федоров Е.П. Физико-химические и эксплуата-ционные свойства реактивных топлив: Справочник. М.: Химия, 1985.
21. Герасимов Г.Я., Лосев С.А. Кинетические модели горения керосина и его составляющих// Ин-женерно-физический журнал. 2005. Т. 78. № 6, с. 14-25.
22. Dagaut P, Cathonnet M. The ignition, oxidation, and combustion of kerosene: A review
of experimental and kinetic modeling// Progress in Energy and Combustion Science. 2006. V. 32, pp. 48-92.
23. Wenxuan Huang, Fang Chen, Hong Liu, et al. Modeling chemical mechanism for surrogate jet fuel un-der scramjet operating conditions// AIAA Paper 2016-0182.
24. Slavinskaya N., Riedel U., Saibov E, Herzler J., Naumann C. Kinetic surrogate model for GTL kero-sene// AIAA Paper 2014-0126.
25. Yan Y., Liu Y., Di D., Dai C., Li J. Simplified Chemical Reaction Mechanism for Surrogate Fuel of Aviation Kerosene and Its Verification// Energy and Fuels. 2016. V. 30 (12), pp. 10847-10857.
26. Bikas G, Peters N. Kinetic modeling of n-decane combustion and autoignition: Modeling combustion of n-decane// Combustion and Flame. 2001. V. 126, pp. 1456-1475.
27. Burcat A., Ruscic B. Third millennium ideal gas and condensed phase thermochemical database for combustion with updates from active thermochemical tables. ANL-05/20 and TAE 960. Technion-IIT, Aerospace Engineering, and Argonne National Laboratory, Chemistry Division, 2005.
28. Dente M., Bozzano G., Faravelli T., Marongiu A., Ranzi E. Kinetic modeling of pyrolysis process in gas and condensed phase// Adv. Chem. Eng. 2007. V. 32, pp. 50-168.
29. Lindstedt R.P., Maurice L.Q. Detailed chemical-kinetic model for aviation fuels// Journal of Propulsion and Power. 2000. V. 16 (2), pp. 187-195.
30. Chang Y., Jia M., Liu Y., Li Y., Xie M. Development of a new skeletal mechanism for n-decane oxida-tion under engine-relevant conditions based on a decoupling methodology// Combustion and Flame. 2013. V. 160 (8), pp. 1315-1332.
31. Tunik Yu.V. Stabilization of detonation combustion in a high-velocity flow of a hydrogen-oxygen mixture// Fluid Dynamics. 2008. V. 43. No. 6, pp 954–959.
32. Годунов С.К.. Разностный метод численного расчета разрывных решений уравнений гидроди-намики// Математический сборник. 1959. Т. 47(89). № 3. С. 271-306.
33. Колган В.П. Применение принципа минимальных значений производной к построению конечно-разностных схем для расчета разрывных решений газовой динамики// Ученые записки ЦАГИ. 1972. Т.III. № 6. С. 68-77.
34. Tunik Yu.V. Instability of Contact Surface in Cylindrical Explosive Waves// Fluid Mech. Open Acc. 2017. V. 4. No 4. DOI: 10.4172/2476-2296.1000168
35. Tunik Yu.V. Problems of Numerical Modeling on the Basis of Some Modifications of the Godunov’s Scheme// Physical-Chemical Kinetics in Gas Dynamics 2018 V.19, No. 1. http://chemphys.edu.ru/issues/2018-19-1/articles/701/