Regimes of chemical reaction waves initiated by nonuniform initial conditions for detailed chemical reaction models

Abstract

Regimes of chemical reaction wave propagation initiated by initial temperature nonuniformity in gaseous mixtures, whose chemistry is governed by chain-branching kinetics, are studied using a multispecies transport model and a detailed chemical model. Possible regimes of reaction wave propagation are identified for stoichiometric hydrogen-oxygen and hydrogen-air mixtures in a wide range of initial pressures and temperature levels, depending on the initial non-uniformity steepness. The limits of the regimes of reaction wave propagation depend upon the values of the spontaneous wave speed and the characteristic velocities of the problem. It is shown that one-step kinetics cannot reproduce either quantitative neither qualitative features of the ignition process in real gaseous mixtures because the difference between the induction time and the time when the exothermic reaction begins significantly affects the ignition, evolution, and coupling of the spontaneous reaction wave and the pressure wave, especially at lower temperatures. We show that all the regimes initiated by the temperature gradient occur for much shallower temperature gradients than predicted by a one-step model. The difference is very large for lower initial pressures and for slowly reacting mixtures. In this way the paper provides an answer to questions, important in practice, about the ignition energy, its distribution, and the scale of the initial nonuniformity required for ignition in one or another regime of combustion wave propagation.

Influence of radiation absorption by microparticles on the flame velocity and combustion regimes

“…В принципе, детонация может зажечься и в случае начального однородного распределении частиц для пламени с небольшой скоростью, в медленно реагирующей смеси. Однако, это было бы возможно только для довольно больших длин поглощения, поскольку минимальный масштаб температурного градиента, требуемый для зажигания детонации в более медленно реагирующей смеси по сравнению с водород кислородной, на порядки больше чем для водород кислородной смеси [14,15]. В настоящей работе зажигание различных режимов горения перед фронтом пламени, связанное с поглощением излучения, продемонстрировано на примере быстрого пламени, распространяющегося по водород-кислородной смеси с неоднородным распределением микрочастиц, таким, что концентрация частиц мала вблизи начального положения фронта пламени и растет по мере удаления от него.…”

Self-sustaining regime of flame acceleration in channel and mechanism of detonation formation

“…В случае формирования в среде неоднородностей (гра-диентов) температуры и/или давления детонация формируется следую-щим образом [8]: на достаточно пологом градиенте формируется спон-танная волна горения [2], распространяющаяся из области с меньшим временем индукции в область с бóльшим временем индукции с суще-…”

“…Согласно классификации [2,8], этот режим формирования детонации можно описать промежуточным режимом перехода от медленного го-рения в детонацию, когда скорость формирующейся спонтанной вол-ны больше скорости звука в продуктах горения, но меньше скорости звука в точке Чепмена -Жуге (a b < min(D SP ) < a CJ ). В этом случае формирующаяся ударная волна отходит от волны реакции, последняя же начинает ускоряться в потоке за отходящей ударной волной…”

“…Уравнения состояния свежей смеси и продуктов горения задаются на основе таблиц NASA путем интерполяции [27]. Кинетика горения во-дород-кислородной смеси описывается хорошо зарекомендовавшей себя редуцированной схемой, состоящей всего из девяти реакций [28], но с хорошей точностью воспроизводящей как качественные, так и количественные особенности воспламенения и горения водо-род-кислородной смеси [1,8,28].…”

“…Математическая модель и реализо-ванный на ее основе компьютерный код апробированы на решении широкого круга задач горения газовых смесей [1,8,13,19,20,25,28] и хорошо согласуются с экспериментальными данными, включая ре-зультаты специально поставленных экспериментов по возникнове-нию стука в двигателях внутреннего сгорания [30]. Точность моди-фицированного численного метода в задачах горения водородосо-держащих смесей подтверждена в работах [1,20].…”