О режимах распространения волны саморазложения ацетилена в ударно-нагретых потоках в трубах малых диаметров

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Получены экспериментальные данные о динамике распространения ударной волны в ацетилене и ацетиленокислородных смесях, разбавленных аргоном, в трубе квадратного сечения 27 × 27 мм2. Показано, что энерговыделение при саморазложении ацетилена в определенных условиях может приводить к пульсирующему ускорению фронта ударной волны, однако оно не формирует устойчивой детонации. В стехиометрических ацетиленокислородных смесях формируется детонационная волна, параметры которой хорошо согласуются с расчетными параметрами Чепмена–Жуге. Кинетическое моделирование процесса саморазложения ацетилена и роста конденсированных частиц указало на несовершенство существующих механизмов пиролиза ацетилена и необходимость учета дополнительных каналов полимеризации углеводородных соединений, определяемых его уникальными свойствами.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Г. В. Герасимов

Объединенный институт высоких температур РАН; Сколковский институт науки и технологий

Email: eremin@jiht.ru
Россия, Москва; Москва

А. В. Дракон

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: eremin@jiht.ru
Россия, Москва

А. В. Еремин

Объединенный институт высоких температур РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: eremin@jiht.ru
Россия, Москва

Е. Ю. Михеева

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: eremin@jiht.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Иванов Б.А. Физика взрыва ацетилена. М.: Химия, 1969. 180 с.
  2. Емельянов А.В., Еремин А.В., Фортов В.Е. Формирование детонационной волны при термическом разложении ацетилена // Письма в ЖЭТФ. 2010. Т. 92. Вып. 2. С. 101.
  3. Емельянов А.В., Еремин А.В., Макеич А.А., Фортов В.Е. Формирование детонационной волны при конденсации пересыщенного углеродного пара // ТВТ. 2010. Т. 48. № 6. С. 862.
  4. Голуб В.В., Гуренцов Е.В., Емельянов А.В., Еремин А.В., Фортов В.Е. Энергетика детонационного пиролиза ацетилена // ТВТ. 2015. Т. 53. № 3. С. 383.
  5. Еремин А.В., Фортов В.Е. Детонационная волна конденсации // УФН. 2021. Т. 191. № 11. С. 1131.
  6. Berthelot M., Le Chatelier H.L. Sur la vitesse de detonation da l’acetylene // Comptes Rendus. 1899. V. 129. P. 427.
  7. Емельянов A.B., Еремин AB., Макеич А.А., Фортов В.Е. Формирование детонационной волны конденсации // Письма в ЖЭТФ. 2008. Т. 87. Вып. 9. С. 556.
  8. Емельянов А.В., Еремин А.В., Фортов В.Е. Формирование детонационной волны при химической конденсации углеродных наночастиц // ИФЖ. 2010. Т. 83. № 6. С. 1130.
  9. Emelianov A., Eremin A., Jander H., Wagner H.Gg. Carbon Condensation Wave in C3O2 and C2H2 Initiated by a Shock Wave // Proc. Combust. Inst. 2011. V. 33. Iss. 1. P. 525.
  10. Browne S., Ziegler J., Bitter N., Schmidt B., Lawson J., Shepherd J.E. SDToolbox – Numerical Tools for Shock and Detonation Wave Modeling. Explosion Dynamics Laboratory. GALCIT Tech. Report FM2018.001. https://shepherd.caltech.edu/EDL/PublicResources/sdt/doc/ShockDetonation/ShockDetonation.pdf
  11. Манжалей В.И. О детонации ацетилена вблизи предела // ФГВ. 1975. Т. 11. № 1. С. 146.
  12. Cuoci A., Frassoldati A., Faravelli T., Ranzi E. OpenSMOKE++: An Object-oriented Framework for the Numerical Modeling of Reactive Systems with Detailed Kinetic Mechanisms // Computer Physics Communications. 2015. V. 192. P. 237.
  13. Goodwin D.G., Moffat H.K., Schoegl I., Speth R.L., Weber B.W. Cantera: An Object-oriented Software Toolkit for Chemical Kinetics, Thermodynamics, and Transport Processes. Version 2.6.0. 2022. https://dx.doi.org/10.5281/zenodo.6387882
  14. Валишев А.И. Расчет параметров детонации смесей ацетилена // ФГВ. 1997. Т. 33. № 2. С. 98.
  15. Ranzi E., Frassoldati A., Stagni A., Pelucchi M., Cuoci A., Faravelli T. Reduced Kinetic Schemes of Complex Reaction Systems: Fossil and Biomass-derived Transportation Fuels // Int. J. Chem. Kinetics. 2014. V. 46(9). P. 512.
  16. Tao H., Wang H.Y., Ren W., Lin K.C. Kinetic Mechanism for Modeling the Temperature Effect on PAH Formation in Pyrolysis of Acetylene // Fuel. 2019. V. 255. P. 115796.
  17. Saggese C., Ferrario S., Camacho J., Cuoci A., Frassoldati A., Ranzi E., Wang H., Faravelli T. Kinetic Modeling of Particle Size Distribution of Soot in a Premixed Burner-stabilized Stagnation Ethylene Flame // Combust. Flame. 2015. V. 162(9). P. 3356.
  18. Гуренцов Е.В., Дракон А.В., Еремин А.В., Михеева Е.Ю. К вопросу о влиянии малой примеси ацетона на процесс термического саморазложения ацетилена // ТВТ. 2022. Т. 60. № 6. С. 897.
  19. Krestinin A.V. Polyyne Model of Soot Formation Process // Proc. Combust. Inst. 1998. V. 27. P. 1557.
  20. Agafonov G.L., Bilera I.V., Vlasov P.A., Kolbanovskii Yu.A., Smirnov V.N., Tereza A.M. Soot Formation During the Pyrolysis and Oxidation of Acetylene and Ethylene in Shock Waves // Kinet. Catal. 2015. V. 56. P. 12.
  21. Richter H., Howard J.B. Formation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons and Their Growth to Soot–A Review of Chemical Reaction Pathways // Prog. Energ. Combust. 2000. V. 26. P. 565.
  22. Eremin A.V. Formation of Carbon Nanoparticles from the Gas Phase in Shock Wave Pyrolysis Processes // Progress in Energy and Combustion Science. 2012. V. 38. Iss. 1. P. 1.
  23. Knorre V.G., Tanke D., Thienel T.H., Wagner H.Gg. Soot Formation in the Pyrolysis of Benzene/Acetylene and Acetylene/Hydrogen Mixtures at High Carbon Concentrations // Proc. Combust. Inst. 1996. V. 26. P. 2303.
  24. Yoshizawa Y., Kawada H., Kurokawa M. A Shock-tube Study on the Process of Soot Formation from Acetylene Pyrolysis // Proc. Combust. Inst. 1979. V. 17. P. 1375.
  25. Tanzawa T.W., Gardiner C.J. Thermal Decomposition of Acetylene // Proc. Combust. Inst. 1979. V. 17. P. 563.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схемы экспериментальной установки (а), номерами отмечены датчики давления, и системы измерения экстинкции (б).

Скачать (125KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Примеры профилей давления (1) и сигналов экстинкции (2) при распространении ударной волны в смеси 10% C2H2 + 90% Ar, p1 = 0.04 МПа, p2 = 1.06 МПа (а); (б) при формировании детонационно-подобной волны в смеси 30% C2H2 + 70% Ar, p1 = 0.1, p2 = 1.74; (в) при распространении детонационной волны по смеси 15% C2H2 + 15% O2 + 70% Ar, p1 = 0.2; (г) при развале детонационно-подобной структуры фронта на ударной волной и волной конденсации в смеси 30% C2H2 + 70% Ar, p1 = 0.08 МПа; ПУВ, ОУВ – падающая и отраженная ударные волны; ФК – фронт конденсации.

Скачать (205KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Примеры изменения скорости волны (1) и давления (2) в ее фронте по длине трубы при распространении сформировавшейся детонации с постоянной скоростью в ацетилен-кислородной смеси 15% C2H2 + 15% O2 + Ar при p1 = 0.2 МПа (а) и в смесях C2H2 + Ar в различных режимах: (б) ускорения волны в смеси 30% C2H2 + 70% Ar, p1 = 0.1 МПа; (в) замедления волны в сходном режиме в смеси 30% C2H2 + 70% Ar, p1 = 0.09; (г) пульсирующего режима распространения волны (перехода замедления в ускорение) в смеси 20% C2H2 + 80% Ar, p1 = 0.108.

Скачать (196KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Расчетные скорости Чепмена–Жуге детонационной волны, распространяющейся по смесям с различным содержанием ацетилена в аргоне (а) при P = 70 кПа и ±10 м/с для 30–150 кПа и в различных ацетилен-кислородных смесях, разбавленных аргоном до 30% при P = 70 кПа и ±10 м/с для 30–150 кПа (б): 1 – результаты расчета с использованием механизма CRECK [15], 2 – CRECK, дополненного реакциями графитизации.

Скачать (123KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость максимальной зарегистрированной скорости распространения фронта волны от концентрации кислорода в смесях (30 – x)% C2H2 + x% O2 + Ar: 1 – пульсирующая детонация, 2 – ударная волна, 3 – стационарная детонация.

Скачать (79KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимость максимально зарегистрированной скорости распространения фронта ударной волны от начального давления: 1 – экспериментальные значения в 100% Ar, 2 – аппроксимация точек 1.

Скачать (58KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимости максимально зарегистрированной скорости распространения фронта волны от начального давления в смесях без развития детонации (а): 1 – экспериментальные значения для 100% C2H2, 2 – 10% C2H2 + 90% Ar, 3 – предсказываемая скорость УВ без учета энерговыделения за фронтом; с пульсирующей детонацией (б): 4 – экспериментальные значения для 20% C2H2 + 80% Ar, 5 – 30% C2H2 + 70% Ar.

Скачать (99KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Выполненное в [22] обобщение экспериментальных данных [7, 23–25] по временам индукции сажеобразования в смесях ацетилена с аргоном: 1 – 0.2–1.0% C2H2, [23]; 2 – 5% C2H2, [24]; 3 – 10% C2H2, [25]; 4 – 20% C2H2, [7]; 5 – 30% C2H2, [7]; и результаты моделирования с использованием механизма CRECK [17]: 6 – 100% C2H2, 0.3 МПа по C16H10; 7 – 100% C2H2, 0.3 МПа по BIN5; 8 – 30% C2H2 + Ar, 3 МПа по C16H10; 9 – 30% C2H2, 3 МПа по BIN5.

Скачать (85KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Предсказываемые зависимости времени индукции сажеобразования от скорости УВ без учета энерговыделения в ударно-нагретом потоке (линии) [22] и полученные в эксперименте значения (точки): 1 – 10% C2H2 + Ar, 2 – 20% C2H2 + Ar, 3 – 30% C2H2 + Ar.

Скачать (73KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024