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

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

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.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Г. В. Герасимов

Объединенный институт высоких температур РАН; Сколковский институт науки и технологий

Email: eremin@jiht.ru
Russian Federation, Москва; Москва

А. В. Дракон

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: eremin@jiht.ru
Russian Federation, Москва

А. В. Еремин

Объединенный институт высоких температур РАН

Author for correspondence.
Email: eremin@jiht.ru
Russian Federation, Москва

Е. Ю. Михеева

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: eremin@jiht.ru
Russian Federation, Москва

References

  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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schemes of the experimental setup (a), numbers indicate pressure sensors, and extinction measurement systems (b).

Download (125KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Examples of pressure profiles (1) and extinction signals (2) during shock wave propagation in a mixture of 10% C2H2 + 90% Ar, p1 = 0.04 MPa, p2 = 1.06 MPa (a); (b) during formation of a detonation-like wave in a mixture of 30% C2H2 + 70% Ar, p1 = 0.1, p2 = 1.74; (c) during propagation of a detonation wave through a mixture of 15% C2H2 + 15% O2 + 70% Ar, p1 = 0.2; (d) during the collapse of the detonation-like structure of the front by a shock wave and a condensation wave in a mixture of 30% C2H2 + 70% Ar, p1 = 0.08 MPa; PUV, OUV – incident and reflected shock waves; CF – condensation front.

Download (205KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Examples of changes in wave velocity (1) and pressure (2) in its front along the length of the pipe during propagation of formed detonation at a constant velocity in an acetylene-oxygen mixture of 15% C2H2 + 15% O2 + Ar at p1 = 0.2 MPa (a) and in C2H2 + Ar mixtures in different modes: (b) wave acceleration in a mixture of 30% C2H2 + 70% Ar, p1 = 0.1 MPa; (c) wave deceleration in a similar mode in a mixture of 30% C2H2 + 70% Ar, p1 = 0.09; (d) pulsating mode of wave propagation (transition from deceleration to acceleration) in a mixture of 20% C2H2 + 80% Ar, p1 = 0.108.

Download (196KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Calculated Chapman–Jouguet velocities of a detonation wave propagating through mixtures with different acetylene content in argon (a) at P = 70 kPa and ±10 m/s for 30–150 kPa and in various acetylene-oxygen mixtures diluted with argon to 30% at P = 70 kPa and ±10 m/s for 30–150 kPa (b): 1 – calculation results using the CRECK mechanism [15], 2 – CRECK supplemented with graphitization reactions.

Download (123KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dependence of the maximum recorded wave front propagation velocity on the oxygen concentration in mixtures of (30 – x)% C2H2 + x% O2 + Ar: 1 – pulsating detonation, 2 – shock wave, 3 – stationary detonation.

Download (79KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Dependence of the maximum recorded propagation velocity of the shock wave front on the initial pressure: 1 – experimental values in 100% Ar, 2 – approximation of points 1.

Download (58KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Dependences of the maximum recorded wave front propagation velocity on the initial pressure in mixtures without detonation development (a): 1 – experimental values for 100% C2H2, 2 – 10% C2H2 + 90% Ar, 3 – predicted shock wave velocity without taking into account the energy release behind the front; with pulsating detonation (b): 4 – experimental values for 20% C2H2 + 80% Ar, 5 – 30% C2H2 + 70% Ar.

Download (99KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Generalization of experimental data [7, 23–25] on the induction times of soot formation in acetylene–argon mixtures, performed in [22]: 1 – 0.2–1.0% C2H2, [23]; 2 – 5% C2H2, [24]; 3 – 10% C2H2, [25]; 4 – 20% C2H2, [7]; 5 – 30% C2H2, [7]; and the results of modeling using the CRECK mechanism [17]: 6 – 100% C2H2, 0.3 MPa according to C16H10; 7 – 100% C2H2, 0.3 MPa according to BIN5; 8 – 30% C2H2 + Ar, 3 MPa according to C16H10; 9 – 30% C2H2, 3 MPa according to BIN5.

Download (85KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Predicted dependences of the soot formation induction time on the shock wave velocity without taking into account the energy release in the shock-heated flow (lines) [22] and the values obtained in the experiment (points): 1 – 10% C2H2 + Ar, 2 – 20% C2H2 + Ar, 3 – 30% C2H2 + Ar.

Download (73KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences