Перемешивание водорода с воздухом и его горение при прямой струйной подаче в камеру сгорания малого объема

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅或者付费存取

详细

В работе проведено численное моделирование процесса перемешивания водорода с воздухом и последующее его горение при прямой струйной подаче водорода и его воспламенении от стороннего источника. Импульсное струйное течение моделируется с помощью камеры высокого давления, где водород хранится изначально при давлении до 700 атм. Истечение водорода реализуется через систему клапанов, количество которых варьируется от одного до шести. Время подачи водорода рассчитывается, исходя из оценки содержания водорода в камере сгорания, соответствующего стехиометрическому соотношению компонентов водородно-воздушной смеси. Размеры камеры сгорания выбраны соответствующими размерам камеры сгорания малогабаритного газопоршневого двигателя. Таким образом моделируется процесс прямой подачи водорода в камеру сгорания. В серии расчетов воспламенение осуществляется на разных стадиях перемешивания, что позволяет оценить эффективность работы системы прямой подачи водорода, включая полноту сгорания подаваемого в камеру сгорания топлива. Показано, что наиболее быстро перемешивание осуществляется при подаче водорода через систему из шести щелей, при этом время перемешивания составляет около 25 мс. Последующее воспламенение приводит к сгоранию водородно-воздушной смеси за время порядка 1 мс, степень недогорания водорода составляет 9.5%.

全文:

受限制的访问

作者简介

А. Смыгалина

Объединенный институт высоких температур РАН

编辑信件的主要联系方式.
Email: smygalina-anna@yandex.ru
俄罗斯联邦, Москва

А. Киверин

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: smygalina-anna@yandex.ru
俄罗斯联邦, Москва

参考

  1. Liu X., Srna A., Yip H.L., Kook S., Chan Q.N., Hawkes E.R. Performance and Emissions of Hydrogen-diesel Dual Direct Injection (H2DDI) in a Single-cylinder Compression-ignition Engine // Int. J. Hydrogen Energy. 2021. V. 46. № 1. P. 1302.
  2. Rorimpandey P., Yip H.L., Srna A., Zhai G., Wehrfritz A., Kook S., Hawkes E.R., Chan Q.N. Hydrogen-diesel Dual-fuel Direct-injection (H2DDI) Combustion Under Compression-ignition Engine Conditions // Int. J. Hydrogen Energy. 2023. V. 48. № 2. P. 766.
  3. Zareei J., Ghadamkheir K., Farkhondeh S.A., Abed A.M., Opulencia M.J.C., Alvarez J.R.N. Numerical Investigation of Hydrogen Enriched Natural Gas Effects on Different Characteristics of a SI Engine with Modified Injection Mechanism from Port to Direct Injection // Energy. 2022. V. 255. 124445.
  4. Wu B., Torelli R., Pei Y. Numerical Modeling of Hydrogen Mixing in a Direct-injection Engine Fueled with Gaseous Hydrogen // Fuel. 2023. V. 341. 127725.
  5. Qu W., Fang Y., Wang Z., Sun H., Feng L. Optimization of Injection System for a Medium-speed Four-stroke Spark-ignition Marine Hydrogen Engine // Int. J. Hydrogen Energy. 2022. V. 47. № 44. P. 19289.
  6. Addepalli S.K., Pei Y., Zhang Y., Scarcelli R. Multi-dimensional Modeling of Mixture Preparation in a Direct Injection Engine Fueled with Gaseous Hydrogen // Int. J. Hydrogen Energy. 2022. V. 47. № 67. P. 29085.
  7. Yosri M., Palulli R., Talei M., Mortimer J., Poursadegh F., Yang Y., Brear M. Numerical Investigation of a Large Bore, Direct Injection, Spark Ignition, Hydrogen-fuelled Engine // Int. J. Hydrogen Energy. 2023. V. 48. № 46. P. 17689.
  8. Maio G., Boberic A., Giarracca L., Aubagnac-Karkar D., Colin O., Duffour F., Deppenkemper K., Virnich L., Pischinger S. Experimental and Numerical Investigation of a Direct Injection Spark Ignition Hydrogen Engine for Heavy-duty Applications // Int. J. Hydrogen Energy. 2022. V. 47. № 67. P. 29069.
  9. Park C., Kim Y., Oh S., Oh J., Choi Y., Baek H., Lee S.W., Lee K. Effect of Fuel Injection Timing and Injection Pressure on Performance in a Hydrogen Direct Injection Engine // Int. J. Hydrogen Energy. 2022. V. 47. № 50. P. 21552.
  10. Li X., Sun B., Zhang D., Wang X., Bao L., Luo Q. Experimental Study on the Cycle Variation Characteristics of Direct Injection Hydrogen Engine // Energy Convers. Manag. X. 2022. V. 15. P. 100260.
  11. Wei H., Hu Z., Ma J., Ma W., Yuan S., Hu Y., Hu K., Zhou L., Wei H. Experimental Study of Thermal Efficiency and NOx Emission of Turbocharged Direct Injection Hydrogen Engine Based on a High Injection Pressure // Int. J. Hydrogen Energy. 2023. V. 48. № 34. P. 12905.
  12. Fu Z., Gao W., Li Y., Hua X., Zou J., Li Y. Numerical Simulation of the Mixture Distribution and Its Influence on the Performance of a Hydrogen Direct Injection Engine under an Ultra-lean Mixture Condition // Int. J. Hydrogen Energy. 2023. V. 48. № 51. P. 19700.
  13. Счастливцев А.И., Дуников Д.О., Борзенко В.И., Шматов Д.П. Водородно-кислородные установки для энергетики // ТВТ. 2020. Т. 58. № 5. С. 809.
  14. Арефьев К.Ю., Абрамов М.А., Воронецкий А.В., Сон Э.Е. Оптимизация инжекции двухфазных продуктов газификации энергетических конденсированных составов в модельную камеру сгорания малого удлинения // ТВТ. 2022. Т. 60. № 1. С. 94.
  15. Володин В.В., Голуб В.В., Ельянов А.Е. Горение водородно-воздушных смесей в канале при кольцевом воспламенении // ТВТ. 2022. Т. 60. № 6. С. 957.
  16. Киверин А.Д., Яковенко И.С. Высокоскоростные режимы распространения пламени в канале и переход к детонации // ТВТ. 2020. Т. 58. № 4. С. 707.
  17. Coogan S., Brun K., Teraji D. Micromix Combustor for High Temperature Hybrid Gas Turbine Concentrated Solar Power Systems // Energy Procedia. 2014. V. 49. P. 1298.
  18. Funke H.H.-W., Dickhoff J., Keinz J., Haj Ayed A., Parente A., Hendrick P. Experimental and Numerical Study of the Micromix Combustion Principle Applied for Hydrogen and Hydrogen-rich Syngas as Fuel with Increased Energy Density for Industrial Gas Turbine Applications // Energy Procedia. 2014. V. 61. P. 1736.
  19. Ghali P.F., Khandelwal B. Design and Simulation of a Hydrogen Micromix Combustor // AIAA Scitech Forum. 2021. P. 1984.
  20. Sanli A., Yılmaz I.T., Gümüş M. Assessment of Combustion and Exhaust Emissions in a Common-rail Diesel Engine Fueled with Methane and Hydrogen/Methane Mixtures under Different Compression Ratio // Int. J. Hydrogen Energy. 2020. V. 45. № 4. P. 3263.
  21. Shentsov V., Cirrone D., Makarov D. Effect of TPRD Diameter and Direction of Release on Hydrogen Dispersion and Jet Fires in Underground Parking // J. Energy Storage. 2023. V. 68. 107771.
  22. O’Conaire M., Curran H.J., Simmie J.M., Pitz W.J., Westbrook C.K. A Comprehensive Modeling Study of Hydrogen Oxidation // Int. J. Chem. Kinet. 2004. V. 36. № 11. P. 603.
  23. Смыгалина А.Е., Киверин А.Д. О критериях самовоспламенения водорода при его истечении из баллона под высоким давлением // Горение и взрыв. 2023. Т. 16. № 3. С. 3.
  24. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М.: Наука, 1982. 392 с.
  25. Зайченко В.М., Киверин А.Д., Смыгалина А.Е., Цыплаков А.И. Горение обедненных смесей на основе водорода в двигателе с искровым зажиганием // Изв. РАН. Энергетика. 2018. № 4. С. 87.
  26. Киверин А.Д., Смыгалина А.Е. Механизмы развития интенсивных динамических процессов при сжигании водорода в камерах сгорания ДВС // ТВТ. 2022. Т. 60. № 1. С. 103.
  27. Ivanov M.F., Kiverin A.D., Yakovenko I.S., Liberman M.A. Hydrogen–Oxygen Flame Acceleration and Deflagration-to-detonation Transition in Three-dimensional Rectangular Channels with No-slip Walls // Int. J. Hydrogen Energy. 2013. V. 38. № 36. P. 16427.
  28. Smygalina A.E., Kiverin A.D. Self-ignition of Hydrogen Released under High Pressure Through Two Slits // Russ. J. Phys. Chem. B. 2023. V. 17. № 4. P. 907.
  29. Smygalina A.E., Kiverin A.D. Limits of Self-ignition in the Process of Hydrogen–Methane Mixtures Release under High Pressure into Unconfined Space // J. Energy Storage. 2023. V. 73. 108911.
  30. Иванов Е.Н., Иванов М.Ф. Определение статистических характеристик течений газа в камере под движущимся поршнем методом численного моделирования // Матем. моделирование. 2010. Т. 22. № 12. С. 33.
  31. Breuer S., Oberlack M., Peters N. Non-isotropic Length Scales During the Compression Stroke of a Motored Piston Engine // Flow, Turbul. Combust. 2005. V. 74. № 2. P. 145.
  32. Tse S.D., Zhu D.L., Law C.K. Morphology and Burning Rates of Expanding Spherical Flames in H2/O2/Inert Mixtures up to 60 Atmospheres // Proc. Combust. Inst. 2000. V. 28. P. 1793.
  33. Iijima T., Takeno T. Effects of Temperature and Pressure on Burning Velocity // Combust. Flame. 1986. V. 65. P. 35.
  34. Bykov V., Kiverin A., Koksharov A., Yakovenko I. Analysis of Transient Combustion with the Use of Contemporary CFD Techniques // Comput. Fluids. 2019. V. 194. 104310.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. The computational domain divided by a wall with slits on the HPC and CC; 1 – plane of symmetry, 2 – spark position, 3 – domain with a coarse grid.

下载 (131KB)
索引源数据
3. Fig. 2. Change in the mole fraction of hydrogen in the combustion chamber over time for variants with outflow through one (1), two (2), three (3), six (4) slits; τ is the time of hydrogen intake into the combustion chamber until Y(H2) = 0.3 is reached in the combustion chamber.

下载 (74KB)
索引源数据
4. Fig. 3. Fields of the mole fraction of hydrogen in the CC at four moments of time for variants with outflow through one (a), two (b), three (c), six (d) slits; for moments of time 10.0 and 25.0 ms, the current lines are also given.

下载 (319KB)
索引源数据
5. Fig. 4. Time evolution of the fraction of the area of the computational domain related to the combustion chamber occupied by the hydrogen–air mixture with Y(H2) = 0.2–0.4 for variants with outflow through one (1), two (2), three (3), six (4) slits; t is the end time of mixing, corresponding to reaching a degree of homogeneity of 93%.

下载 (87KB)
索引源数据
6. Fig. 5. Shadow patterns during combustion development in a mixture with a homogeneity level of 93.3%; 0 ms corresponds to spark ignition.

下载 (108KB)
索引源数据
7. Fig. 6. Fields of the mole fraction of hydrogen during the development of combustion in a mixture with air with a degree of homogeneity of 100% (a), 93.3% (b), 38.6% (c); 0 ms corresponds to spark ignition; white curves are isolines of temperature 1000 K.

下载 (284KB)
索引源数据
8. Fig. 7. Evolution of the average area of the computational domain occupied by the combustion chamber, the mole fraction of hydrogen (a) and the average pressure (b) during ignition at different stages of mixing; 1 – 100% homogeneity, 2 – 93.3%, 3 – 89.7%, 4 – 69.1%, 5 – 38.6%.

下载 (102KB)
索引源数据
9. Fig. 8. Dependence of the proportion of unburned hydrogen on the degree of homogeneity of the hydrogen-air mixture at the moment of ignition.

下载 (45KB)
索引源数据
10. Fig. 9. Time evolution of the fraction of the combustion chamber area occupied by a hydrogen–air mixture with a mole fraction of hydrogen from 0.2 to 0.4, in calculations using grid steps of 200 (1), 100 (2), 50 µm (3).

下载 (64KB)
索引源数据
11. Supplement
下载 (92KB)
索引源数据

版权所有 © Russian Academy of Sciences, 2024