Investigation of dynamics of hydrogen-rich flames, development of new methods for validation of mechanisms of chemical kinetics and for model reduction

研究富氢火焰的动力学,开发化学动力学机制验证和模型简化的新方法

基本信息

项目摘要

Nowadays, not only the development of practical devices, which utilize combustion of hydrocarbon fuels, but also theoretical research in the field of physics of combustion and detonation are based on the numerical treatment of mathematical models using detailed kinetics of oxidation reactions of hydrocarbon fuels. At present there is a number of kinetic mechanisms developed specifically to describe the high temperature combustion processes of hydrocarbon oxidation. These may include hundreds and thousands of elementary steps with their own reaction constants.However, direct and indirect experimental measurements of these reaction constants are very limited. Thus, development of an accurate and reliable mathematical model of combustion wave propagation still represents a very challenging task and any additional method of verification and validation of chemical reaction mechanisms is invaluable for modelling of combustion processes.In the proposed project, the authors suggest to develop a method for validation and verification of the hydrogen combustion mechanisms. This is because hydrogen combustion remains a hot topic due to applications for energy storage technologies and, therefore, simultaneously reduction of CO2 emissions. Particularly important is the development of mathematical combustion models for safety issues, where reliable mechanisms describing the transient regimes, non-stationary regimes typical for explosion-like processes, are required. Moreover, hydrogen oxidation represents the kernel sub-mechanism for all known detailed mechanisms of light and heavy hydrocarbon oxidation.At the same time numerical treatment of combustion processes in technical geometries and flow conditions are still beyond practical applications due to high dimensionality and the presence of large differences in the characteristic time and length scales. Dimensionality and stiffness of the system of governing equations complicates numerical treatment enormously and leads to very high CPU and memory storage requirements. Thus, the development of reduced kinetic mechanisms presents another key problem of the proposed study.The suggested methodology will be based on the investigation of the dynamical characteristics of nonlinear wave patterns, which emerge in complex combustion systems and on low-dimensional slow invariant manifolds developed in the reacting system state space. The successful realization of the project will open new perspectives in verification of mechanisms of chemical kinetics, significantly advance combustion theory and applications including industrial uses. The methods for automatic reduction of kinetic mechanisms will play a pivotal role in numerical computations for control and optimization of combustion processes of hydrocarbons in complex geometries and flow conditions.
如今,不仅开发利用碳氢燃料燃烧的实用装置,而且在燃烧和爆轰物理领域中的理论研究都基于使用碳氢燃料氧化反应的详细动力学的数学模型的数值处理。目前有许多动力学机制专门用来描述碳氢化合物氧化的高温燃烧过程。这些反应可能包括成百上千个具有各自反应常数的基本步骤,然而,这些反应常数的直接和间接实验测量非常有限。因此,开发一个准确可靠的燃烧波传播的数学模型仍然是一个非常具有挑战性的任务,任何额外的方法的验证和验证的化学反应机制是非常宝贵的燃烧processes.In拟议中的项目,作者建议开发一种方法,验证和验证的氢燃烧机制。这是因为氢气燃烧仍然是一个热门话题,因为它应用于能源储存技术,因此同时减少了二氧化碳排放。特别重要的是发展数学燃烧模型的安全问题,在可靠的机制描述的瞬态制度,非稳态制度典型的爆炸样过程,是必需的。氢氧化是轻烃和重烃氧化详细机理的核心子机理,但由于燃烧过程的高维性以及特征时间尺度和长度尺度的差异,在工业几何和流动条件下的燃烧过程的数值处理仍不能满足实际应用的需要。控制方程系统的非线性和刚性使数值处理变得非常复杂,并导致非常高的CPU和内存存储要求。因此,减少动力学机制的发展提出了另一个关键问题的建议study.The建议的方法将是基于非线性波图案的动力学特性的调查,出现在复杂的燃烧系统和低维慢不变流形上的反应系统的状态空间。该项目的成功实现将为化学动力学机理的验证开辟新的视角,大大推进燃烧理论和应用,包括工业应用。动力学机理的自动简化方法将在复杂几何形状和流动条件下烃类燃烧过程的控制和优化的数值计算中发挥关键作用。

项目成果

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Combustion of rich hydrogen–air mixture stabilised near a cylindrical porous burner
圆柱形多孔燃烧器附近稳定的富氢空气混合物的燃烧
  • DOI:
    10.1080/13647830.2020.1734238
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    1.3
  • 作者:
    Kichatov;Kolobov;Gubernov
  • 通讯作者:
    Gubernov
Mechanisms performance and pressure dependence of hydrogen/air burner-stabilized flames
The effect of dilution on the diffusive-thermal instability of the rich premixed hydrogen deflagration
  • DOI:
    10.1016/j.ijhydene.2019.02.185
  • 发表时间:
    2019-04
  • 期刊:
  • 影响因子:
    7.2
  • 作者:
    V. Gubernov;V. Bykov;U. Maas
  • 通讯作者:
    V. Gubernov;V. Bykov;U. Maas
Experimental observation of diffusive-thermal oscillations of burner stabilized methane-air flames
  • DOI:
    10.1016/j.combustflame.2019.12.016
  • 发表时间:
    2020-03
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.4
  • 作者:
    S. Nechipurenko;T. Miroshnichenko;N. V. Pestovskii;S. Tskhai;B. Kichatov;V. Gubernov;V. Bykov;U. Maas
  • 通讯作者:
    S. Nechipurenko;T. Miroshnichenko;N. V. Pestovskii;S. Tskhai;B. Kichatov;V. Gubernov;V. Bykov;U. Maas
Model Reduction of Rich Premixed Hydrogen/air Oscillatory Flames by Global Quasi-Linearization (GQL)
  • DOI:
    10.1080/00102202.2020.1869729
  • 发表时间:
    2021-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    1.9
  • 作者:
    V. Bykov;Sudhi Shashidharan;E. Berszány;V. Gubernov;U. Maas
  • 通讯作者:
    V. Bykov;Sudhi Shashidharan;E. Berszány;V. Gubernov;U. Maas
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知道了