Deflagration-to-detonation transition in air mixtures of ethylene–hydrogen fuel

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The experimental method for evaluating the detonability of fuel–air mixtures (FAMs) based on measuring the run-up distance and time of deflagration-to-detonation transition (DDT) in a pulsed detonation tube (DT) was used to study the DDT in FAMs based on the blended ethylene–hydrogen fuel with a volume fraction of hydrogen ranging from 0 to 1 at the same thermodynamic and gasdynamic conditions. Based on the available data on combustion and self-ignition of such a blended fuel, it was expected that with an increase in the volume fraction of hydrogen, the DDT run-up distance and time should monotonically decrease and the corresponding dependences should be close to linear. Contrary to expectations, the obtained dependences turned out to be nonlinear. The analysis of the results suggests that the observed dependences are a manifestation of the physicochemical properties of the FAMs under study. Changes in the design of the flame acceleration section in the DT do not affect much the nature of the obtained dependences: they remain nonlinear.

About the authors

I. O. Shamshin

N. N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: igor_shamshin@mail.ru

Candidate of Science in physics and mathematics, senior research scientist

Russian Federation

M. V. Kazachenko

N. N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences

Email: maksx71997@gmail.com

junior research scientist

Russian Federation

S. M. Frolov

N. N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences; A. G. Merzhanov Institute for Structural Macrokinetics and Materials Science, Russian Academy of Sciences

Email: smfrol@chph.ras.ru

Doctor of Science in physics and mathematics, head of department, head of laboratory; head of laboratory

Russian Federation

V. Ya. Basevich

N. N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences

Email: basevichv@yandex.ru

Doctor of Science in technology, professor, chief research scientist

Russian Federation

References

  1. Shamshin, I. O., M. V. Kazachenko, S. M. Frolov, and V. Ya. Basevich 2020. Perekhod goreniya v detonatsiyu v vozdushnykh smesyakh metanovodorodnogo goryuchego [Deflagration-to-detonation transition in air mixtures of hydrogen–methane fuel]. Goren. Vzryv (Mosk.) — Combustion and Explosion 13(3):60–75. doi: 10.30826/CE20130306.
  2. Shamshin, I. O., M. V. Kazachenko, S. M. Frolov, and V. Ya. Basevich. 2021. Perekhod goreniya v detonatsiyu v vozdushnykh smesyakh propanovodorodnogo goryuchego [Deflagration-to-detonation transition in air mixtures of propane–hydrogen fuel]. Goren. Vzryv (Mosk.) — Combustion and Explosion 14(2):8–25. doi: 10.30826/ CE21140202.
  3. Sokolik, A. S., and K. I. Shchelkin. 1933. Rasprostranenie plameni v smesyakh metana s kislorodom v zakrytykh trubakh [Flame propagation in mixtures of methane with oxygen in closed tubes]. Russ. J. Phys. Chem. A 4(1):109–128.
  4. Sokolik, A. S. 1960. Samovosplamenenie, plamya i detonatsiya v gazakh [Self-ignition, flame, and detonation in gases]. Moscow: USSR AS Publs. 422 p.
  5. Lee, J. H. S. 2008. The detonation phenomenon. — New York, NY: The Cambridge University Press. 400 p.
  6. Frolov, S. M., and B. E. Gel’fand. 1990. O predel’nom diametre rasprostraneniya gazovoy detonatsii v trubakh [Limiting diameter for gas detonation propagation in tubes]. Dokl. Akad. Nauk SSSR 312(5):1177–1180.
  7. Frolov, S. M., I. O. Shamshin, V. S. Aksenov, M. B. Kazachenko, and P. A. Gusev. 2019. Ranzhirovanie gazovykh toplivno-vozdushnykh smesey po ikh detonatsionnoy sposobnosti s pomoshch’yu etalonnoy impul’sno-detonatsionnoy truby [Ranking of gaseous fuel–air mixtures according to their detonability using a standard pulsed detonation tube]. Goren. Vzryv (Mosk.) — Combustion and Explosion 12(3):78–90. doi: 10.30826/ CE19120309.
  8. Frolov, S. M., V. I. Zvegintsev, V. S. Aksenov, I. V. Bilera, M. V. Kazachenko, I. O. Shamshin, P. A. Gusev, and M. S. Belotserkovskaya. 2020. Detonability of fuel–air mixtures. Shock Waves 30:721–739. doi: 10.1007/s00193020-00966-9.
  9. Egolfopoulos, F. N., D. L. Zhu, and C. K. Law. 1990. Experimental and numerical determination of laminar flame speeds: Mixtures of C2 -hydrocarbons with oxygen and nitrogen. Symposium (International) on Combustion Proceedings. 23:471–478.
  10. Hassan, M. I., K. T. Aung, O. C. Kwon, and G. M. Faeth. 1998. Properties of laminar premixed hydrocarbon/air flames at various pressures. J. Propul. Power 14:479–488.
  11. Hirasawa, T., C. J. Sung, A. Joshi, Z. Yang, H. Wang, and C. K. Law. 2002. Determination of laminar flame speeds using digital particle image velocimetry: Binary fuel blends of ethylene, n-butane, and toluene. P. Combust. Inst. 29:1427–1433.
  12. Jomaas, G., X. L. Zheng, D. L. Zhu, and C. K. Law. 2005. Experimental determination of counterflow ignition temperatures and laminar flame speeds of C2–C3 hydrocarbons at atmospheric and elevated pressures. P. Combust. Inst. 30:193–200.
  13. Kumar, K., G. Mittal, C. J. Sung, and C. K. Law. 2008. An experimental investigation of ethylene/O2 /diluent mixtures: Laminar flame speeds with preheat and ignition delays at high pressures. Combust. Flame 153:343–354.
  14. Liu, W., A. P. Kelley, and C. K. Law. 2010. Flame propagation and counterflow nonpremixed ignition of mixtures of methane and ethylene. Combust. Flame 157:1027–1036.
  15. Ranzi, E., A. Frassoldati, R. Grana, A. Cuoci, T. Faravelli, A. P. Kelley, and C. K. Law. 2012. Hierarchical and comparative kinetic modeling of laminar flame speeds of hydrocarbon and oxygenated fuels. Prog. Energ. Combust. 38:468–501. doi: 10.1016/j.pecs.2012.03.004.
  16. Dowdy, D. R., D. B. Smith, S. C. Taylor, and A. Williams. 1991. The use of expanding spherical flames to determine burning velocities and stretch effects in hydrogen/air mixtures. 23th Symposium (International) on Combustion Proceedings. Pittsburgh, PA: The Combustion Institute. 23(1):325–332. doi: 10.1016/S0082-0784(06)80275-4.
  17. Kwon, O. C., L.-K. Tseng, and G. M. Faeth. 1992. Laminar burning velocities and transition to unstable flames in H2/O2/N2 and C3H8/O2/N2 mixtures. Combust. Flame 90(3-4):230–246. doi: 10.1016/0010-2180(92)90085-4.
  18. Tse, S. D., D. L. Zhu, and C. K. Law. 2000. Morphology and burning rates of expanding spherical flames in H2/O2/inert mixtures up to 60 atmospheres. P. Combust. Inst. 28(2):1793–1800. doi: 10.1016/S00820784(00)80581-0.
  19. Wu, F., A. P. Kelley, D. L. Zhu, and C. K. Law. 2011. Further study on effects of hydrogen addition on laminar flame speeds of fuel–air mixtures. 7th U.S. National Combustion Meeting Proceedings. Atlanta, GA. 1336–1353.
  20. Liu, B., G.-Q. He, and F. Qin. 2018. Simulation of supersonic ethylene–hydrogen and air auto-ignition flame using skeletal mechanism. Acta Astronaut. 152:521–533. doi: 10.1016/j.actaastro.2018.08.046.
  21. Schwer, D. A. and K. Kailasanath. 2017.Towards an assessment of rotating detonation engines with fuel blends. AIAA Paper No. 2017-4942. doi: 10.2514/6.2017-4942.
  22. Roy, G. D., S. M. Frolov, A. A. Borisov, and D. W. Netzer. 2004. Pulse detonation propulsion: Challenges, current status, and future perspective. Prog. Energ. Combust. 30(6):545–672. doi: 10.1016/j.pecs.2004.05.001.
  23. George, A. St., R. Driscoll, V. Anand, D. Munday, and E. J. Gutmark. 2015. Fuel blending as a means to achieve initiation in a rotating detonation engine. AIAA Paper No. 2015-0633. doi: 10.2514/6.2015-0633.
  24. Sato, T., and V. Raman. 2019. Detonation structure in ethylene/air based non-premixed rotating detonation engine. AIAA Paper No. 2019-2023. doi: 10.2514/6.20192023.
  25. Knisely, A. M., J. Hoke, and S. A. Schumaker. 2020. Experimental analysis of ethylene/hydrogen fuel blend detonations. AIAA Paper No. 2020-1170. doi: 10.2514/ 6.2020-1170.
  26. Meyer, J. W., P. A. Urtiew, and A. K. Oppenheim. 1970. On the inadequacy of gasdynamic processes for triggering the transition to detonation. Combust. Flame 14:13–20.
  27. Shchelkin, K. I. 1949. Bystroe gorenie i spinovaya detonatsiya gazov [Fast combustion and spinning detonation of gases]. Moscow: Voenizdat, 1949.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».