Publication: Reduced-kinetic mechanisms for hydrogen and syngas combustion including autoignition
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Publication date
2011-12
Defense date
2011-12-15
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Abstract
Reduced chemical-kinetic mechanisms are investigated for hydrogen and syngas combustion to fill the need for simplified chemistry able to describe with accuracy both premixed and diffusion flames and also autoignition, necessitated for instance in computational work that addresses turbulent combustion or the transition from deflagration to detonation. The reduced descriptions incorporate steady-state assumptions for O and OH, which are found to be reasonably accurate for flames but much less accurate for hightemperature autoignition. A detailed description of ignition histories, both above and below the second explosion limit, provides explicit analytic expressions for the ignition time of hydrogen-air mixtures, valid in a wide range of pressure, temperature, and equivalence ratios, and also leads to a correction for the rates of the reduced chemistry that improves accuracy of predicted high-temperature ignition times while keeping the simplification associated with the steady-state assumptions for O and OH. The resulting reduced mechanisms, which consist of three overall steps for hydrogen combustion and one additional CO-oxidation step for syngas combustion, possess reasonable accuracy for most computational purposes, as is demonstrated through extensive validation exercises including comparisons with detailed-chemistry computations and experimental measurements of flame-propagation velocities, extinction strain rates, and ignition times. The three-step mechanism is used also to investigate a turbulent, supersonic, autoignition-stabilized, hydrogenair lifted flame, enabling reduced-chemistry capabilities to be tested in a large scale simulation including turbulence modelling. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
En esta tesis se aborda el desarrollo de mecanismos cinéticos reducidos para la combustión de hydrógeno y gas de sÃntesis que sean capaces de describir con precisión tanto llamas de premezcla y difusión como procesos de autoignición. Este tipo de mecanismos multipropósito son necesarios, por ejemplo, para cálculos numéricos de combustión turbulenta o de transiciones de deflagración a detonación. En la reducción de la quÃmica se hace uso de las hipótesis de estado estacionario para las especies quÃmicas O y OH. Aunque estas aproximaciones son adecuadas para llamas, se observa que no lo son tanto para el caso de la autoignición a temperaturas por encima de la denominada temperatura de cruce. Mediante el estudio analÃtico de los procesos de autoignición se deducen expresiones explÃcitas para el tiempo de ignición de mezclas de hidrógeno y aire para un amplio rango de presiones, temperaturas y composiciones, incluyendo condiciones por encima y por debajo de cruce. Además, el estudio proporciona una corrección para las velocidades de reacción de la quÃmica reducida que tiene en cuenta la evolución de O y OH fuera del estado estacionario durante la ignición a alta temperatura, mejorando sensiblemente la capacidad predictiva de la quÃmica reducida. Los mecanismos resultantes incluyen tres reacciones globales para la combustión de hidrógeno, a las que hay que añadir una reacción adicional de oxidación de monóxido de carbono para la combustión de gas de sÃntesis. La validación incluye comparaciones extensivas con cálculos numéricos con quÃmica detallada y medidas experimentales de velocidades de propagación de llamas, condiciones crÃticas de extinción aerodinámica de llamas de difusión y tiempos de ignición, dando resultados satisfactorios. El mecanismo global de tres pasos para la combustión de hidrógeno se utiliza también para investigar llamas turbulentas levitadas en una configuración supersónica con autoignición, lo que permite comprobar la capacidad de la quÃmica reducida en una simulación numérica a gran escala incluyendo modelado de la turbulencia.
En esta tesis se aborda el desarrollo de mecanismos cinéticos reducidos para la combustión de hydrógeno y gas de sÃntesis que sean capaces de describir con precisión tanto llamas de premezcla y difusión como procesos de autoignición. Este tipo de mecanismos multipropósito son necesarios, por ejemplo, para cálculos numéricos de combustión turbulenta o de transiciones de deflagración a detonación. En la reducción de la quÃmica se hace uso de las hipótesis de estado estacionario para las especies quÃmicas O y OH. Aunque estas aproximaciones son adecuadas para llamas, se observa que no lo son tanto para el caso de la autoignición a temperaturas por encima de la denominada temperatura de cruce. Mediante el estudio analÃtico de los procesos de autoignición se deducen expresiones explÃcitas para el tiempo de ignición de mezclas de hidrógeno y aire para un amplio rango de presiones, temperaturas y composiciones, incluyendo condiciones por encima y por debajo de cruce. Además, el estudio proporciona una corrección para las velocidades de reacción de la quÃmica reducida que tiene en cuenta la evolución de O y OH fuera del estado estacionario durante la ignición a alta temperatura, mejorando sensiblemente la capacidad predictiva de la quÃmica reducida. Los mecanismos resultantes incluyen tres reacciones globales para la combustión de hidrógeno, a las que hay que añadir una reacción adicional de oxidación de monóxido de carbono para la combustión de gas de sÃntesis. La validación incluye comparaciones extensivas con cálculos numéricos con quÃmica detallada y medidas experimentales de velocidades de propagación de llamas, condiciones crÃticas de extinción aerodinámica de llamas de difusión y tiempos de ignición, dando resultados satisfactorios. El mecanismo global de tres pasos para la combustión de hidrógeno se utiliza también para investigar llamas turbulentas levitadas en una configuración supersónica con autoignición, lo que permite comprobar la capacidad de la quÃmica reducida en una simulación numérica a gran escala incluyendo modelado de la turbulencia.
Description
Keywords
Reduced-kinetic mechanisms, Combustion, Hydrogen, Syngas