DOI: https://doi.org/10.1016/j.firesaf.2025.104471
تاريخ النشر: 2025-07-03
المؤلف: Youk Moorthamers وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا محركات الاحتراق المتقدمة
نظرة عامة
تظهر هذه البحث نموذج تفاعل عالمي يستخدم معلمات حركية تعتمد على درجة الحرارة للتنبؤ بدقة بأوقات تأخير الاشتعال الذاتي لخلائط الوقود والهواء المتوازنة، محققًا مستوى من الدقة قابل للمقارنة مع الآليات الكيميائية الشاملة. تم اشتقاق المعلمات الحركية الفعالة لمجموعة من الهيدروكربونات، وبالتحديد الألكانات من C1 إلى C7 واثنين من الألكينات (الإيثيلين والبروبلين). نجح النموذج في تكرار الاعتماديات غير الأحادية المعقدة لأوقات تأخير الاشتعال الذاتي على درجة الحرارة، بما في ذلك الفترات ذات الاعتماد السلبي على درجة الحرارة. تكشف محاكاة الدوامات الكبيرة التي أجريت باستخدام هذا النموذج للهب من موقد FM الدائري وموقد UMD الخطي عن الدور الحاسم للاشتعال الذاتي في توقعات انطفاء اللهب، مما يربط بين تركيزات الأكسجين الحرجة التجريبية وأوقات تأخير الاشتعال الذاتي المحاكية عبر كسور المول المختلفة للأكسجين.
تشير دمج تأثيرات الكيمياء ذات المعدل المحدود إلى تقدم كبير في ممارسات محاكاة اللهب، لا سيما لتوقع انطفاء اللهب في الظروف ذات التهوية المنخفضة. تشير التحليلات إلى وجود علاقة بين تركيزات الأكسجين الحرجة عند الانطفاء وأوقات تأخير الاشتعال الذاتي المشتقة من الآليات الكيميائية التفصيلية. يدعم ذلك فرضية نموذج SCM بأن قدرة اللهب على الاشتعال تؤثر على سلوك اللهب. تقدم الدراسة منهجية لاشتقاق معلمات حركية تعتمد على درجة الحرارة، والتي تعتبر حاسمة لصياغة نماذج حركية مبسطة. تؤكد النتائج فعالية النموذج في توقع انطفاء اللهب في اللهب المدفوع بالطفو، مع التأكيد على أهمية تمثيل تأثيرات درجة الحرارة المنخفضة بدقة، خاصة في السيناريوهات التي تتضمن حرائق ذات تهوية منخفضة ووقود هيدروكربوني أثقل.
مقدمة
تؤكد مقدمة هذه الورقة البحثية على ضرورة دمج تأثيرات الكيمياء ذات المعدل المحدود في محاكاة الاحتراق المضطرب، لا سيما لتوقع انطفاء اللهب وظواهر إعادة الاشتعال. تنشأ التحديات من المقاييس المكانية الصغيرة لمناطق التفاعل المتقلبة (اللهب الصغير) في اللهب المضطرب وأنماط الاحتراق المتنوعة، بما في ذلك الاشتعال الذاتي وأنواع اللهب المختلفة. تستخدم محاكاة الحرائق الحالية بشكل أساسي استراتيجيتين رئيسيتين للنمذجة: واحدة تستفيد من دوال كثافة الاحتمال للمتغيرات الاسكالية المتقلبة والأخرى تقرب الحدود المصدرية المفلترة المتعلقة بمعدلات التفاعل الكيميائي. غالبًا ما تستخدم الأخيرة تحليل منطقتين لتفكيك أحجام الخلايا لتمثيل عدم التجانس دون الشبكة في درجة الحرارة وتركيزات المتفاعلات، كما هو موضح في نماذج مثل مفهوم تشتت الدوامة (EDC) ونموذج المفاعل المختلط جزئيًا (PaSR).
تسلط الورقة الضوء على حساسية نتائج المحاكاة لاختيار الآليات الكيميائية لأكسدة الوقود، لا سيما في اللهب المضطرب المدفوع بالطفو. بينما أظهرت بعض الآليات توافقًا معقولًا مع درجات حرارة اللهب التجريبية، تظهر التباينات في بيئات الأكسجين المنخفضة، مما يدفع لاستكشاف آليات تفاعل مبسطة للتطبيقات العملية. تهدف الدراسة إلى التحقق من صحة نموذج تفاعل عالمي ذو خطوة واحدة غير قابلة للعكس من خلال اشتقاق معلمات حركية فعالة بناءً على أوقات تأخير الاشتعال الذاتي، والتي تعتبر حاسمة لاستقرار اللهب. تشمل النتائج الرئيسية تحليل أوقات تأخير الاشتعال الذاتي عبر أنواع مختلفة من وقود الهيدروكربون، والتحقق من النموذج مقابل سيناريوهات الانطفاء التجريبية، واستكشاف العلاقة بين أوقات تأخير الاشتعال الذاتي وتركيزات الأكسجين المحدودة، إلى جانب تأثير عدد دامكهولر القائم على الاشتعال الذاتي على الانطفاء المحلي في محاكاة الدوامات الكبيرة (LES).
الطرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون المنهجيات التجريبية والعددية المستخدمة للتحقق من صحة نموذج تفاعل عالمي ذو خطوة واحدة باستخدام معلمات حركية فعالة قائمة على الاشتعال الذاتي. تم تحليل سيناريوهين تجريبيين متميزين: حالة موقد FM، التي تشمل لهب 10 كيلووات من موقد دائري في حاوية مستطيلة، وحالة موقد UMD الخطي، التي فحصت لهب 50 كيلووات من موقد مستطيل. حافظت محاكاة موقد FM على كسور مول الأكسجين ثابتة في تدفق الأكسيد، بينما تضمنت محاكاة موقد UMD الخطي تقليلًا تدريجيًا لكسور مول الأكسجين من 0.21 إلى الانطفاء الكامل للهب بمعدل 0.002/min.
تم إجراء المحاكاة باستخدام ANSYS Fluent 2024R2، مع دمج نموذج الاضطراب الفرعي Smagorinsky-Lilly جنبًا إلى جنب مع اعتبارات الاحتراق وتكوين السخام والأكسدة والنقل الإشعاعي. قام المؤلفون بتنفيذ وظيفة محددة من قبل المستخدم لنموذج الاحتراق الفرعي، الذي يأخذ في الاعتبار تفاعلات أكسدة الوقود العالمية ذات الخطوة الواحدة ذات المعدل المحدود. تم اشتقاق القيم المتوسطة للمحاكاة من فترة متوسطة مدتها 40 ثانية بعد مرحلة انتقالية أولية مدتها 10 ثوانٍ. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء دراسة حساسية لحجم الشبكة لضمان قوة النتائج، مع تفاصيل أحجام الخلايا المحددة في منطقة اللهب في الجدول المرافق.
النتائج
توضح نتائج المحاكاة المقدمة في هذا القسم سلوك اللهب الناتج عن مواقد FM وUMD تحت تركيزات أكسجين متغيرة. تظهر لهب موقد FM، التي تكون مثبتة، انخفاضًا كبيرًا في كفاءة الاحتراق عند مستويات أكسجين منخفضة حرجة، مما يؤدي إلى تفكك اللهب. بالمقابل، تظهر لهب موقد UMD الخطي، التي تكون غير مثبتة، ظاهرة الرفع عند كسور مول الأكسجين تبلغ حوالي 0.16 للميثان و0.15 للبروبان، مما يشير إلى اختلاف واضح في استقرار اللهب بين نوعي الموقدين. تم التقاط اعتماد كفاءة الاحتراق على تركيز الأكسجين بفعالية عبر أحجام الشبكة المختلفة، على الرغم من أن الشبكات الخشنة كانت تميل إلى التقليل من تقدير الكفاءة بسبب عدم كفاية دقة التقلبات المضطربة.
كشفت التحليلات الإضافية أن العلاقات المحلية بين معدل تحرير الحرارة الحجمي (HRR) ودرجة الحرارة، بالإضافة إلى أعداد دامكهولر، كانت حاسمة في فهم آليات انطفاء اللهب. وُجد أن نطاق درجة الحرارة للإفراج الكبير عن الحرارة في اللهب جيد التهوية يتراوح بين 1000 كلفن و2000 كلفن، بينما قرب الانطفاء، ضاقت هذه النطاق بشكل كبير. كما أبرزت الدراسة حساسية لهب الميثان لدرجة حرارة تدفق الوقود، المنسوبة إلى أوقات تأخير الاشتعال الأديباتيكي (AIDTs) الأعلى. بالإضافة إلى ذلك، تم تأسيس العلاقة بين أعداد دامكهولر العالية وHRR، مما يشير إلى أن التقييمات الدقيقة لـ AIDT ضرورية لتوقع انطفاء اللهب في نماذج الاحتراق دون الشبكة.
المناقشة
تركز قسم المناقشة من الورقة البحثية على تطوير والتحقق من صحة نموذج حركي مبسط قائم على الاشتعال الذاتي لوقود الهيدروكربون، لا سيما في سياق ظواهر الاحتراق مثل الاشتعال الذاتي وانتشار اللهب اللاميناري. يؤكد المؤلفون على ضرورة استخدام مجموعة بيانات مرجعية تم إنشاؤها من آليات تفاعل شاملة لمحاكاة أوقات تأخير الاشتعال الذاتي (AIDTs) في مفاعل ذو حجم ثابت. يبرزون أهمية خلائط الوقود والهواء المتوازنة وتوافر البيانات التجريبية المحدود للتحقق من صحة هذه المحاكاة. تتضمن المعادلات الحاكمة للنموذج حفظ الإنثالبي ونسب الكتلة للأنواع، مع إجراء المحاكاة باستخدام برنامج Cantera مفتوح المصدر. تشير النتائج إلى أن AIDTs للألكانات تظهر اعتمادات غير أحادية مع سلوك معامل درجة الحرارة السلبية (NTC)، خاصة في نطاق درجات الحرارة المنخفضة، بينما يظهر الميثان AIDT أطول بشكل ملحوظ بسبب هيكله الجزيئي المستقر.
علاوة على ذلك، يقترح المؤلفون طريقة معايرة لنموذج تفاعل عالمي ذو خطوة واحدة، موضحين أن المعلمات الحركية المعتمدة على درجة الحرارة يمكن أن تكرر الاعتماديات المعقدة لـ AIDTs على درجة الحرارة الأولية. تشير النتائج إلى أن قدرة اللهب الصغير على الاشتعال حاسمة لتوقع الانطفاء المحلي في اللهب المضطرب، مع كون عدد دامكهولر القائم على الاشتعال بمثابة مقياس رئيسي. تختتم الدراسة بأن دمج تأثيرات الكيمياء ذات المعدل المحدود يعزز دقة محاكاة اللهب، لا سيما في الظروف ذات التهوية المنخفضة، ويؤسس علاقة بين تركيزات الأكسجين الحرجة لانطفاء اللهب وAIDTs. تدعم هذه العلاقة الافتراضات النمذجة لنماذج الاحتراق دون الشبكة المستخدمة في محاكاة الدوامات الكبيرة، مما يشير إلى أن التمثيل الدقيق لتأثيرات درجة الحرارة المنخفضة أمر حيوي لفهم ديناميات الاحتراق في سيناريوهات مختلفة، بما في ذلك حرائق الحاويات.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.firesaf.2025.104471
Publication Date: 2025-07-03
Author(s): Youk Moorthamers et al.
Primary Topic: Advanced Combustion Engine Technologies
Overview
This research demonstrates a global reaction model utilizing temperature-dependent kinetic parameters to accurately predict the autoignition delay times of stoichiometric fuel-air mixtures, achieving a level of precision comparable to comprehensive chemical mechanisms. The effective kinetic parameters were derived for a range of hydrocarbons, specifically C1-C7 alkanes and two alkenes (ethylene and propylene). The model successfully replicates complex non-monotonic dependencies of autoignition delay times on temperature, including intervals with negative temperature dependence. Large eddy simulations conducted with this model for flames from the FM circular burner and UMD line burner reveal the critical role of autoignition in flame extinction predictions, correlating experimental critical oxygen concentrations with simulated autoignition delay times across varying oxygen mole fractions.
The incorporation of finite-rate chemistry effects marks a significant advancement in flame simulation practices, particularly for predicting flame extinction in under-ventilated conditions. The analysis indicates a correlation between critical oxygen concentrations at extinction and autoignition delay times derived from detailed chemical mechanisms. This supports the SCM model’s premise that a flamelet’s ignition capability influences flame behavior. The study presents a methodology for deriving temperature-dependent kinetic parameters, which are crucial for formulating simplified kinetic models. The findings underscore the model’s effectiveness in predicting flame extinction in buoyancy-driven flames, emphasizing the importance of accurately representing low-temperature effects, especially in scenarios involving under-ventilated fires and heavier hydrocarbon fuels.
Introduction
The introduction of this research paper emphasizes the necessity of incorporating finite-rate chemistry effects into turbulent combustion simulations, particularly for predicting flame extinction and reignition phenomena. The challenges arise from the small spatial scales of fluctuating reaction zones (flamelets) in turbulent flames and the diverse combustion modes, including autoignition and various flame types. Current fire simulations predominantly utilize two major modeling strategies: one leveraging probability density functions for fluctuating scalar variables and the other approximating filtered source terms related to chemical reaction rates. The latter often employs a two-zone decomposition of cell volumes to represent subgrid non-uniformities in temperature and reactant concentrations, as seen in models like the Eddy Dissipation Concept (EDC) and the Partially Stirred Reactor model (PaSR).
The paper highlights the sensitivity of simulation outcomes to the choice of chemical mechanisms for fuel oxidation, particularly in buoyant turbulent diffusion flames. While some mechanisms have shown reasonable agreement with experimental flame temperatures, discrepancies arise in reduced oxygen environments, prompting the exploration of simplified reaction mechanisms for practical applications. The study aims to validate a global single-step irreversible reaction model by deriving effective kinetic parameters based on autoignition delay times, which are critical for flame stability. Key findings include an analysis of autoignition delay times across various hydrocarbon fuels, validation of the model against experimental extinction scenarios, and exploration of the relationship between autoignition delay times and limiting oxygen concentrations, alongside the impact of the autoignition-based Damköhler number on local extinction in large eddy simulations (LES).
Methods
In this section, the authors describe the experimental and numerical methodologies employed to validate a single-step global reaction model utilizing autoignition-based effective kinetic parameters. Two distinct experimental scenarios were analyzed: the FM burner case, involving 10 kW flames from a circular burner in a rectangular enclosure, and the UMD line burner case, which examined 50 kW flames from a rectangular burner. The FM burner simulations maintained a constant oxygen mole fraction in the oxidizer co-flow, while the UMD line burner simulations involved a gradual reduction of the oxygen mole fraction from 0.21 to complete flame extinguishment at a rate of 0.002/min.
The simulations were conducted using ANSYS Fluent 2024R2, incorporating the Smagorinsky-Lilly subgrid turbulence model alongside considerations for combustion, soot formation, oxidation, and radiative transfer. The authors implemented a user-defined function for the subgrid combustion model, which accounts for finite-rate global single-step fuel oxidation reactions. The mean values for the simulations were derived from a 40-second averaging period following an initial 10-second transient phase. Additionally, a grid-size sensitivity study was performed to ensure the robustness of the results, with specific cell sizes in the flame zone detailed in the accompanying table.
Results
The simulation results presented in this section illustrate the behavior of flames generated by FM and UMD burners under varying oxygen concentrations. The FM burner flames, which are anchored, exhibit a significant drop in combustion efficiency at critically low oxygen levels, leading to flame disintegration. In contrast, the UMD line burner flames, which are non-anchored, demonstrate a lift-off phenomenon at oxygen mole fractions of approximately 0.16 for methane and 0.15 for propane, indicating a distinct difference in flame stability between the two burner types. The dependence of combustion efficiency on oxygen concentration was effectively captured across various grid sizes, although coarser grids tended to underestimate efficiency due to insufficient resolution of turbulent fluctuations.
Further analysis revealed that the local correlations between volumetric heat release rate (HRR) and temperature, as well as Damköhler numbers, were crucial in understanding flame extinction mechanisms. The temperature range for significant heat release in well-ventilated flames was found to be between 1000 K and 2000 K, while near extinction, this range narrowed considerably. The study also highlighted the sensitivity of methane flames to fuel flow temperature, attributed to their higher adiabatic ignition delay times (AIDTs). Additionally, the relationship between high Damköhler numbers and HRR was established, indicating that accurate AIDT evaluations are essential for predicting flame extinction in subgrid combustion models.
Discussion
The discussion section of the research paper focuses on the development and validation of an autoignition-based simplified kinetic model for hydrocarbon fuels, particularly in the context of combustion phenomena such as autoignition and laminar flame spread. The authors emphasize the necessity of using a reference dataset generated from comprehensive reaction mechanisms to simulate autoignition delay times (AIDTs) in a constant-volume reactor. They highlight the importance of stoichiometric fuel-air mixtures and the limited availability of experimental data for validating these simulations. The governing equations for the model incorporate enthalpy conservation and species mass fractions, with simulations conducted using the open-source software Cantera. The results indicate that AIDTs for alkanes exhibit nonmonotonic dependencies with negative temperature coefficient (NTC) behavior, particularly pronounced in the low-temperature range, while methane shows a significantly longer AIDT due to its stable molecular structure.
Furthermore, the authors propose a calibration method for a single-step global reaction model, demonstrating that temperature-dependent kinetic parameters can replicate the complex dependencies of AIDTs on initial temperature. The findings suggest that the ability of a flamelet to ignite is crucial for predicting local extinction in turbulent flames, with the ignition-based Damköhler number serving as a key metric. The study concludes that the incorporation of finite-rate chemistry effects enhances flame simulation accuracy, particularly in under-ventilated conditions, and establishes a correlation between critical oxygen concentrations for flame extinction and AIDTs. This correlation supports the modeling assumptions of the subgrid combustion models employed in large eddy simulations, indicating that accurate representation of low-temperature effects is vital for understanding combustion dynamics in various scenarios, including enclosure fires.