Новая технология газификации органических отходов высокотемпературным газифицирующим агентом (ВГА) на основе продуктов газовой детонации метанокислородной смеси с температурой выше 1500-2000 ◦С применена для газификации трех видов нефтеотходов: грунтового нефтешлама (ГН), резервуарного нефтешлама (РН) и нефтекокса - продукта вторичной переработки нефти, которые представляют собой смеси разветвленных алифатических углеводородов с небольшим количеством ароматических углеводородов, содержат большое количество углерода (77-85 %(вес.)) и серы (2,1-3,5 %(вес.)) и имеют высшую теплоту сгорания на уровне 28-36 МДж/кг. Эксперименты показывают, что сухие продукты газификации содержат 80-90 %(об.) горючего газа, который содержит 40%-45% СО, 28%-32% Н2, 5%-10% СН4 и 4%-7% неконденсируемых С2-С3 углеводородов. Процесс газификации сопровождается уносом массы из реактора в виде ультрадисперсных твердых зольных частиц размером около 1 мкм. Зольные частицы имеют мезопористую структуру с удельной поверхностью от 3,3 до 15,2 м2/г и широким разбросом размеров пор от 3 до 50 нм. Измеренные температуры стенки реактора-газификатора (600-630 ◦С) хорошо согласуются с расчетным значением термодинамической равновесной температуры продуктов газификации (приблизительно 730 ◦С). Измеренное содержание СО в продуктах газификации хорошо согласуется с термодинамическим расчетом, а пониженное содержание H2 и повышенные содержания СH4, CO2 и СxНy , по-видимому, связаны с неоднородным распределением массового отношения «отходы/ВГА» в реакторе-газификаторе. Для повышения выхода водорода необходимо улучшать смешение отходов с ВГА. Предложено смешивать измельченный нефтекокс с нефтешламом с образованием пасты и подавать комбинированные отходы в реактор-газификатор с помощью поршневого податчика специальной конструкции.

Проведено термодинамическое моделирование процесса газификации жидких углеводородных отходов (ЖУО) в потоке высокотемпературного газифицирующего агента (ВГА). Источник ВГА импульсно-детонационная пушка (ИДП). Основные компоненты ВГА ультраперегретая смесь водяного пара и диоксида углерода с температурой продуктов детонации в состоянии Чепмена-Жуге или продуктов детонации, расширенных до атмосферного давления. В качестве горючего для ИДП использованы метан (стартовое горючее) и синтез-газ, полученный в результате газификации ЖУО. Для оптимизации состава получаемого синтез-газа рассмотрено влияние разбавления кислородной смеси стартового горючего водяным паром. Термодинамическое моделирование показало, что газификация ЖУО продуктами детонации позволяет добиться полной конверсии ЖУО в синтез-газ, состоящий исключительно из водорода и моноксида углерода, или в энергетический газ с высокими концентрациями метана и углеводородов С2-С3 и низшей теплотой сгорания от 36,7 (кислородные смеси) до 13,6 МДж/кг (воздушные смеси). Получаемый синтез-газ в смеси с кислородом можно использовать для самозапитки ИДП, причем на самозапитку уходит около 33% получаемого синтез-газа. Для самозапитки ИДП смесью получаемого синтез-газа с воздухом требуется повышение давления в реакторе и/или обогащение воздуха кислородом. Добавление низкотемпературного водяного пара в исходную горючую смесь позволяет регулировать состав получаемого синтез-газа в широких пределах. Теоретически отношение H2/CO может изменяться от 1,3 до 3,4.

Проведены систематические эксперименты по определению концентрационных пределов детонации тройных смесей «пропан - кислород - водяной пар» при нормальном атмосферном давлении. Эксперименты выполнены в инновационном импульсно-детонационном пароперегревателе (ИДП) с многократной циклической детонацией тройных смесей при варьировании коэффициента избытка горючего (от 0,3 до 1,7) и объемной доли водяного пара (от 0 до 0,7). В дополнение к экспериментам проведены термодинамические расчеты. Показано, что циклическая детонация тройных смесей «пропан - кислород - водяной пар» позволяет получить сильно перегретый водяной пар (СПП) с температурой выше 2250 К при атмосферном давлении, причем в выходном сечении ИДП продукты детонации стехиометрической тройной смеси могут содержать до 80% СПП и до 20% СО2 . Предложено использовать такую высокотемпературную среду для глубокой переработки органических коммунальных и промышленных отходов и газификации углей с получением газовой смеси СО и Н2 , которая в дальнейшем может использоваться в качестве энергетического газа для производства тепла и/или электричества и/или в качестве сырья для производства метанола и синтетических моторных топлив. Вследствие периодического заполнения ИДП «холодной» тройной газовой смесью температура его стенок и внутренних элементов повышается незначительно, так что для его изготовления можно использовать обычные (не жаропрочные) конструкционные материалы.

Методом математического моделирования исследуется влияние малых добавок тяжелых углеводородов на высокотемпературное самовоспламенение гомогенных воздушных смесей водорода и метана. В кинетических расчетах использован разработанный ранее детальный механизм окисления и горения нормальных алканов. Показано, что поведение тройных смесей водород–углеводород–воздух неоднозначно. Большие добавки углеводородов–н-гептана и н-гексадекана к водородно-воздушной смеси промотируют самовоспламенение при низких температурах и ингибируют его при высоких температурах, тогда как малые добавки углеводородов в определенном диапазоне высоких температур могут не ингибировать, а промотировать самовоспламенение. Самовоспламенение метановоздушных смесей всегда промотируется добавками тяжелых углеводородов.

A novel computational approach based on the coupled 3D Flame-Tracking – Particle (FTP) method is used for numerical simulation of confined explosions caused by preflame autoignition. The Flame Tracking (FT) technique implies continuous tracing of the mean flame surface and application of the laminar/turbulent flame velocity concepts. The Particle method is based on the joint velocity – scalar probability density function approach for simulating reactive mixture autoignition in the preflame zone. The coupled algorithm is supplemented with the database of tabulated laminar flame velocities as well as with reaction rates of hydrocarbon fuel oxidation in wide ranges of initial temperature, pressure, and equivalence ratio. The main advantage of the FTP method is that it covers both possible modes of premixed combustion, namely, frontal and volumetric. As examples, combustion of premixed hydrogen–air, propane–air, and n-heptane–air mixtures in enclosures of different geometry is considered. At certain conditions, volumetric hot spots ahead of the propagating flame are identified. These hot spots transform to localized exothermic centers giving birth to spontaneous ignition waves traversing the preflame zone at very high apparent velocities, i.e., nearly homogeneous preflame explosion occurs. The abrupt pressure rise results in the formation of shock waves producing high overpressure peaks after reflections from enclosure walls.

The objective of the study outlined in this paper was to develop the computationally e©cient algorithm for multidimensional numerical simulation of de§agration-to-detonation transition (DDT) in gas-fueled airbreathing pulse detonation engine (PDE). It is implied that the availability of such an algorithm will allow for more realistic estimates of PDE performances (speci¦c impulse, thrust, etc.) than those obtained with the presumption of direct detonation initiation. The new algorithm is based on the coupled Flame Tracking €Particle (FTP) method implemented into the standard computational §uid dynamics (CFD) code solving the Reynolds Averaged Navier€Stokes equations by the controlvolume technique. The coupled methodology has been applied to the two-dimensional (2D) numerical simulation of DDT in a PDE channel 3 m long with §ame accelerating obstacles and shock-wave focusing nozzle ¦lled with the stoichiometric propane€air mixture at normal initial conditions. The fuel-based speci¦c impulse was estimated as 2480 s.

The method we present is derived from the SIMPLE algorithm. Instead of solving the linear equations for each variable and the pressure-correction equation separately in a so called segregated manner it relies on the solution of a linear system that comprises the discretisation of enthalpy and pressure-correction equation that are linked through physical coupling terms. These coupling terms are deduced from a more accurate approximation of the density update (compared to standard SIMPLE method) that is reasonable with respect to the thermodynamic formulation of the density increment. The method leads to a considerable acceleration of the non-linear SIMPLE convergence not only in cases characterised by a global density change due to the rise of the pressure, but also if the enthalpy is merely spatially distributed in the computational domain. In this contribution we will first discuss the key idea of the new method and compare it to established techniques. Then we will demonstrate its advantages in terms of computational efficiency and robustness for industrial CFD applications, e.g. combustion and engine flow calculations on unstructured grids.

Ignition and combustion of metal particles are the issues of interest for many industrial and aerospace applications. When simulating ignition and combustion of metal particles using available standard models, a number of simplifying assumptions are usually adopted, which are not always justified. The objective of this work is to develop a new particle heating model with the correction factors to the Newton law taking into account transient heat transfer to a particle and nonuniform temperature distribution inside the particle. The new particle heating model was shown to correlate much better with detailed numerical calculations than the standard model. The transient heating effects were proved to be important for the problem of solid particle ignition in the oxidizer gas.

Jet propulsion fuels like Jet-A, JP-10, TS-1, etc. are considered as candidate fuels for advanced propulsion systems including pulse detonation engines (PDE). For PDE applications, there is a need in experimental data on spontaneous ignition of the fuels in the whole range of operating conditions. For simulation purposes, jet propulsion fuels are usually represented by multicomponent blends of primary hydrocarbons. For example, Jet-A and its Russian analog TS-1 are modeled by blends containing n-decane (73%), n-hexane (9.1%), and benzene (18.2%) [1]. Reliable data on high-temperature ignition delays of jet propulsion fuels and the components of the corresponding surrogate fuels in air are available, which is not the case with the low-temperature data. However, veri cation of kinetic mechanisms to be used in simulating dynamics of de agration-to-detonation transition (DDT) or shock-to-detonation transition (SDT) processes in fuel{air mixtures requires information about representative reaction times in the whole range from few microseconds to seconds. Plotting of the measured ignition delays within as wide as possible range would allow one to avoid far extrapolation of the data and signi cant mistakes associated with such extrapolation. This is of particular importance because data reported by various authors cover narrow temperature ranges and the slopes of the Arrhenius plots are assessed with signi cant mistakes. Therefore, one of the goals