Информационная таблица за период с 1.11. 14 по 1.11.15 . ВНЕШНИХ

Информационная таблица за период с 1.11. 14 по 1.11.15 .
Лаборатория (группа): КПГ
Раздел 1.
1. Число ВНЕШНИХ премий, наград, призовых мест, стипендий: 4
а именно:
1. Сертификат победителя конкурса научных работ 10-го Азиатско-Тихоокеанского симпозиуме по
науке о пожаре и технологии, 5-7 октября 2015 г., Цукуба, Япониия, за доклад «Development and
Validation of Skeletal Mechanism for Flame Inhibition by Trimethylphosphate» Т.А. Большова, С.Е.
Якуш, В.М. Шварцберг, А.Г. Шмаков, О.П. Коробейничев, А.А. Чернов.
2. 2-ое место в конкурсе научных работ на Международной научной студенческой конференции
«Студент и научно-технический прогресс» Дмитриев А.М.
3. Стипендия Французского правительства на обучение в совместной Российско-Французской аспирантуре Дмитриев А.М., научный руководитель - Князьков Д.А.
4. Награда за приглашенный доклад Коробейничева О.П. "Изучение механизма действия соединений
фосфора на повышение огнестойкости полимеров" На Международной конференции по технологии теплоизоляции и огнезащиты зданий в Пекине (14.10.2015).
Раздел 2.Участие в грантах и договорах.
2. Участие в грантах РФФИ:
1.
2.
3.
Грант РФФИ №13-03-00823 «Химия и кинетика горения водорода, метана и синтез-газа при повышенных давлениях» (руководитель проф., д.ф.-м.н. О.П. Коробейничев) (закончен)
Грант РФФИ №15-08-05553 «Установление особенностей механизма горения биодизельных
топлив нового поколения» (руководитель к.х.н. А.Г.Шмаков)
Грант РФФИ №15-5-10051_КО_а «Горение газовых смесей трехкомпонентных топлив» (руководитель проф., д.ф.-м.н. О.П. Коробейничев)
3. Участие в грантах РНФ:
4. Число ТЕКУЩИХ грантов 1 , зарубежных контрактов 0, х/д 1
1. Грант Немецкого аэрокосмического центра DLR #0182961 на установление сотрудничества по
теме “Investigation of soot reduction tendency in petroleum-based fuels by addition of bioderived oxygenated compounds” 2013-2015 г, (руководитель проф., д.ф.-м.н. О.П. Коробейничев) (закончен)
2. Х/д с ФГБУ ВО "СГУГиТ" от 25.05.2015 №7/2015 «Определение значений максимальной концентрации кислорода в смеси азотно-кислородной среды с парами нефти или нефтепродуктов, содержащейся в замкнутой полости трубопровода (резервуара), исключающих распространение пламени
(возникновение взрыва) при наличии источника зажигания» (руководитель к.х.н. А.Г.Шмаков) (закончен)
Раздел 3. Повышение квалификации
5. Число защищенных докторских диссертаций: 0
6. Число защищенных кандидатских диссертаций: 0
7. Число защищенных дипломов: 2
1. Дмитриев А.М. «Исследование структуры пламени метана при давлениях 1-5 атм», квалификационная
работа на соискание степени магистра по специальности «физика», ФФ НГУ, руководитель к.ф.-м.н.
Князьков Д.А.
2. Тонких А.В., «Разработка и проверка эффективности пламягасящего порошкового состава для импульсной системы предотвращения взрывов в угольных шахтах», квалификационная работа по специальности
«инженер по безопасности жизнедеятельности», СГУГиТ, руководитель к.ф.-м.н. Чернов А.А.
Раздел 4. Образовательная деятельность
8. Преподавание:
1. Чернов А.А., курс лекций «Теория горения и взрыва», 2 семестра, СГУГиТ.
2. Чернов А.А., практические занятия «Теория горения и взрыва», 2 семестра, СГУГиТ.
3. Шмаков А.Г., лекции «Химия и физика горения», 1 семестр, ФФ НГУ
4. Князьков Д.А. семинарские занятия по физике, 2 семестра, ФЕН НГУ
Раздел 5. Участие в подготовке научных мероприятий
9. Официальное участие в ОРГАНИЗАЦИИ конференций и т.п.:
1.
2.
1-st Asia-Oceania Symposium for Fire Safety Materials Science and Engineering (AOFSM`1), October
2015, Suzhou, China, Коробейничев О.П. – член научного комитета конференции
IX Всероссийская конференция с международным участием «Горение топлив. Теория, эксперимент, приложения (ГТТПЭ-2015)». Шмаков А.Г. – член оргкомитета конференции, Коробейничев О.П. – член программного комитета конференции
10. Организация и проведение экспедиций: нет
Раздел 6. Публикации
11. Опубликовано научно-популярных статей, сделано научно-популярных выступлений: 0
12. Опубликовано монографий, учебников и учебных пособий: 0
13. Опубликовано обзоров: 0
14. Патентов (получено): 0
15. Опубликовано препринтов: 0
16. Опубликовано научных статей в международных или зарубежных журналах: 4
1. Korobeinichev O.P., Gerasimov I.E., Knyazkov D.A., Shmakov A.G., Bolshova T.A., Hansen N.,
Westbrook C., Dayma G., Yang B. An Experimental and Kinetic Modeling Study of Premixed Laminar
Flames of Methyl Pentanoate and Methyl Hexanoate // Zeitschrift für Physikalische Chemie. V. 229(5). P.
759 - 780. 2015.
2. Knyazkov D.A., Dmitriev A.M., Bolshova T.A., Shmakov A.G., Korobeinichev O.P. The effect of methyl
pentanoate addition on the structure of premixed fuel-rich n-heptane/toluene flame at atmospheric
pressure // Combustion and Flame. V. 162(5). P. 1964 - 1975. 2015.
3. Dmitriev A.M., Knyazkov D.A., Bolshova T.A., Tereshchenko A.G., Paletsky A.A., Shmakov A.G.,
Korobeinichev O.P. Structure of CH4/O2/Ar flames at elevated pressures studied by flame sampling
molecular beam mass spectrometry and numerical simulation // Combustion and Flame. V. 162. P. 3946 3959. 2015.
4. Deng L., Kempf A., Hasemann O., Korobeinichev O.P., Wlokas I. Investigation of the sampling nozzle
effect on laminar flat flames // Combustion and Flame. V. 162(5). P. 1737 - 1747. 2015.
17. Опубликовано научных статей в российских журналах, входящих в список ВАК: 5
1.
2.
3.
4.
5.
Герасимов И.Е., Князьков Д.А., Дмитриев А.М., Куйбида, Л.В., Шмаков А.Г., Коробейничев О.П.
Экспериментальное и численное исследование структуры предварительно перемешанного пламени метилдеканоата // Физика горения и взрыва. Т. 51(3). C. 3 – 11. 2015.
Литвиненко Ю.А., Грек Г.Р., Козлов В.В., Коробейничев О.П., Шмаков А.Г. Структура присоединенного диффузионного пламени микроструи водорода, истекающей из щелевого сопла //
Вестн. Новосиб. гос. ун-та. Серия: Физика. Т. 10(2). С. 52–66. 2015.
Шмаков А.Г., Грек Г.Р., Козлов В.В., Коробейничев О.П., Литвиненко Ю.А. Различные режимы
диффузионного горения круглой струи водорода в воздухе // Вестн. Новосиб. гос. ун-та. Серия:
Физика. Т. 10(2). С. 27 - 41. 2015.
Bunev V.A., Shvartsberg V.M., Babkin V.S. Distribution of O atoms from CH2O molecules in the
combustion products of formaldehyde // Mend. Comm. V. 25(2). P. 157 - 158. 2015.
Бабкин В.С., Бунев В.А., Большова Т.А. Явление сверхадиабатических температур в процессах
горения, обусловленное конкуренцией химических реакций // Физика горения и взрыва. Т. 51(2),
С. 14 - 22. 2015.
18. Статей в журналах, не входящих в список ВАК, книгах и трудах конференций (более 3 стр. в печатном виде) при наличии редактора: 3
1. Korobeinichev O.P., Tereshchenko A.G., Paletsky A.A., Shmakov A.G., Gonchikzhapov M.B., Chernov
A.A., Kataeva L.Yu., Maslennikov D.A., Liu N. The velocity and structure of the flame front at spread
of fire across the pine needle bed depending on the wind velocity. // Proceedings of 10th Asia-Oceania
Symposium on Fire Science and Technology (10th AOSFST) Edt. Harada K. et al. [Electronic publication]. 1A05. 2015. (8 pages)
2. Bolshova T.A., Shvartsberg V.M., Shmakov A.G., Korobeinichev O.P., Yakush S.E., Chernov A.A., Development and Validation of Skeletal Mechanism for Flame Inhibition by Trimethylphosphate. // Proceedings of 10th Asia-Oceania Symposium on Fire Science and Technology (10th AOSFST) Edt.
Harada K. et al. [Electronic publication]. 2C11. 2015. (8 pages)
3. Чернов А.А., Шмаков А.Г., Коробейничев О.П., Торопецкий К.В., Тонких А.В. Разработка и оценка эффективности пламягасящего порошкового состава для импульсной системы предотвращения взрывов в угольных шахтах. // Сборник материалов Международного научного конгресса
«СИББЕЗОПАСНОСТЬ-2015», 23-25 сентября 2015., Новосибирск. – Новосибирск, СГГА, 2015,
Ред. - Татаренко В.И., Ромейко В.Л. сс.77-84 (ISBN 978-5-87693-856-5).
19. Тезисов докладов на международных и зарубежных конференциях: 5
1. Korobeinichev O.P., Gonchikzhapov M.B., Paletsky A.A., Shmakov A.G., Tereshchenko A.G., Shundrina I.K. The Study of the Mechanism of TPP Flame Retardancy for UHMWPE Using the Method of Opposed-Flow Diffusion Flames. // Book of abstracts of the European Meeting on Fire Retardancy and
Protection of Materials (FRPM 15). [Electronic publication]. T22. 2015.
2. Kozlov V.V., Grek G.R., Katasonov M.M., Korobeinichev O.P., Litvinenko Yu.A., Shmakov A.G. Jet
flows stability and their combustion. Proceedings of The 13th Asian Symposium on Visualization, June
22–26, 2015, Novosibirsk, Russia. P. 126 – 127.
3. Korobeinichev O.P., Shmakov A.G., Chernov A.A., Toropecky K.V., Markovich D.M., Dulin V.M.
Sources of uncertainties in flame front imaging by PIV technique. Proceedings of The 13th Asian Symposium on Visualization, June 22–26, 2015, Novosibirsk, Russia. P. 118 – 119.
4. Kozlov V.V., Grek G.R., Korobeinichev O.P., Litvinenko Yu.A., Shmakov A.G. Propane and hydrogen
microjet combustion in a transverse acoustic field. Proceedings of The 13th Asian Symposium on Visualization, June 22–26, 2015, Novosibirsk, Russia. P. 128 – 129.
5. Korobeinichev O.P., Gonchikzhapov M.B., Paletsky A.A., Tereshchenko A.G., Shmakov A.G. The
mechanism of polymer combustion and flame retardancy studied by the method of opposed-flow diffu-
sion flames // Proceedings of 1st Asia-Oceania Symposium on Fire Safety Materials Science and Engineering (AOFSM'1). [Electronic publication]. P. 30-31. 2015.
20. Тезисов докладов на Российских конференциях: 0
Раздел 7. Участие в конференциях
21. Сделано докладов на международных и зарубежных конференциях: 6
1. Korobeinichev O.P., Gonchikzhapov M.B., Paletsky A.A., Shmakov A.G., Tereshchenko A.G., Shundrina I.K. The Study of the Mechanism of TPP Flame Retardancy for UHMWPE Using the Method of
Opposed-Flow Diffusion Flames. European Meeting on Fire Retardancy and Protection of Materials
(FRPM 15). Berlin, Germany, 21- 25 June 2015. Устный доклад.
2. Korobeinichev O.P., Gonchikzhapov M.B., Paletsky A.A., Tereshchenko A.G., Shmakov A.G. The
mechanism of polymer combustion and flame retardancy studied by the method of opposed-flow diffusion flames. 1st Asia-Oceania Symposium on Fire Safety Materials Science and Engineering
(AOFSM'1). Suzhou, China, October 9-11, 2015, pp. 30-31. Приглашенный доклад.
3. Korobeinichev O.P., Tereshchenko A.G., Paletsky A.A., Shmakov A.G., Gonchikzhapov M.B., Chernov
A.A., Kataeva L.Yu., Maslennikov D.A., Liu N. The velocity and structure of the flame front at spread
of fire across the pine needle bed depending on the wind velocity. 10th Asia-Oceania Symposium on
Fire Science and Technology (10th AOSFST). Tsukuba, Japan, October 5-7, 2015. Устный доклад.
4. Bolshova T.A., Shvartsberg V.M., Shmakov A.G., Korobeinichev O.P., Yakush S.E., Chernov A.A. Development and Validation of Skeletal Mechanism for Flame Inhibition by Trimethylphosphate. 10th
Asia-Oceania Symposium on Fire Science and Technology (10th AOSFST). Tsukuba, Japan, October
5-7, 2015. Устный доклад.
5. Korobeinichev O.P., The Study of the Mechanism of Phosphorous Compounds Flame Retardancy for
Polymers. The First China International Conference on Building Thermal Insulation and Fire Protection Technology. Beijing, China, October 14, 2015. Приглашенный доклад.
6. Korobeinichev O.P., Shmakov A.G., Chernov A.A., Toropecky K.V., Markovich D.M., Dulin V.M.
Sources of uncertainties in flame front imaging by PIV technique. The 13th Asian Symposium on Visualization, Novosibirsk, Russia, June 22–26, 2015. Устный доклад.
22. Представлено докладов на международных и зарубежных конференциях (имеется в
виду случаи, когда в числе авторов доклада есть сотрудник нашего Института, но
докладчик из другой организации): 2
1. Kozlov V.V., Grek G.R., Katasonov M.M., Korobeinichev O.P., Litvinenko Yu.A., Shmakov A.G. Jet
flows stability and their combustion. The 13th Asian Symposium on Visualization. Novosibirsk, Russia, June 22–26, 2015. Устный доклад.
2. Kozlov V.V., Grek G.R., Korobeinichev O.P., Litvinenko Yu.A., Shmakov A.G. Propane and hydrogen
microjet combustion in a transverse acoustic field. The 13th Asian Symposium on Visualization. Novosibirsk, Russia, June 22–26, 2015. Устный доклад.
23. Сделано докладов на Всероссийских конференциях: 2
а именно:
1. Шмаков А.Г., Грек Г.Р., Козлов В.В., Коробейничев О.П., Литвиненко Ю.А., Различные режимы
диффузионного горения круглой струи водорода в воздухе. Аэродинамика и термодинамика
горения в ГТД и ПВРД. Новосибирск, 23-25 июня 2015 г. Устный доклад.
2. Чернов А.А., Шмаков А.Г., Коробейничев О.П., Торопецкий К.В., Тонких А.В. Разработка и
оценка эффективности пламягасящего порошкового состава для импульсной системы
предотвращения взрывов в угольных шахтах. Международный научный конгресс
«СИББЕЗОПАСНОСТЬ-2015». Новосибирск, 23-25 сентября 2015. Устный доклад.
24. Представлено докладов на Всероссийских конференциях (имеется в виду случаи,
когда в числе авторов доклада есть сотрудник нашего Института, но докладчик из
другой организации): 1
а именно:
1. Литвиненко Ю.А., Грек Г.Р., Козлов В.В., Коробейничев О.П., Шмаков А.Г. Структура присоединённого диффузионного пламени микроструи водорода, истекающей из щелевого сопла.
Аэродинамика и термодинамика горения в ГТД и ПВРД. Новосибирск, 23-25 июня 2015 г.
Устный доклад.
Раздел 8. Экспертная деятельность.
25. Количество экспертиз по заказам внешних организаций: 12
а именно:
РНФ, экспертиза заявки на грант, 12
26. Количество отзывов головной организации, подготовленных лабораторией: 0
27. Количество отзывов официальных оппонентов, представленных сотрудниками лаборатории: 0
28. Количество отзывов на автореферет диссертации, представленных сотрудниками
лаборатории: 3
Далее список по формату:
1. Шмаков А.Г. Бессуднова Елена Владимировна. Кандидатская диссертация. Синтез и исследование
наноразмерных частиц диоксида титана для применения в катализе и нанобиотехнологиях.
Диссертационный совет Д 212.088.03 - Кемеровский государственный университет, Кемерово
2. Коробейничев О.П., Палецкий А.А. Дорж Даваацэрен. Кандидатская диссертация. Газодинамика и
теплообмен при соударении закрученных газовых струй. Диссертационный совет Д 212.285.07
– Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, Екатеринбург.
3. Коробейничев О.П., Палецкий А.А. Худякова Галина Ивановна. Кандидатская диссертация. Экспериментальное исследование термохимической конверсии коксового остатка угля методом
термогравиметрического анализа. Диссертационный совет Д 212.285.07 – Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, Екатеринбург.
Раздел 9. Результаты работы по базовым темам.
Проект V.44.1.9. Исследование процессов горения гомогенных и гетерогенных систем на молекулярном
уровне методами молекулярно-пучковой масс-спектрометрии и численного моделирования.
1. Идентификация соединений и измерение профилей их концентраций в диффузионных пламенах
н-гептан+толуол+метилпентаноат/O2+Ar и этанол+ацетон/O2+N2 при атмосферном давлении
методом молекулярно-пучковой масс-спектрометрии. Численное моделирование химической
структуры
диффузионных
пламен
н-гептан+толуол+метилпентаноат/O2+Ar
и
этанол+ацетон/O2+Ar с применением различных механизмов химических реакций для горения нгептана, толуола, метилпентаноата, этанола и ацетона и сопоставление расчетов с экспериментом, анализ и модернизация химико-кинетического механизма.
а) Методом молекулярно-пучковой масс-спектрометрии исследована химическая структура диффузионного пламени, стабилизированного на противотоках окислителя (О2+Ar) и горючего (н-гептан+Ar
или н-гептан+метилпентаноат+Ar). Цель данного исследования состояла в установлении влияния замены
половины (в мольном отношении) н-гептана метилпентаноатом на структуру пламени. Исследуемые пламена стабилизировались на противоточной горелке с диаметром сопел 7 мм. Расстояние между торцами
сопел составляло 7 мм. Жидкие горючие при помощи шприцевого насоса подавались в испаритель из
которого по прогреваемой линии в газовой фазе направлялись в горелку. Температура линии поддерживалась равной 398 К, чтобы не допустить конденсации паров горючего. Скорости потоков горючего и
окислителя на выходе из сопел горелки поддерживались равными 28 и 29 см/с. Диффузионное пламя при
этом стабилизировалось приблизительно в центре зазора между соплами. Горючее и окислитель в исследованных пламенах имели следующий состав: 1) н-гептан/Ar (0.05/0.95) - O2/Ar (0.24/0.76); 2) нгептан/метилпентаноат/Ar (0.025/0.025/0.95) - O2/Ar (0.24/0.76). Состав газовых потоков был подобран
таким образом, чтобы в пламени был избыток горючего, но при этом не было образования сажи во избежание закупоривания отверстия пробоотборника. Профили температуры в пламенах были измерены микротермопарным методом. Моделирование структуры пламен проводилось с использованием программы
OPPDIF из пакета программ CHEMKIN и детального механизма, который ранее был использован нами
для
моделирования
структуры
предварительно
перемешанных
пламен
нгептан/толуол/метилпентаноат/О2/Ar [Dmitriev, A.M., Knyazkov, D.A., Bolshova, T.A., Shmakov, A.G.,
Korobeinichev, O.P. The effect of methyl pentanoate addition on the structure of premixed fuel-rich nheptane/toluene flame at atmospheric pressure, (2015) Combustion and Flame, 162 (5), pp. 1964-1975].
На рис. 1 представлены измеренные профили температуры в исследованных пламенах. Как видно, добавка метилпентаноата к н-гептану приводит к снижению максимальной температуры в пламени
примерно на 200 К.
1900
топливо: н-гептан+MP
Температура, K
1700
топливо: н-гептан
1500
1300
1100
900
700
500
300
0
1
2
3
4
5
6
7
Расстояние от среза сопла подачи топлива, мм
Рис. 1. Профили температуры в диффузионных пламенах н-гептан/Ar - O2/Ar (квадраты) и нгептан/метилпентаноат/Ar - O2/Ar (ромбы).
На рис. 2 приведены измеренные и рассчитанные профили основных стабильных компонентов в
пламени н-гептан/Ar - O2/Ar. Как видно из приведенных графиков, модель в целом удовлетворительно
описывает полученные экспериментальные данные.
0.25
O2
H2O
CO
CO2
H2
n-heptane
CO
H2
H2O
CO2
O2
n-heptane
Mole fraction
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
0
1
2
3
4
5
6
7
HAB, mm
Рис. 2. Профили концентраций основных стабильных соединений в пламени пламени н-гептан/Ar O2/Ar. Символы: эксперимент; линии - расчет.
На рис. 3 приведено сопоставление измеренных профилей концентраций различных соединений
в пламенах без метилпентаноата и с добавлением метилпентаноата. Как видно, замена половины нгептана метилпентаноатом приводит лишь к незначительному изменению мольной доли основных стабильных продуктов горения (СО2, H2O, CO). Кроме замена половины н-гептана метилпентаноатом прак-
0.05
0
0
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
Distance from fuel side, mm
3
4
5
6
7
0
Distance from fuel side, mm
0.00008
0.00006
0.00004
0.00002
CH4
0.002
Mole fraction
Mole fraction
CH3
0.0001
0.0015
0.001
0.0005
0
0
0
1
2
3
4
5
6
0
7
1
2
3
4
5
6
Mole fraction
C3H3
0.00008
0.00006
0.00004
0.00002
C3H4
0.0003
0.0002
0.0001
0
0
0
1
2
3
4
5
6
Distance from fuel side, mm
7
0
1
2
3
4
5
4
5
6
6
Distance from fuel side, mm
1
2
3
4
5
7
0.00054
0.00045
3
4
5
0.02
3
4
5
6
0
7
C2H4
1
2
3
4
5
6
6
Distance from fuel side, mm
7
0.0003
0.00025
0.0002
0.00015
0.0001
0.00005
0
1
2
3
4
5
6
7
Distance from fuel side, mm
0.00021
0.00018
0.00015
0.00012
0.00009
0.00006
0.00003
0
7
C2H3
0
Distance from fuel side, mm
0.00009
0
2
2
0
C4H4
1
0.03
0
1
0.014
0.012
0.01
0.008
0.006
0.004
0.002
0
7
0.00036
0.00027
0.00018
0
0.04
Distance from fuel side, mm
6
CO
0.05
0.01
0
7
Distance from fuel side, mm
Mole fraction
0.0001
3
C2H2
0
7
0.0004
0.00012
2
0.008
0.007
0.006
0.005
0.004
0.003
0.002
0.001
0
Distance from fuel side, mm
Distance from fuel side, mm
1
Distance from fuel side, mm
0.0025
0.00012
Mole fraction
2
Mole fraction
0.1
0.06
CO2
Mole fraction
0.2
0.15
0.07
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0
1
2
3
4
5
6
7
Distance from fuel side, mm
0.001
C4H2
Mole fraction
0.02
0.25
H2O
Mole fraction
0.03
O2
Mole fraction
0.3
Mole fraction
0.04
n-heptane
Mole fraction
n-heptane
0.01
Mole fraction
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0
0.35
0.05
Mole fraction
Mole fraction
0.06
C4H6
0.0008
0.0006
0.0004
0.0002
0
0
1
2
3
4
5
6
Distance from fuel side, mm
7
0
1
2
3
4
5
6
7
Distance from fuel side, mm
Рис. 3. Экспериментально измеренные профили концентраций стабильных и промежуточных соединений
в пламенах н-гептан/Ar - O2/Ar (темные ромбы) и н-гептан/метилпентаноат/Ar - O2/Ar (светлые квадраты).
тически не изменила максимальную концентрацию метильного радикала и метана. Важно отметить, что
максимальные концентрации других интермедиатов, которые являются потенциальными прекурсорами
полиароматических углеводородов, снижаются при замене половины н-гептана метилпентаноатом. Таким образом, экспериментально установлено, что в диффузионных пламенах н-гептан - О2 замена половины н-гептана метилпентаноатом приводит к значительному снижению концентрации перкурсоров ПАУ
и сажи. Полученные экспериментальные данные являются основой для дальнейшей проверки и уточнения детального химико-кинетического механизма окисления сложных эфиров жирных кислот, являющихся основными компонентами биодизельных топлив.
б) При исследовании пиролиза лесных горючих материалов (ЛГМ) в инертной среде при высоких
скоростях нагрева около 40 град/с методом динамического масс-спектрометрического термического анализа было установлено, что основными продуктами реакции являются ацетон (CH3COCH3), этанол
(C2H5OH), а также вода и диоксид углерода. Состав продуктов пиролиза ЛГМ:
CH3COCH3:C2H5OH:H2O:CO2=0.061:0.019:0.59:0.33.
С целью анализа химии процесса горения продуктов пиролиза ЛГМ и построения сокращенного
химико-кинетического и глобального механизма горения продуктов пиролиза ЛГМ методом численного
моделирования была исследована структура диффузионного пламени на противотоках горючего вышеприведенного состава в воздухе при начальной температуре 800 K и атмосферном давлении. Для моделирования в качестве основы был использован детальный химико-кинетический механизм [N. Leplat, P. Dagaut, C. Togbe, J. Vandooren, Numerical and experimental study of ethanol combustion and oxidation in laminar
premixed flames and in jet-stirred reactor, Combust. Flame 158 (2011) 705-725.], к которому были добавлены
5 детальных реакций окисления ацетона из механизма [C.T. Chong, S. Hochgreb, Measurements of laminar
flame speeds of acetone/methane/air mixtures, Combust. Flame 158 (2011) 490-500.]. Таким образом, объединенный механизм состоял из 260 реакций с участием 47 соединений, включая N2 и Ar.
Построение физико-математической модели горения ЛГМ и распространения пожара по ЛГМ
невозможно без знания химии этих процессов. Использование данного механизма для 3-D моделирования распространения пожара по слою ЛГМ практически невозможно из-за большого числа элементарных
стадий, так как требует больших вычислительных ресурсов. Поэтому для упрощения детального химикокинетического механизма (260 реакций) был использован метод Direct Relation Graph (DRG). Полученный с помощью метода DRG скелетный механизм содержал 91 элементарную реакцию, т.е. был сокращен в ~2.8 раза относительно исходного. Для удовлетворительного согласия условий гашения исследуемого пламени, предсказанных полным и скелетным механизмами, константа ключевой реакции
CH2CO+CH3=C2H5+CO была увеличена в 10 раз по сравнению с ее значением в первоисточнике.
1400
0.05
0.04
1200
0.03
0.02
0.8
1600
CH3COCH3
C2H5OH
1000
Òåì ï åðàòóðà (Ê)
ì î ëüí àÿ äî ëÿ
0.06
CO2
0.4
O2
0.2
0.01
0.00
0.0
N2
H2O
0.6
ì î ëüí àÿ äî ëÿ
0.07
0.2
0.6 ñì
0.4
800
0.0
0.0
0.2
0.4
0.6 ñì
0.0030
0.025
0.0020
ì î ëüí àÿ äî ëÿ
ì î ëüí àÿ äî ëÿ
0.030
OH
0.0025
0.0015
0.0010
H
0.0005
0.0000
0.0
full mech vs Col 4
full mech vs Col 10
0.2
0.4
CO
0.020
0.015
0.010
0.005
0.6 ñì
0.000
0.0
0.2
0.4
0.6 ñì
Рис. 4. Рассчитанные профили температуры и концентрации соединений в диффузионном пламени
CH3COCH3/C2H5OH/H2O/CO2 - О2/N2 (0.061/0.019/0.59/0.33 - 0.21/79). Начальная температура потоков 800 K, скорость потоков окислителя и горючего 36 см/с. Сплошные линии - детальный механизм (260
реакций и 47 соединений), пунктирные линии - скелетный механизм (91 реакция).
Сопоставление профилей температуры и основных стабильных компонентов пламени, рассчитанных с использованием скелетного механизма, и с использованием полного механизма показало их
хорошее совпадение (Рис.4). Тем не менее, полученный скелетный механизм предсказал заниженную на
30% по сравнению с полным механизмом максимальную концентрацию монооксида углерода, а также
заниженные концентрации H и радикала OH на 14% и 31% соответственно. Несмотря на наблюдаемые
расхождения, согласие данных расчета с применением обоих механизмов является удовлетворительным.
Таким образом,
С целью нахождения еще более компактного механизма окисления продуктов пиролиза ЛГМ на
основе анализа полного механизма (260 реакций) был предложен глобальный механизм, состоящий из 2
реакций и включающий 5 соединений.
1. С2H5OH+3O2=>2CO2+3H2O
k1=4.00E+35exp(-30000.0/RT)
2. CH3COCH3+4O2=>3CO2+3H2O
k2=4.00E+35exp(-30000.0/RT)
Данный механизм описывает только тепловую структуру пламени, а также профили концентраций реагентов и конечных продуктов горения. Т.е. 2-х стадийный механизм не позволяет рассчитать профили
концентраций промежуточных соединений и радикалов в исследуемом пламени.
Сопоставление результатов моделирования структуры диффузионного пламени продуктов пиролиза ЛГМ (состава CH3COCH3:C2H5OH:H2O:CO2=0.061:0.019:0.59:0.33) на противотоке с воздухом с использованием глобального 2-х стадийного механизма и результатов моделирования по полному механизму, включающему 260 элементарных реакций, показало, что глобальный механизм удовлетворительно
описывает профили температуры, исходных реагентов и конечных продуктов реакций (Рис. 5).
1800
0.70
1700
0.60
1600
O2 full
T(K)
T(K)_ full
mole fraction
temperature, K
1500
1400
1300
1200
1100
0.50
H2O full
0.40
O2
H2O
0.30
0.20
1000
0.10
900
0.00
800
0
5
10
15
20
0
5
L, mm
0.35
15
20
0.07
0.30
0.06
0.25
С2H5OH
CO2 full
0.05
CH3COCH3
С2H5OH full
0.04
CH3COCH3 full
CO2
mole fraction
mole fraction
10
L, mm
0.20
0.15
0.03
0.10
0.02
0.05
0.01
0.00
0.00
0
5
10
L, mm
15
20
0
5
10
15
20
L, mm
Рис. 5. Профили температуры и концентрации O2, H2O, CO2, CH3COCH3 и C2H5OH , рассчитанные в диффузионном пламени на противотоках CH3COCH3/C2H5OH/H2O/CO2 – O2/N2 с применением полного химико-кинетичнского механизма окисления этанола и ацетона (260 реакций) (сплошная линия) и 2стадийного глобального механизма (пунктирная линия).
Таким образом, для численного моделирования процессов распространения пламени по ЛГМ
предложены как скелетный (включающий 91 элементарную реакцию), так и глобальный механизмы
(включающий 2 глобальных реакции и их константы скорости) окисления продуктов пиролиза ЛГМ.
2. Идентификация соединений и измерение профилей их концентраций в предварительно перемешанных пламенах этилпентаноат/O2/Ar методом молекулярно-пучковой масс-спектрометрии.
Численное моделирование химической структуры предварительно перемешанного пламени этилпентаноат/O2/Ar с применением различных механизмов химических реакций для горения этилпентаноата и сопоставление расчетов с экспериментом, анализ и модернизация механизма.
Методом молекулярно-пучковой масс-спектрометрии с фотоионизацией синхротронным излучением ультрафиолетового диапазона на установке, расположенной в центре синхротронного излучения
Advanced Light Source в национальной лаборатории им. Лоуренса в городе Беркли (США) исследована
структура предварительно перемешанного пламени этилпентаноата с О2/Ar. Детальное описание методики эксперимента приведено в работе [N. Hansen, T.A. Cool, P.R. Westmoreland, K. Kohse-Hӧinghaus, Recent contributions of flame-sampling molecular-beam mass spectrometry to a fundamental understanding of
combustion chemistry // Prog. Energy Combust. Sci. 35, 2009, P. 168-191.].
Предварительно перемешанное ламинарное пламя смеси этилпентаноат/О2/Ar (0.048/0.452/0.5)
стехиометрического состава (φ=1.0) стабилизировалось при давлении в 2.67 кПа (20 торр) на плоской
горелке МакКена диаметром 60 мм. Общий расход горючей смеси составлял 3 ст.л/мин. Поверхность
горелки поддерживалась при температуре 50°С. Отбор газовой пробы из пламени осуществлялся при помощи конического кварцевого зонда с диаметром отверстия 0.35 мм и внутренним углом раствора 40º.
Состав отобранной из пламени пробы определялся с помощью времяпролётного масс-спектрометра рефлекронного типа (Stefan Kaesdorf) с разрешением по массе m/Δm = 1000 и фотоионизацией синхротронным излучением ультрафиолетового диапазона. Калибровка сигналов масс-спектрометра проводилась
аналогично тому, как это было сделано в предыдущих работах [Gerasimov I.E., Knyazkov D.A., Yakimov
S.A., Bolshova T.A., Shmakov A.G., Korobeinichev O.P. Structure of atmospheric-pressure fuel-rich premixed
ethylene flame with and without ethanol // Combustion and Flame 159 (5), 2012, P. 1840-1850.]. Для основных
стабильных соединений точность измерения концентрации составила около 20%. Для некоторых промежуточных продуктов, особенно для тех для которых сечения фотоионизации неизвестны и были оценены,
ошибка может достигать фактора 2 или 3. Профиль температуры в возмущённом пламени был рассчитан
из функции отбора пробы, которая пропорциональна значению давления в первой камере молекулярнопучковой системы [U. Struckmeier, P. Oẞwald, T. Kasper, L. Böhling, M. Heusing, M. Köhler, A. Brockhinke,
K. Kohse-Höinghaus, Z. Phys. Chem. 223 (2009) 503–537.]. Моделирование структуры пламени проводилось с помощью программы PREMIX из пакета программ CHEMKIN с использованием детального механизма химических реакций, взятого из литературы [G. Dayma, F. Halter, F. Foucher, C. Mounaim-Rousselle,
P. Dagaut, Laminar burning velocities of C4-C7 ethyl esters in a spherical combustion chamber: experimental
and detailed kinetic modeling // Energy Fuels 26, 2012, P. 6669-6677].
На рисунке ниже показаны измеренные и рассчитанные профили мольной доли основных стабильных компонентов пламени. Как видно, используемый механизм реакций удовлетворительно описывает экспериментальные данные.
1800
0.50
Mole fraction
0.40
EPE
O2
CO
CO2
H2O
Ar
H2
T
1600
1400
1200
1000
0.30
800
600
0.20
Temperature, K
0.60
400
0.10
200
0
0.00
0
2
4
6
8
10
12
14
HAB, mm
Рис. 6. Экспериментально измеренные и рассчитанные профили концентрации стабильных соединений и
температуры в предварительно перемешанном пламени этилпентаноат/О2/Ar (0.048/0.452/0.5), стабилизированном на плоской горелке при давлении 20 торр. Символы - эксперимент, линии - моделирование.
Кроме приведенных выше основных компонентов, в исследуемом пламени были идентифицированы и измерены профили концентраций следующих промежуточных соединений: CH3, CH4, C2H2, C2H4,
C2H5, CH2O, C2H6, CH3OH, C3H3, C3H4 (аллен и пропин), кетен, пропен, этенол, ацетальдегид, пропан, муравьиная кислота, диметиловый эфир, этанол, диацетилен, винилацетилен, 1,3-бутадиен, 2-бутен, 1-бутен,
метилкетен, ацетон, изо- и н-бутан, н-пропанол, 2-пентен, 1-пентен, н-пентан, 2-пропеновая кислота,
пентеналь, а также первичные промежуточные продукты окисления этилпентаноата: этилпропеноат и
этилбутеноат. Установлено, что используемый литературный механизм удовлетворительно описывает
полученные профили мольной доли большинства указанных выше промежуточных соединений, но по
некоторым было обнаружено существенное расхождение, что указало на необходимость дальнейшего
усовершенствования механизма.
1. Knyazkov D.A., Gerasimov I.E., Korobeinichev O.P., Shmakov A.G., Bolshova T.A., Hansen N.,
"An Experimental and Kinetic Modeling Study of Premixed Laminar Flame of Ethyl Pentanoate", статья
направлена для публикации в Proceedings of the Combustion Institute.
3. Идентификация соединений и измерение профилей их концентраций в диффузионных пламенах
полимеров полиэтилен/воздух и полиметилметакрилат/воздух, в том числе с добавками фосфорсодержащих антипиренов в полимеры, при атмосферном давлении методом молекулярно-пучковой
масс-спектрометрии.
Методом молекулярно-пучковой масс-спектрометрии, жидкостной и газовой хроматографии, элементного анализа и микротермопар исследовано влияние добавки трифенилфосфата (ТФФ), являющегося представителем фосфорсодержащих антипиренов, на химическую и тепловую структуру диффузионного пламени полимер/воздух на противотоке. В качестве полимеров были изучены сверхвысокомолекулярный
полиэтилен (СВМПЭ) и полиметилметакрилат (ПММА). Схема установки для изучения диффузионного
пламени полимера на противотоке с воздухом представлена на Рис.7. В пламени СВМПЭ на расстоянии
0.8 мм от поверхности образца при температуре 1180 С определен состав продуктов горения:
0.14CO2+0.04CO+0.2H2O+0.009H2+0.002CH4+0.012C2H4+0.003C3H6+0.006C4H6+0.0001C6H6+0.03(C7C25
)+0.58N2+0O2. Состав тяжелых углеводородов ((алкан(CnH2n+2)/алкен(CnH2n)/алкадиен(CnH2n-2)) от С7 до
С25 представлен на Рис. 8, структура пламени СВМПЭ/воздух на Рис. 9.
Поток воздуха
Сопло,
фильтр
зонд
= 28 мм
катетометр
14 mm
к МС
Тефлоновое кольцо
термопара пламя
Вода
МС
анализатор
Hiden
Образец
= 14 мм
Вода
Шаговый двигатель
Рис. 7. Схема экспериментальной установки для исследования структуры диффузионного пламени полимера на противотоке с воздухом.
Рис. 8. Состав углеводородов в диффузионном пламени СВМПЭ/воздух на расстоянии 0.8 мм (Т=1180оС)
от поверхности полимера.
0.80
0.60
T
N2
а)
1400
0.20
O2
1000
800
*CO2
*CO
CO2
heavy
0.05
600
Температура, oC
H O
2
0.15
0.10
*C2H4
1200
мольная доля
мольная доля
1600
*H2
0.010
C H
4 6
C H
3 6
0.005
*CH4
400
CO
C H
6 6
200
0.000
0.00
0
0
1
2
3
4
5
расстояние до поверхности, мм
0
1
2
3
4
5
расстояние до поверхности, мм
Рис. 9. Профили концентрации соединений и температуры в диффузионном пламени СВМПЭ/воздух.
Было показано, что при добавлении 5%ТФФ к СВМПЭ: 1) уменьшается массовая скорость его горения
(без учета образования капель) в ~1.4 раза, а линейная - в 1.8 раза; 2) максимум в распределении тяжелых углеводородов по количеству атомов углерода смещается в сторону легких масс (Рис.10) и изменяется суммарное соотношение алкан/алкен/алкадиен в массовых процентах с 42/45/13 на 28/53.5/7.5; 3)
увеличилась зона расходования продуктов пиролиза полимера с 1.5 мм до 2.5 мм (по m/e27, Рис.11); 4)
увеличилась общая ширина зоны пламени в ~1.4 раза (с 3.7 мм до 5 мм), точка максимума температуры
сместилась с 1.5 мм до 2.2 мм, уменьшилось максимальное значение температуры на 150 С (с 1380 С до
1230 С) (Рис. 11); 5) уменьшилось значение градиента скорости при гашении (Рис. 12), являющееся
важной характеристикой горючести полимера.
35
массовая доля, %
30
СВМПЭ
25
СВМПЭ+ТФФ
20
15
10
5
0
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Число атомов углерода
Рис. 10. Распределение углеводородов в диффузионном пламени СВМПЭ/воздух (светлые столбики) и
СВМПЭ+5% ТФФ/воздух (темные столбики).
ПЛАМЯ
ПЛАМЯ
ПЛАМЯ
ПЛАМЯ
5e+5
1400
1400
CO2 чистый
CO2 с ТФФ
800
m27 чистый
m27 с ТФФ
T_чистый
T_с ТФФ
2e+5
600
400
o
Температура, C
1000
O2 с ТФФ
T, чистый, C
1000
o
T, с ТФФ, C
m94 с ТФФ
m65 С ТФФ
m51 с ТФФ
с ТФФ
2000
800
600
1000
o
O2 чистый
3e+5
1200
o
Температура, C
1200
4e+5
интенсивность, отн.ед.
интенсивность, отн.ед.
3000
400
1e+5
200
200
0
0
0
1
2
3
4
5
6
7
0
0
0
8
1
2
3
4
5
6
7
8
расстояние от поверхности образца, мм
расстояние от поверхности образца, мм
Рис. 11. Профили интенсивности пиков масс и температуры в диффузионном пламени СВМПЭ/воздух
(темные символы) и СВМПЭ+5% ТФФ/воздух (светлые символы).
Ì àêñèì óì òåì ï åðàòóðû â ï ëàì åí è,oC
1450
1400
1350
1300
ÑÂÌ Ï Ý
1250
ÑÂÌ Ï Ý+5%ÒÔÔ
1200
1150
40
50
60
70
80
90
100
ñêî ðî ñòü î êèñëèòåëÿ, ñì /ñ
Рис. 12. Зависимость максимальной температуры пламени от скорости потока воздуха в диффузионном
пламени СВМПЭ/воздух (круги) и СВМПЭ+5% ТФФ/воздух (треугольники).
1400
N2
1000
O2
CO2
0.20
1200
800
0.15
0.05
ПММА - сплошная линия
+5% ТФФ - прерывистая
H2O
0.10
600
400
0
T
Температура, С
мольная доля
1.00
0.80
0.60
0.25
200
MMA
0.00
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
расстояние до образца, мм
Рис. 13. Профили концентрации соединений и температуры в диффузионном пламени ПММА/воздух
(сплошные линии) и ПММА+5%/воздух (штрих-пунктирные линии). ММА - метилметакрилат.
Добавление 5% ТФФ не изменило температуру поверхности полимера, равную 522±8 ○С. С помощью
хроматографии и ИК-Фурье спектроскопии показано образование фосфорсодержащих соединений (фосфаты, эфиры, карбонаты) на поверхности горения СВМПЭ с добавкой ТФФ при его горении. Элементным анализом показано, что половина добавки ТФФ остается в конденсированной фазе, а другая половина выходит в газовую фазу.
С использованием пакета OPPDIFF программы ChemKin II и c помощью детального механизма
USC 2.0 было проведено численное моделирование структуры диффузионного пламени модельной смеси
продуктов разложения СВМПЭ (С3H4, C4H6, C6H6) на противотоке с воздухом. Результаты моделирования
находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными.
На основании полученного набора экспериментальных данных было сделано заключение, что
основное ингибирующее действие на горение СВМПЭ добавка ТФФ оказывает не в конденсированной, а
в газовой фазе.
При изучении диффузионного пламени ПММА/O2/N2 процентное содержание кислорода в газообразном окислителе было снижено до 18%, т.к. при 21% O2 на поверхности полимера происходило значительное образование углеродистых частиц, препятствующих исследованию структуры газового пламени. Предварительные эксперименты показали (Рис. 13), что при добавлении 5% ТФФ к ПММА скорость
горения полимера не изменилась, ширина зоны пламени не изменилась, максимальное значение температуры в пламени уменьшилось незначительно, т.е. заметного ингибирующего эффекта добавки 5% ТФФ в
ПММА на горение этого полимера обнаружено не было.
Разработанный метод изучения структуры диффузионного пламени полимер/воздух на противотоке может быть использован для изучения механизма горения полимеров, а также механизма действия
антипиренов.
1. Гончикжапов М.Б., Палецкий А.А., Терещенко А.Г., Шундрина И.К., Куйбида Л.В., Шмаков
А.Г., Коробейничев О.П., “Структура пламени сверхвысокомолекулярного полиэтилена на противотоке с воздухом” Статья принята к публикации в журнал “Физика горения и взрыва”
2. Korobeinichev O.P., Gonchikzhapov M.B., Paletsky, A.A. Tereshchenko A.G., Shundrina I.K., Kuibida L.V., Shmakov A.G, “Counterflow Flame of Ultrahigh-Molecular-Weight Polyethylene with and
without Triphenylphosphate” Статья направлена в журнал “Combustion and Flame”
3. Коробейничев О.П.,Гончикжапов М.Б., Палецкий А.А., Терещенко А.Г., Шмаков А.Г., Шундрина И.К., «Изучение механизма горения и деструкции полимеров, снижения их горючести добавками антипиренов с помощью метода пламен на противотоке», статья представлена в сборник трудов IX Всероссийской конференции с международным участием «Горение топлива: теория, эксперимент, приложения», 16-18 ноября 2015 года, г. Новосибирск, ИТ СО РАН
4. Идентификация продуктов и определение кинетики процессов пиролиза, скорости горения целлюлозосодержащих горючих материалов
Экспериментально с помощью микротермопар измерено распределение температуры, а также с
помощью масс-спектрометра с микрозондовым отбором пробы измерены профили концентрации О 2 и
основных продуктов горения (СО2, СО, Н2О) в пламени отдельной хвоинки сосны сибирской при ее вертикальном расположении и в случае распространения пламени сверху вниз (рис. 14). Также методом
микротермопар измерено распределение температуры в хвоинке при распространении по ней пламени
(рис 15). Измерена зависимость скорости распространения пламени по отдельной хвоинке от скорости
встречного потока воздуха в случае ее вертикального расположения и распространении пламени сверху
вниз. Полученные экспериментальные результаты позволяют охарактеризовать условия для отдельных
стадии горения хвоинки - пиролиз, горение продуктов пиролиза и коксового остатка, а также являются
базой для проверки и уточнения численных моделей, описывающих распространение пламени по отдель-
и, м
м
6
яни
е до
O2
инк
8
7
0,10
х во
0,15
5
4
0,05
2
0,00
0
10
20
Расстояние до фр
0
30
онта пламени, мм
Рас
1
с то
3
Fig. 3.2
Fig. 3.4
Мольная доля кислорода
Fig. 3.1
Fig. 3.3
0,20
Рис. 14 . Профили концентрации O2 в пламени хвоинки. Внизу показана фотография хвоинки при распространении по ней пламени.
ным элементам лесных горючих материалов.
1600
1400
Температура, оС
1200
1000
800
600
400
200
0
40
30
20
Р
10
фр асст
0
он оя
та ние
пл
д
мм аме о
ни
,
-10
8
6
4
2
до
ояние
мм
Расст
0
-2
ки ,
х во и н
Fig.
3.2
Рис. 15. Профили температуры в конденсированной и в газовой фазах при распространении пламени
по хвоинке, измеренные с помощью микротермопары. Внизу слева показана фотография хвоинки при
распространении по ней пламени.
Fig.
3.3
Fig.
3.1
Fig.
3.4
В лабораторных условиях изучена зависимость скорости распространении пламени по слою хвои Сибирских бореальных лесов, исследовано пространственное распределение температуры газа над поверхностью слоя, вблизи нее и внутри слоя, температура поверхности слоя, состав газообразных продуктов и
распределения их концентраций внутри слоя, поле скоростей потока газа вблизи фронта пламени, угол
наклона фронта пламени, степень выгорания хвои, а также изучено влияние скорости ветра и его направления относительно фронта пламени, а также толщины слоя на эти характеристики. Установлено, что при
толщине слоя хвои 17 мм, увеличение скорости ветра в диапазоне 0.15 – 0.2 м/с приводит к резкому изменению режим горения, а также резкому изменению структуры фронта пожара, в том числе профилей
температуры и концентраций газообразных продуктов пиролиза и их горения внутри слоя хвои. При низких скоростях ветра пламя проникает внутрь слоя, при больших этого не происходит. При скоростях ветра 0.15 м/с и выше с ростом скорости ветра вместе с резким ростом скорости пламени (Рис. 16) резко
уменьшается угол наклона фронта пламени, максимальная температура во фронте пламени в середине
слоя уменьшается с 1200оС до ~300оС , увеличивается ширина зоны пламени (по результатам измерения
температуры и концентрации О2 и CO2) (Рис 17, 18), уменьшается степень выгорания хвои. При распро-
странении пожара навстречу ветру изменяется структура фронта пожара и зависимость скорости распространения пожара от скорости ветра. При уменьшении толщины слоя в 4 раза изменяются зависимости
параметров распространения пожара от скорости ветра. Полученные в работе данные могут быть использованы при разработке модели распространения низового лесного пожара.
10
1200
1
1000
8
800
o
Temperature, C
Flame spread velocity, mm/s
2
6
600
4
400
2
200
0
0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
Wind velocity, m/s
Рис. 16. Зависимость скорости распространения пламени по слою сосновой хвои (1) и температура в
середине слоя хвои (2) от скорости ветра.
% by vol.
20
O2
15
10
CO2
5
TM
o
C2H5OH (x15)
1000
O2
CO2
C2H5OH (x15)
T1
M
T2S
TS
Temperature, C
1500
0
500
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
L, cm
Рис. 17. Профили температуры в середине (Т M) и на поверхности (ТS) слоя хвои, а также профили
концентрации CO2, O2 и этанола в середине слоя хвои, при скорости ветра 0.1 м/с.
% by vol.
20
CO2
O2
15
10
TS
600
O2
CO2
C2H5OH (x15)
T1
M
T2
S
TM
400
200
o
C2H5OH (x15)
0
Temperature, C
5
0
0
20
40
60
80
100
120
140
L, cm
Рис. 18. Профили температуры в середине (Т M) и на поверхности (ТS) слоя хвои, а также профили
концентрации CO2, O2 и этанола в середине слоя хвои, при скорости ветра 0.2 м/с.
1. Шмаков A.Г., Коробейничев O.П., Осипова К.Н., Пахомов Д.Д. Экспериментальное изучение
скорости распространения, тепловой и химической структуры пламени хвоинки сосны, статья представлена в сборник трудов IX Всероссийской конференции с международным участием «Горение топлива:
теория, эксперимент, приложения», 16-18 ноября 2015 года, г. Новосибирск, ИТ СО РАН
2. Oleg P. Korobeinichev , Alexander G. Tereshchenko , Alexander A. Paletsky, Andrey G. Shmakov,
Anatoly A. Chernov, Naian Liu, The Velocity and the Structure of the Flame Front at the Spread of Fire Across
the Pine Needle Bed Depending on the Wind Velocity, статья направлена для публикации в Proceedings of the
Combustion Institute.
5. Идентификация соединений и измерение распределения их концентраций в предварительно перемешанных и диффузионных струйнх пламенах водорода и углеводородов при введении в топливо
добавок Н2, СO2, а также при акустическом воздействии.
а). Изучено влияние добавки CO2 на структуру ламинарных предварительно перемешанных пропановоздушных пламен, стабилизированных на плоской горелке при давлении 1 атм. Методом молекулярно-пучковой масс-спектрометрии были измерены профили мольной доли реагентов (С3Н8, О2, СО2),
основных промежуточных соединений (СН3, СН4, CH2O, C2H2, C2H3, C2H4, C2H6, C3H3, C3H4) и конечных
продуктов (Н2О, СО, СО2, Н2) в богатых топливом (φ = 1,2) пламенах смесей: C3H8/О2/N2 и
С3Н8/О2/N2/CO2 (Рис 19, 20). Методом численного моделирования с использованием кода PREMIX и трех
детальных химико-кинетических механизмов горения легких углеводородов (AramcoMech 1.3, механизма
Коннова и GRI-Mech 3.0) рассчитаны профили концентраций вышеперечисленных соединений и результаты расчетов сопоставлены с полученными в настоящей работе экспериментальными данными, а также
с ранее полученными в нашей лаборатории данными для метано-воздушных пламен с добавкой CO2. Измерения показали, что замена 15% N2 на СО2 в пропано-воздушных смесях приводит к снижению температуры в конечной зоне пламени и уменьшению максимальной концентрации большинства промежуточных соединений в реакционной зоне. Проведён анализ преимуществ и недостатков использованных химико-кинетических механизмов горения легких углеводородов для описания новых экспериментальных
данных. Выполненные расчёты также позволили разделить химическое и теплофизическое влияние добавки CO2 на метано- и пропано-воздушные пламена. Было установлено, что химический эффект добавки
СО2 проявляется сильнее в пламени метана по сравнению с пламенем пропана. Это объясняется различной реакционной способностью метана и пропана. Был проведен анализ механизмов AramcoMech 1.3 и
Коннова для выявления сути изменений в кинетике окисления метана и пропана, вызванных добавлением
CO2 в исходные горючие смеси. Анализ показал, что добавка CO 2 приводит к изменению соотношения
концентрации радикалов ОH и H в сторону увеличения ОН в результате участия СО 2 в реакции
СО2+Н=СО+ОН. Увеличение концентрации OH, в свою очередь, приводит к увеличению скорости образования легких кислородсодержащих углеводородов и в то же время уменьшает скорость образования
тех углеводородов, которые являются типичными предшественниками ПАУ.
2200
1200
CO2
1000
800
CO
0.05
600
H2
200
0
1
2
3
4
Height above burner, mm
(a)
1200
0.15
H2O
0.10
5
1000
800
CO
600
0.05
400
H2
400
0.00
1400
CO2
C3H8
1400
Mole fraction
0.15
1600
0.20
Temperature, K
1600
1800
T
O2
1800
H2 O
C3H8
Mole fraction
0.20
0.10
0.25
2000
T
O2
Temperature, K
0.25
0.00
200
0
1
2
3
4
5
Height above burner, mm
(b)
Рис. 19. Профили мольной доли основных стабильных компонентов и профили температуры в богатых (φ=1.2) пламенах C3H8/O2/N2 (а) и C3H8/CO2/O2/N2 (b). Точки: эксперимент, линии: моделирование (штрихпунктирная линии: AramcoMech 1.3, сплошная линия: механизм Коннова, штрихдвойной пунктир: GRI-Mech 3.0). Температурные профили показаны сплошными линиями. Крупные символы в правой части участков соответствуют термодинамически равновесным концентрациям соответствующих компонентов.
1.4x10-3
10-2
1.2x10-3
8x10-3
10-3
6x10-3
8.0x10-4
6.0x10-4
CH3
4x10-3
CH4
4.0x10-4
2x10-3
2.0x10-4
0
0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
10-2
3x10-5
8x10-3
6x10-3
2x10-5
C2 H 4
4x10-3
C 3H 3
Mole fraction
10-5
2x10-3
0
0.0
8x10-5
0
0.5
1.0
1.5
2.0
0.0
2.5
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
2x10-4
6x10-5
C2H3
4x10-5
C 3 H4
10-4
5x10-5
2x10-5
0
0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
4x10-3
3x10-3
C2H6+CH2O
3x10-3
2x10-3
C 2H 2
2x10-3
10-3
10-3
0
0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Height above burner, mm
Рис. 20. Профили мольной доли промежуточных соединений (точки: эксперимент, линии: моделирование) в богатом (ф = 1,2) пламени C3H8/O2/N2 с добавкой (темные точки и тонкие линии) и без добавки (светлые точки и толстые линии) 15% CO2. Штрих-пунктирная линия: AramcoMech 1.3, сплошная
линия: механизм Коннова.
1. Shmakov A.G., Knyazkov D.A., Bolshova T.A., Dmitriev A.M., Korobeinichev O.P., "Effect of CO2 addition
on the structure of premixed fuel-rich CH4/O2/N2 and C3H8/O2/N2 flames stabilized on a flat burner at
atmospheric pressure", статья направлена в журнал “Energy and Fuels”
б). Экспериментально исследованы режимы горения и структуры диффузионного пламени водорода, образующегося при истечении с высокой скоростью водорода в воздух через круглые сопла диаметром 5.00.03 мм (Рис. 21), а также через щелевые сопла 2х0.3, 0.68х0.125 и 3х0.1 мм (Рис. 22). Найден диапазон
скоростей истечения водородной струи и диаметров сопловых отверстий, при котором пламя разделяется
на две зоны: с ламинарным и турбулентным течением. Установлено, что зона с ламинарным течением
является эффективным стабилизатором горения всего пламени в целом, а в зоне с турбулентным течением происходит интенсивное смешение горючего с окислителем. Горение в этих двух зонах может происходить независимо друг от друга, но наиболее устойчивый режим наблюдается только при существовании пламени в зоне с ламинарным течением. Полученные данные позволяют более глубоко понять особенности режимов микроструйного горения водорода, перспективного для различных горелочных
устройств, в том числе горелок с низкой эмиссией окислов азота.
Рис. 21. Теневые картины диффузионного горения круглой струи водорода в зависимости от скорости истечения струи (м/с): а = 204; б = 611; в = 652; г = 713; д = 815; е = 916; ж = 1 120; з = 1222; и =
1405; к =1426; л = 1527; м = 1 568; диаметр выходного сопла d = 250 мкм (Sсопла 4.9*10-4 см2), присоединенное пламя
Рис. 22. Теневые картины процесса диффузионного горения плоской струи водорода в двух ракурса: h и l (сопло: l = 2 000 мкм, h = 300 мкм), U струи = 250 м/с
1.
Литвиненко Ю.А., Грек Г.Р., Козлов В.В., Коробейничев О.П., Шмаков А.Г. "Структура присоединенного диффузионного пламени микроструи водорода, истекающей из щелевого сопла" // Вестн. Новосиб. гос. ун-та. Серия: Физика. Т. 10(2). С. 52–66. 2015.
2.
3.
4.
5.
Шмаков А.Г., Грек Г.Р., Козлов В.В., Коробейничев О.П., Литвиненко Ю.А. "Различные режимы диффузионного горения круглой струи водорода в воздухе" // Вестн. Новосиб. гос. унта. Серия: Физика. Т. 10(2). С. 27 - 41. 2015.
Kozlov V.V., Grek G.R., Katasonov M.M., Korobeinichev O.P., Litvinenko Yu.A., Shmakov A.G.
"Jet flows stability and their combustion" // Proceedings of The 13th Asian Symposium on Visualization, June 22–26, 2015, Novosibirsk, Russia. P. 126 – 127.
Kozlov V.V., Grek G.R., Korobeinichev O.P., Litvinenko Yu.A., Shmakov A.G. "Propane and hydrogen microjet combustion in a transverse acoustic field" // Proceedings of The 13th Asian Symposium on Visualization, June 22–26, 2015, Novosibirsk, Russia. P. 128 – 129.
Козлов В.В., Грек Г.Р., Катасонов М.М., Коробейничев О.П., Литвиненко Ю.А., Шмаков
А.Г., "Горение истекающей в воздух высокоскоростной микроструи водорода" // принято к
печати в Доклады Академии Наук
Раздел 10. Результаты работы по грантам, х/д
1. Грант РФФИ №13-03-00823 «Химия и кинетика горения водорода, метана и синтез-газа при повышенных давлениях»
Методом молекулярно-пучковой масс-спектрометрии проведены детальные исследования химической и
тепловой структуры предварительно перемешанных пламен Н2/О2/Ar (0.133/0.067/0.8), стабилизированных на плоской горелке при давлениях 1-5 атм. Измерены профили мольной доли реагентов, основных
стабильных продуктов и некоторых промежуточных соединений, включая Н, ОН и O радикалов, а также
HO2 и H2O2. Нужно отметить, что измерение концентрации радикалов Н, ОН и O в водородных пламенах
при давлениях 3 и 5 атм. методом молекулярно-пучковой масс-спектрометрии было проведено впервые в
мире. Экспериментальные данные были сравнены с результатами численного моделирования с использованием детальных механизмов химических реакций окисления водорода Коннова [F.H.V. Coppens, J. De
Ruyck, A.A. Konnov, Combust. Flame 149 (2007) 409–417.] и Драера [M.P. Burke, M. Chaos, Y. Ju, F.L.
Dryer, S.J. Klippenstein "Comprehensive H2/O2 Kinetic Model for High-Pressure Combustion," Int. J. Chem.
Kinet. 44 (#7) (2012) 444-474.]. Моделирование проводилось по температурным профилям, измеренным с
помощью термопар в присутствии пробоотборника, для учета охлаждающего действия зонда. Механизм,
в целом, правильно предсказал абсолютные значения мольных долей O2, H2O, H2, Н, ОН, О, HO2 и H2O2
в пламени и их зависимость от давления. Концентрация носителей цепи (H, O OH) в пламени сильно зависит от давления. Экспериментально установлено, что максимальная концентрация атомов H, O и радикала OH при повышении давления от 1 до 3 атм. резко снижается. При этом максимальная мольная доля
H снижается на порядок, а атома кислорода и гидроксила в 4.8 и 3.1 раза соответственно. Дальнейшее
повышение давления с 3 до 5 атм. практически не влияет на концентрацию носителей цепи.
Для понимания механизма данной зависимости были рассчитаны профили результирующих скоростей образования H, O и OH в пламенах при давлении 1 и 3 атм. В атмосферном пламени основными
реакциями образования атома водорода являются стадия разветвления O + H2 = H + OH и стадия образования воды H2 + OH = H2O + H. Расходуется атом водорода по реакции H +O2 = O + OH и в меньшей степени по стадии H + HO2 = OH + OH. Важно отметить, что реакции рекомбинации не вносят заметного
вклада в скорость расходования H в пламени при атмосферном давлении.
При давлении 3 атм. кроме вышеназванных стадий важную роль в расходовании атома H играют
реакции рекомбинации H + O2 + Ar = HO2 + Ar и H + O2 + H2O = HO2 + H2O, что вполне предсказуемо,
т.к. возрастание роли тримолекулярных реакций с ростом давления хорошо известно.
В пламенах при атмосферном и повышенном давлении ключевую роль в образовании и расходования радикала OH играют одни и те же реакции. Соотношение между скоростями этих реакций с ростом
давления меняется: при повышенном давлении реакция HO2 + H = OH + OH является основным путем
образования гидроксилов, тогда как при атмосферном давлении радикалы OH в основном образуются в
реакциях O + H2 = H + OH и H +O2 = O + OH. В этом случае причиной снижения концентрации OH в
пламени при повышении давления, по-видимому, является понижение концентрации атома H, который
играет ключевую роль в горении водорода вообще и в образовании гидроксила в частности.
Суммарная скорость образования O атомов практически полностью складывается из реакций O +
H2 = H + OH (расходование) и H +O2 = O + OH (образование). Незначительный вклад в образование атомов O вносит реакция OH + OH = H2O + O. Однако при давлении 3 атм. стадия OH + OH = H2O + O меняет направление и таким образом образуется канал расходования атомов кислорода. Следовательно, падение концентрации O атомов в пламени с повышением давления объясняется изменением направления и
увеличением абсолютной величины скорости реакции OH + OH = H2O + O. Следует заметить, что падение концентрации H атомов в пламени с ростом давление от 1 до 3 атм также понижает скорость образования атомов кислорода.
0,00
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
Расстояние от поверхности горелки, см
Эксперимент
расчет, механизм Коннова
0,06
0,04
0,02
0,00
0,0
концентрация H 2O, мольная доля
0,15
0,1
0,2
0,3
0,4
Расстояние от поверхности горелки, см
0,12
0,09
0,06
0,03
Эксперимент
расчет, механизм Коннова
0,00
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
концентрация HO 2, мольная доля
0,04
0,030
Эксперимент
расчет, механизм Коннова
0,025
0,020
0,015
0,010
0,005
0,000
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
Расстояние от поверхности горелки, см
0,004
концентрация H 2O2, мольная доля
0,08
концентрация H, мольная доля
0,12
концентрация O, мольная доля
концентрация O 2, мольная доля
0,08
Эксперимент
расчет, механизм Коннова
Эксперимент
расчет, механизм Коннова
0,003
0,002
0,001
0,000
0,0
концентрация OH, мольная доля
концентрация H 2, мольная доля
0,16
0,1
0,2
0,3
Расстояние от поверхности горелки, см
0,00015
Эксперимент
расчет, механизм Коннова
0,00012
0,00009
0,00006
0,00003
0,00000
0,00
0,00010
0,05
0,10
0,15
0,20
Расстояние от поверхности горелки, см
Эксперимент
расчет, механизм Коннова
0,00008
0,00006
0,00004
0,00002
0,00000
0,00
0,4
0,05
0,10
0,15
0,20
Расстояние от поверхности горелки, см
0,0035
0,0028
0,0021
0,0014
0,0007
Эксперимент
расчет, механизм Коннова
0,0000
0,0
Расстояние от поверхности горелки, см
0,1
0,2
0,3
0,4
Расстояние от поверхности горелки, см
расчет, механизм Драера
расчет, механизм Коннова
Эксперимент
0,09
0,06
0,03
0,00
0,00
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
концентрация O, мольная доля
0,06
0,04
0,02
0,15
0,002
0,001
0,000
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,03
0,10
0,12
расчет, механизм Драера
расчет, механизм Коннова
Эксперимент
0,06
0,03
0,00
0,00
0,03
0,06
0,09
0,09
0,12
0,15
0,0008
расчет, механизм Драера
расчет, механизм Коннова
Эксперимент
0,0006
0,0004
0,0002
0,0000
0,00
0,12
Расстояние от поверхности горелки, см
0,15
0,03
0,06
0,09
0,12
0,15
Расстояние от поверхности горелки, см
Расстояние от поверхности горелки, см
0,09
0,06
Расстояние от поверхности горелки, см
расчет, механизм Драера
расчет, механизм Коннова
Эксперимент
0,00
0,00
расчет, механизм Драера
расчет, механизм Коннова
Эксперимент
0,003
Расстояние от поверхности горелки, см
концентрация OH, мольная доля
концентрация H 2O, мольная доля
0,08
0,01
0,004
0,00018
0,00016
расчет, механизм Драера
расчет, механизм Коннова
Эксперимент
0,00014
0,00012
0,00010
0,00008
0,00006
0,00004
0,00002
0,00000
0,00
0,03
0,06
0,09
0,12
0,15
Расстояние от поверхности горелки, см
концентрация H 2O2, мольная доля
0,12
концентрация HO 2, мольная доля
концентрация H, мольная доля
0,15
концентрация O 2, мольная доля
концентрация H 2, мольная доля
Рис. 23. Профили концентраций стабильных веществ, атомов, радикалов и промежуточных соединений в стехиометрическом предварительно перемешанном пламени Н2/О2/Ar
(0.133/0.067/0.8) стабилизированном на плоской горелке при давлении 1 атм. Символы - эксперимент, линии - моделирование.
0,00014
0,00012
расчет, механизм Драера
расчет, механизм Коннова
Эксперимент
0,00010
0,00008
0,00006
0,00004
0,00002
0,00000
0,00
0,03
0,06
0,09
0,12
0,15
Расстояние от поверхности горелки, см
0,0016
0,0012
0,0008
0,0004
0,0000
0,00
расчет, механизм Драера
расчет, механизм Коннова
Эксперимент
0,03
0,06
0,09
0,12
0,15
Расстояние от поверхности горелки, см
Рис. 24. Профили концентраций стабильных веществ, атомов, радикалов и промежуточных соединений в стехиометрическом предварительно перемешанном пламени Н2/О2/Ar (0.133/0.067/0.8)
стабилизированном на плоской горелке при давлении 3 атм. Символы - эксперимент, линии - моделирование.
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
0,00
0,03
0,06
0,09
0,12
0,15
0,06
0,04
0,02
0,00
0,00
0,03
0,06
0,09
0,12
концентрация O, мольная доля
концентрация O 2, мольная доля
расчет, механизм Драера
расчет, механизм Коннова
Эксперимент
0,15
расчет, механизм Драера
расчет, механизм Коннова
Эксперимент
0,09
0,06
0,03
0,00
0,00
0,03
0,06
0,09
0,12
Расстояние от поверхности горелки, см
0,15
концентрация OH, мольная доля
концентрация H 2O, мольная доля
0,12
0,0016
0,0012
0,0008
0,0004
0,0000
0,00
0,03
0,06
0,09
0,12
0,15
0,00018
0,00016
расчет, механизм Драера
расчет, механизм Коннова
Эксперимент
0,0005
0,0004
0,0003
0,0002
0,0001
0,0000
0,00
0,03
0,06
0,09
0,12
расчет, механизм Драера
расчет, механизм Коннова
Эксперимент
0,00014
0,00012
0,00010
0,00008
0,00006
0,00004
0,00002
0,00000
0,00
0,03
0,06
0,09
0,15
0,12
Расстояние от поверхности горелки, см
0,0006
0,15
Расстояние от поверхности горелки, см
Расстояние от поверхности горелки, см
0,15
расчет, механизм Драера
расчет, механизм Коннова
Эксперимент
Расстояние от поверхности горелки, см
Расстояние от поверхности горелки, см
0,08
0,0020
концентрация HO 2, мольная доля
расчет, механизм Драера
расчет, механизм Коннова
Эксперимент
концентрация H 2O2, мольная доля
0,12
концентрация H, мольная доля
концентрация H 2, мольная доля
0,14
0,00012
расчет, механизм Драера
расчет, механизм Коннова
Эксперимент
0,00009
0,00006
0,00003
0,00000
0,00
0,03
0,06
0,09
0,12
0,15
Расстояние от поверхности горелки, см
0,0010
0,0008
0,0006
0,0004
0,0002
0,0000
0,00
расчет, механизм Драера
расчет, механизм Коннова
Эксперимент
0,03
0,06
0,09
0,12
0,15
Расстояние от поверхности горелки, см
Рис. 25. Профили концентраций стабильных веществ, атомов, радикалов и промежуточных соединений в стехиометрическом предварительно перемешанном пламени Н2/О2/Ar (0.133/0.067/0.8)
стабилизированном на плоской горелке при давлении 5 атм. Символы - эксперимент, линии - моделирование.
1. Князьков Д.А., Дмитриев А.М., Шмаков А.Г., Шварцберг В.М., Коробейничев О.П., "Структура водороднокислородных пламен и химия горения водорода при повышенных давлениях", статья
направлена для публикации в Proceedings of the Combustion Institute.
2. Грант РФФИ №15-08-05553 «Установление особенностей механизма горения биодизельных топлив
нового поколения»
В мире намечается тенденция к применению биодизельного топлива второго поколения на основе этанола и растительных жиров (или этиловых эфиров жирных кислот - ЭЭЖК). В отличие от биодизеля первого поколения, получаемого с использованием метилового спирта, биодизельные топлива второго
поколения более экологичны в производстве и использовании. С целью установления связи между химическим строением молекул биодизельного топлива второго поколения и путями его превращений в пламени, механизмом образования тех или и иных промежуточных и конечных продуктов горения, а также
макрокинетических характеристик пламен ЭЭЖК экспериментально исследована структура (профили
концентрации исходных, промежуточных соединений и конечных продуктов горения, включая предшественников образования сажи (ПАУ), а также профилей температуры) пламен стехиометрических (f=1.0)
и богатых (f=1.5) предварительно перемешанных горючих смесей этилацетата и метилпропаноата с O2 и
Ar, стабилизированных на плоской горелке при 1 атм методами молекулярно-пучковой массспектрометрии, микротермопар и численного моделирования.
Сопоставление экспериментальных данных с результатами численного моделирования с использованием программы PREMIX из пакета программ CHEMKIN и детальных химико-кинетических механизмов [G. Dayma, F. Halter, F. Foucher, C. Mounaim-Rousselle, P. Dagaut, Laminar burning velocities of C4C7 ethyl esters in a spherical combustion chamber: experimental and detailed kinetic modeling // Energy Fuels
26, 2012, P. 6669-6677.; Korobeinichev O.P., Gerasimov I.E., Knyazkov D.A., Shmakov A.G., Bolshova T.A.,
Hansen N., Westbrook C.K., Dayma G., Yang B. An experimental and kinetic modeling study of premixed
laminar flames of methyl pentanoate and methyl hexanoate // Zeitschrift für Physikalische Chemie. - 2015. - V.
229. - № 5. P. 759-780.] показало их удовлетворительное согласие для большинства исходных компонентов и конечных продуктов горения. По некоторым промежуточным соединениям обнаружены существенные расхождения экспериментальных данных и результатов моделирования, что свидетельствует о
необходимости уточнения кинетических моделей горения ЭЭЖК.
Концентрация, мольная доля
0.18
0.16
O2
H2O
0.14
0.12
0.1
CO2
0.08
EA
0.06
CO
0.04
0.02
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Расстояние от поверхности горелки, мм
Рис. 26. Экспериментально измеренные и рассчитанные профили концентрации стабильных
соединений в предварительно перемешанном стехиометрическом пламени этилацетат/О2/Ar,
стабилизированном на плоской горелке при давлении 1 атм. Символы - эксперимент, линии моделирование.
1. Шмаков A.Г., Князьков Д.А., Герасимов И.Е., Дмитриев А.М., Шварцберг В.М., Большова Т.А., Коробейничев O.П., Хансен Н., "Исследование кинетики и механизма горения модельных компонентов биодизельных топлив второго поколения на основе этиловых эфиров жирных кислот методами зондовой молекулярно-пучковой масс-спектрометрии и численного моделирования" (тезисы доклада), представлены на
IX Всероссийскую конференцию с международным участием «Горение топлива: теория, эксперимент,
приложения», 16-18 ноября 2015 года, г. Новосибирск, ИТ СО РАН
3. Х/д с ФГБУ ВО "СГУГиТ" от 25.05.2015 №7/2015 «Определение значений максимальной концентрации кислорода в смеси азотно-кислородной среды с парами нефти или нефтепродуктов, содержащейся
в замкнутой полости трубопровода (резервуара), исключающих распространение пламени (возникновение взрыва) при наличии источника зажигания» - генеральный заказчик ООО "НИИ ТРАНСНЕФТЬ".
Экспериментально и теоретически определены значения максимальной концентрации кислорода
в смеси азотно-кислородной среды с парами нефти и нефтепродуктов, содержащейся в замкнутой полости трубопровода (резервуара), исключающих распространение пламени (возникновение взрыва) при
наличии источника зажигания в диапазоне давлений от 1 до 24 атм. и температур от -40 до 65 оС. В работе изучены 5 типов нефти и 6 видов нефтепродуктов: нефть типов 0, 1, 2, 3, 4 по ГОСТ Р 51858; топливо
для реактивных двигателей ТС-1 по ГОСТ 10227; топливо дизельное ДТ-Л-К5 по ГОСТ 305; топливо
дизельное ДТ ЕВРО Класс 3 вид II (ДТ-Л-К5) по ГОСТ Р 52368; бензин неэтилированный Регуляр 92,
класс В (АИ-92-К5) по ГОСТ Р 51866; бензин неэтилированный Премиум 95, класс В (АИ-95-К5) по
ГОСТ Р 51866; бензин неэтилированный Супер 98, класс В (АИ-98-К5) по ГОСТ Р 51866.
Теоретические оценки безопасной концентрации кислорода с парами нефти и нефтепродуктов
были выполнены на основании экспериментально измеренных составов паров над нефтью и нефтепродуктов, а также давления их паров при различных температурах. Состав паров определялся с помощью
хромато-масс-спектрометра Agilent HP6890/5973N, давление паров - по изменению веса порции жидкости в известном термостатируемом объеме. На основании измерений состава паров были рассчитаны зависимости средней молекулярной массы паров нефти и нефтепродуктов от температуры. Используя известные в литературе зависимости концентрационных пределов распространения пламени для углеводородов с различным молекулярным весом, были вычислены концентрационные пределы распространения
паров исследуемых типов нефти и нефтепродуктов. Используя полученные в работе зависимости давления паров и значения концентрационных пределов распространения, были оценены пределы распространения пламен нефти и нефтепродуктов по давлению в диапазоне температур от -40 до 65 оС. Это позволило существенно уменьшить количество испытаний по экспериментальному определению значений максимальной концентрации кислорода в смеси азотно-кислородной среды с парами нефти и нефтепродуктов. Помимо этого, по известным в литературе зависимостям минимальной взрывоопасной концентрации
кислорода от температуры и давления для углеводородов с различным молекулярным весом, были оценены значения максимальной концентрации кислорода в смеси азотно-кислородной среды с парами
нефти и нефтепродуктов.
Результаты проведенных теоретических оценок были проверены и уточнены путем проведения
натурных испытаний по зажиганию паров нефти и нефтепродуктов в смеси с азотом и кислородом в бомбе постоянного объема (V=10 дм3) в диапазоне давлений от 1 до 24 атм и температур от 25 до 65 оС.
Полученные результаты планируется использовать в ОАО «АК «Транснефть» и ООО «НИИ
Транснефть» при выполнении научно-исследовательской работы по теме «Исследование технологий производства работ на объектах магистральных трубопроводов с применением инертной газовой смеси и
резки трубопроводов с применением энергии взрыва».
Раздел 11.
Основной результат лаборатории в текущем году.
Впервые с высокой точностью в водородо-кислородном пламени стехиометрического
состава методом молекулярно-пучковой масс-спектрометрии с мягкой ионизацией
Электронным ударом были измерены профили концентраций Н, ОН, О, HO2 при давлении 1, 3 и 5 атм. Измеренные высокие концентрации промежуточных частиц Н, ОН и
О, непосредственно указывают на разветвленно-цепной характер реакций пламени водорода при повышенных давлениях. Кроме того, полученные экспериментальные данные являются базой для проверки и улучшения имеющихся детальных химикокинетических механизмов окисления водорода и углеводородов в условиях повышенных давлений, близких к условиям горения в двигателях внутреннего сгорания, доработка механизмов позволит улучшить экологические и экономические характеристики
разрабатываемых новых двигателей и горелочных устройств. Полученные результаты
показали, что метод молекулярно-пучковой масс спектрометрии с мягкой ионизацией
электронным ударом может найти применение для детектирования атомов и радикалов
при исследовании процессов воспламенения и изучения структуры пламен с узкими зонами горения в условиях повышенных давлений.
0,09
0,06
0,03
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,002
0,001
0,000
0,00
концентрация O, мольная доля
0,06
0,04
0,02
0,00
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,03
0,10
0,12
расчет, механизм Драера
расчет, механизм Коннова
Эксперимент
0,06
0,03
0,00
0,00
0,03
0,06
0,09
0,09
0,12
0,15
0,00016
расчет, механизм Драера
расчет, механизм Коннова
Эксперимент
0,0006
0,0004
0,0002
0,0000
0,00
0,12
Расстояние от поверхности горелки, см
0,15
0,03
0,06
0,09
0,12
расчет, механизм Драера
расчет, механизм Коннова
Эксперимент
0,00014
0,00012
0,00010
0,00008
0,00006
0,00004
0,00002
0,00000
0,00
0,03
0,06
0,09
0,12
0,15
Расстояние от поверхности горелки, см
0,0008
0,15
Расстояние от поверхности горелки, см
Расстояние от поверхности горелки, см
0,09
0,06
0,00018
Расстояние от поверхности горелки, см
расчет, механизм Драера
расчет, механизм Коннова
Эксперимент
0,15
0,003
Расстояние от поверхности горелки, см
концентрация OH, мольная доля
концентрация H 2O, мольная доля
0,08
0,01
расчет, механизм Драера
расчет, механизм Коннова
Эксперимент
концентрация H 2O2, мольная доля
0,00
0,00
0,004
концентрация HO 2, мольная доля
концентрация H, мольная доля
расчет, механизм Драера
расчет, механизм Коннова
Эксперимент
0,12
концентрация O 2, мольная доля
концентрация H 2, мольная доля
0,15
0,00014
0,00012
расчет, механизм Драера
расчет, механизм Коннова
Эксперимент
0,00010
0,00008
0,00006
0,00004
0,00002
0,00000
0,00
0,03
0,06
0,09
0,12
0,15
Расстояние от поверхности горелки, см
0,0016
0,0012
0,0008
0,0004
0,0000
0,00
расчет, механизм Драера
расчет, механизм Коннова
Эксперимент
0,03
0,06
0,09
0,12
0,15
Расстояние от поверхности горелки, см
Профили концентраций стабильных соединений – Н2 O2, H2O, (слева), атомов и радикалов Н, О и ОН (в середине), а также H2O2 и радикалов HO2 (справа), в стехиометрическом (=1.0) пламени H2/О2/Ar при 3 атм. Линии – результаты численного моделирования, символы – эксперимент.
=[H2]/[H2]стехиом. где [H2] – концентрация H2 в горючей смеси,
[H2]стехиом – концентрация H2 в стехиометрической горючей смеси