Agnieszka Jach

On Determination of Ignition Delay Times for the Modeling of DDT

Abstract:

Trójwymiarowa teoria detonacji nie została jeszcze opracowana, dlatego naukowcy i inżynierowie używają eksperymentalnych parametrów by opisać i skategoryzować dynamikę detonacji. Najczęściej wykorzystywane parametry to wielkość komórki detonacji, czas opóźnienia zapłonu, krytyczna energia zapłonu, krytyczna średnica rury detonacyjnej, itd. Potrzeba oceny skłonności do detonacji różnych mieszanin (detonacyjności) przyczyniła się do powstania fenomenologicznych korelacji pomiędzy tymi parametrami a parametrami, które mogą być obliczone z modelu ZND, czyli czasem opóźnienia zapłonu za wiodącą falą uderzeniową, szerokością strefy indukcji, szerokością strefy reakcji, itd. Jednak okazuje się, że te obliczone wartości zależą w bardzo dużym stopniu od użytego szczegółowego mechanizmu reakcji chemicznych. Przykładowo: w przypadku szerokości strefy indukcji w mieszaninie stechiometrycznej etanu i powietrza znacząco różniące się między sobą wartości: 1.9 mm, 1.0 mm i 0.85 mm otrzymuje się w wyniku obliczeń przy wykorzystaniu mechanizmów GRI-mech 3.0, Konnov 0.5 i Aramco 2.0. Sam czas opóźnienia zapłonu jest kluczowym parametrem kontrolującym przejście z deflagracji do detonacji i propagację detonacji. Dodatkowo, używany jest do pośredniego testowania mechanizmów.

W celu umożliwienia wiarygodnej analizy detonacyjności, obliczeń przejścia z deflagracji do detonacji i samej detonacji, przeprowadzono ocenę szczegółowych mechanizmów reakcji chemicznych do symulacji czasów opóźnienia zapłonu. Analiza dotyczyła węglowodorów C1--C4, które stanowią grupę powszechnie wykorzystywanych paliw i, ponadto, ich kinetyka chemiczna jest istotna dla większych węglowodorów łańcuchowych. Obszerny przegląd literatury został przeprowadzony w poszukiwaniu czasów opóźnienia zapłonu z rur uderzeniowych, ponieważ to stanowisko badawcze w największym stopniu odzwierciadla warunki panujące za falą detonacyjną. Zebrane czasy indukcji zostały zasymulowane piętnastoma znanymi mechanizmami, których dokładność następnie została podsumowana i porównana. Autorka przedstawiła wyniki na trzech poziomach ogólności, tym samym postulując, który mechanizm jest najlepszy w zależności od analizowanych warunków. Wnioski znacząco się różniły w zależności od mieszaniny i warunków termodynamicznych. Zaproponowano nowe sposoby prezentacji takich wyników. Na wykresach pudełkowych podsumowano statystyczny rozkład błędu względem temperatury, ciśnienia i wskaźnika stechiometrii. Mapy cieplne błędu od temperatury i ciśnienia dostarczyły więcej informacji o dokładności mechanizmów
i podkreśliły warunki, w których potrzebne jest ulepszenie mechanizmów.

Dodatkowo, Autorka zaproponowała modele czasów opóźnienia zapłonu dla węglowodorów C1--C4
z wykorzystaniem głębokich sieci neuronowych. Opracowano dwa modele: jeden dla mieszanin rozcieńczonych argonem, drugi dla mieszanin rozcieńczonych azotem. Zaproponowane modele były wysoce dokładne i porównywalne z najlepszymi mechanizmami oraz, co najważniejsze, nieporównywalnie szybsze. Tym samym modele mogą być wykorzystane do obliczeń CFD przejścia z deflagracji do detonacji
oraz propagacji samej detonacji. Modele mogą być z łatwością aktualizowane o kolejne mieszaniny i warunki termodynamiczne, gdy takowe zostaną opublikowane.