Simulation of breakup, evaporation, and self-ignition of kerosene droplets in air

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The known physical and mathematical models of aerodynamic droplet breakup and droplet evaporation are validated for the standard aviation kerosene and for its single-component physical surrogates (n-decane and n -dodecane). Also, kerosene single-component and 9-component chemical surrogates are selected and the known overall kinetic mechanisms are modified for modeling self-ignition and combustion of the vapors of these surrogates. The combination of the validated models, selected surrogates, and modified overall kinetic mechanisms is tested on the numerical solution of the multidimensional problem of kerosene spray self-ignition in a confined volume.

About the authors

Kirill A. Byrdin

N. N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: byrdin_kirill@mail.ru

(b. 1992) — research engineer

Russian Federation, 4 Kosygin Str., Moscow 119991

Victor A. Smetanuk

N. N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences; Scientific Research Institute for System Analysis of the Russian Academy of Sciences

Email: smetanuk@chph.ras.ru

(b. 1978) — Candidate of Science in physics and mathematics, senior research scientist, N. N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences; senior research scientist, Scientific Research Institute for System Analysis of the Russian Academy of Sciences

Russian Federation, 4 Kosygin Str., Moscow 119991; 36-1 Nakhimovskii Prosp., Moscow 117218

Sergey M. Frolov

N. N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences; Scientific Research Institute for System Analysis of the Russian Academy of Sciences

Email: smfrol@chph.ras.ru

(b. 1959) — Doctor of Science in physics and mathematics, head of department, head of laboratory, N. N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences; leading research scientist, Scientific Research Institute for System Analysis of the Russian Academy of Sciences

Russian Federation, 4 Kosygin Str., Moscow 119991; 36-1 Nakhimovskii Prosp., Moscow 117218

Ilya V. Semenov

Scientific Research Institute for System Analysis of the Russian Academy of Sciences

Email: ilyasemv@yandex.ru

(b. 1973) — Candidate of Science in physics and mathematics, head of department

Russian Federation, 36-1 Nakhimovskii Prosp., Moscow 117218

References

  1. Semenov, N. N. 1934. Tsepnye reaktsii [Chain reactions]. Leningrad: ONTI. 555 p.
  2. Frank-Kamenetskii, D. A. 1947. Diffuziya i teploperedacha v khimicheskoy kinetike [Diffusion and heat transfer in chemical kinetics]. Moscow: Nauka. 367 p.
  3. Varshavsky, G. A. 1945. Gorenie kapel’ zhidkogo topliva [Burning drops of liquid fuel]. Moscow: BNT. 16 p.
  4. Lorell, J., H. Wise, and R. E. Carr. 1956. Steady-state burning of a liquid droplet. II. Bipropellant flame. J. Chem. Phys. 25(2):325–331. doi: 10.1063/1.1742880.
  5. Agafonova, F. A., M. A. Gurevich., and I. I. Paleev. 1957. K teorii goreniya kapli zhidkogo topliva [On the theory of liquid fuel drop combustion]. Tech. Phys. 27(8):1818.
  6. Varshavsky, G. A., D. V. Fedoseev, and D. A. Frank-Kamenetskii. 1966. Kvazistatsionarnaya teoriya vosplameneniya kapli zhidkogo topliva [Quasi-stationary theory of ignition of a drop of liquid fuel]. Fizika aerozoley [Aerosol Physics] 1:101–107.
  7. Polymeropoulos, C. E., and R. L. Peskin. 1969. Ignition and extinction of liquid fuel drops — numerical computations. Combust. Flame 13(2):166–172. doi: 10.1016/0010-2180(69)90047-9.
  8. Gurevich, M. A., G. I. Sirkunen, and A. M. Stepanov. 1972. O vozmozhnosti ispol’zovaniya kvazistatsionarnogo priblizheniya pri raschete predela vosplameneniya kapli [On the possibility of using the quasi-stationary approximation in calculating the flammability limit of a drop]. Fizika aerodispersnykh system [Physics of Aerodisperse Systems] 6:52.
  9. Gol’dshleger, U. I., and S. D. Amosov. 1977. Mechanism and principles of hydrocarbon fuel droplet ignition and combustion. Combust. Explo. Shock Waves 13(6):687–694.
  10. Bloshenko, V. N, A. G. Merzhanov, N. I. Peregudov, and B. I. Khaykin. 1972. K teorii gazofaznogo vosplameneniya kapli [On the theory of gas-phase ignition of a drop]. Mat-ly III Vsesoyuznogo simpoziuma po goreniyu i vzryvu [3rd All-Union Symposium on Combustion and Explosion Proceedings]. Chernogolovka. 227–233.
  11. Godsave, G. A. E. 1953. Studies of the combustion of drops in a fuel spray — the burning of single drops of fuel. 4th Symposium (International) on Combustion Proceedings. Baltimore, MD. 818–830.
  12. Spalding, D. B. 1953. The burning of liquid fuels. 4th Symposium (International) on Combustion Proceedings. Baltimore, MD. 847–864.
  13. Goldsmith, M., and S. S. Penner. 1954. On the burning of single drops of fuel in an oxidizing atmosphere. Jet Propulsion 24(4):245–251. doi: 10.2514/8.6508.
  14. Sangiovanni, J. J., and A. S. Kesten. 1977. Effect of droplet interaction on ignition in monodispersed droplet streams. Symposium (International) on Combustion 16(1):577–592.
  15. Rah, S. C., A. F. Sarofim, and J. M. Beer. 1986. Ignition and combustion of liquid fuel droplets part II: Ignition studies. Combust. Sci. Technol. 49(3-4):169–184. doi: 10.1080/00102208608923909.
  16. Bergeron, C. A., and W. L. Hallett. 1989. Ignition characteristics of liquid hydrocarbon fuels as single droplets. Can. J. Chem. Eng. 67(1):142–149. doi: 10.1002/cjce.5450670120.
  17. Cuoci, A., M. Mehl, G. Buzzi-Ferraris, et al. 2005. Autoignition and burning rates of fuel droplets under microgravity. Combust. Flame 143(3):211–226. doi: 10.1016/ j.combustflame.2005.06.003.
  18. Basevich, V. Ya., S. M. Frolov, V. S. Posvyanskii, V. I. Vedeneev, and L. B. Romanovich. 2005. Nizkotemperaturnoe samovosplamenenie kapli [Low-temperature autoignition of a drop]. Khim. Fiz. 24(5):71–80.
  19. Frolov, S. M., and V. Ya. Basevich. 2006. Zakony goreniya [Burning laws]. Ed. Yu. V. Polezhaev. Moscow: Energomash. 130 p.
  20. Massoli, P., M. Lazzaro, F. Beretta, and A. D’Alessio. 1993. Report on research activities and facilities. Ed. A. Di Lorenzo. Napoli: Instituto Motori C.NR. 36.
  21. Takei, M., H. Kobayashi, and T. Niioka. 1993. Ignition experiment of a blended-fuel droplet in a microgravity field. Microgravity Sci. Tec. 6(3):184–187.
  22. Niioka, T., H. Kobayashi, and D. Mito. 1994. Ignition experiment on droplet array in normal and microgravity environments. IVTAM Symposium on the Mechanics and Combustion of Droplet and Sprays Proceedings. Tainan. 367.
  23. Atthasit, A., N. Doue, Y. Biscos, et al. 2003. Influence of drop concentration on the dynamics and evaporation of a monodisperse stream of drops in evaporation regime. Combustion and atmospheric pollution. Eds. G. D. Roy, S. M. Frolov, and A. M. Starik. Moscow: TORUS PRESS. 214–219.
  24. Sokolik, A. S. and V. Ya. Basevich. 1935. Zaderzhki samovosplameneniya motornykh topliv [Autoignition delays of motor fuels]. Zh. Fiz. Khim. 28(11):19–35.
  25. Tanner, F. X. 2003. A cascade atomization and drop breakup model for the simulation of high-pressure liquid jets. SAE Paper No. 2003-01-1044. 15 p.
  26. Twardus, E. M., and T. A. Brzustowski. 1977. Interaction between two burning fuel droplets. Arch. Termodyn. Spalania 8:347–358.
  27. Dwyer, H. A., H. Nirschl, P. Kerschl, and V. Denk. 1994. Heat, mass, and momentum transfer about arbitrary groups of particles. Symposium (International) on Combustion 25(1):389–395.
  28. Marberry, M., A. K. Ray, and K. Leung. 1984. Effect of multiple particle interactions on burning droplets. Combust. Flame 57(3):237–245. doi: 10.1016/0010-2180(84)90043-9.
  29. Sivasankaran, K., K. N. Seetharamu, and R. Natarajan. 1996. Numerical investigation of the interference effects between two burning fuel spheres. Int. J. Heat Mass Tran. 39(18):3949–3957. doi: 10.1016/0017-9310(95)00407-6.
  30. Chiu, H. H., and T. M. Liu. 1977. Group combustion of liquid droplets. Combust. Sci. Technol. 17(3-4):127–142. doi: 10.1080/00102207708946823.
  31. Correa, S. M., and M. Sichel. 1982. The group combustion of a spherical cloud of monodisperse fuel droplets. Symposium (International) on Combustion 19(1):981–991. doi: 10.1016/s0082-0784(82)80274-9.
  32. Nigmatulin, R. I. 1987. Dinamika mnogofaznykh sred [Dynamics of multiphase]. Moscow: Nauka. Part I. 464 p.
  33. Kent, J. C. 1973. Quasi-steady diffusion-controlled droplet evaporation and condensation. Appl. Sci. Res. 28(1):315–360. doi: 10.1007/BF00413076.
  34. Law, C. K. 1982. Recent advances in droplet vaporization and combustion. Prog. Energ. Combust. 8(3):171–201. doi: 10.1016/0360-1285(82)90011-9.
  35. Sirignano, W. A. 1983. Fuel droplet vaporization and spray combustion theory. Prog. Energ. Combust. 9(4):291–322. doi: 10.1016/0360-1285(83)90011-4.
  36. Bachalo, W. D. 1994. Injection, dispersion, and combustion of liquid fuels. Symposium (International) on Combustion 25(1):333–334.
  37. Avedisian, C. T. 2000. Recent advances in soot formation from spherical droplet flames at atmospheric pressure. J. Propul. Power 16(4):628–635. doi: 10.2514/2.5619.
  38. Mashayek, F., and R. V. R. Pandya. 2003. Analytical description of particle/droplet-laden turbulent flows. Prog. Energ. Combust. 29(4):329–378. doi: 10.1016/S0360-1285(03)00029-7.
  39. Warnatz, J., U. Maas, and R. W. Dibble. 1966. Combustion: Physical & chemical fundamentals, modelling & simulation, experiments, pollutant formation. Springer. 265 p.
  40. Reitz, R. D. 1987. modeling atomization processes in high-pressure vaporizing sprays. Atomisation Spray Technology 3(4):309–337.
  41. Liu, A. B., D. Mather, and R. D. Reitz. 1993. Modeling the effects of drop drag and breakup on fuel sprays. SAE Paper No. 930072. 13 p.
  42. Gonzalez, M., Z. Lian, and R. D. Reitz. 1992. Modeling diesel engine spray vaporization and combustion. SAE Paper No. 920579.
  43. Chung, J. H., T. Wakisaka, and K. Ibaraki. 1996. An improved droplet breakup model for three-dimensional diesel spay simulation. KSME/JSME Thermal and Fluid Engineering Conference Proceedings. 167–172.
  44. Wakisaka, T., N. Kato, T. T. Nguyen, et al. 2001. Numerical prediction of mixture formation and combustion processes in premixed compression ignition engines. 5th Symposium (International) on Diagnostics and Modeling of Combustion in Internal Combustion Engines Proceedings. Nagoya, Japan. 426–433.
  45. Cameretti, M. C., and R. Tuccillo. 2007. Flow and atomization models for CR diesel engine CFD simulation. ASME/IEEE Joint Rail Conference Proceedings. 451–461. doi: 10.1115/JRC/ICE2007-40068.
  46. O’Rourke, P. J. and A. A. Amsden. 1987. The tab method for numerical calculation of spray droplet breakup. SAE Paper No. 872089.
  47. Eckhause, J. E., and R. D. Reitz. 1995. Modeling heat transfer to impinging fuel sprays in direct-injection engines. Atomization Spray. 5(2):213–242. doi: 10.1615/ AtomizSpr.v5.i2.60.
  48. Chen, P. C., W. C. Wang, W. L. Roberts, and T. Fang. 2013. Spray and atomization of diesel fuel and its alternatives from a single-hole injector using a common rail fuel injection system. Fuel 103:850–861. doi: 10.1016/j.fuel.2012.08.013.
  49. Kolchin, A. I., and V. P. Demidov. 1980. Raschet avtomobil’nykh i traktornykh dvigateley [Calculation of car and tractor engines]. Moskow. Vysshaya shkola. 400 p.
  50. Dernotte, J., C. Hespel, F. Foucher, S. Houille, and C. Mouna m-Rousselle. 2012. Influence of physical fuel properties on the injection rate in a Diesel injector. Fuel 96:153–160. doi: 10.1016/j.fuel.2011.11.073.
  51. AVL FIRE — Computational fluid dynamics for conventional and alternative powertrain development. Available at: https://www.avl.com/fire (accessed February 21, 2021).
  52. Rachner, M., J. Becker, Ch. Hassa, and T. Doerr. 2002. Modelling of the atomization of a plain liquid fuel jet in crossflow at gas turbine conditions. Aerosp. Sci. Technol. 6(7):495–506. doi: 10.1016/S1270-9638(01)01135-X.
  53. Edwards, T., and L. Q. Maurice. 2001. Surrogate mixtures to represent complex aviation and rocket fuels. J. Propul. Power 17(2):461–466. doi: 10.2514/2.5765.
  54. Frolov, S. M., F. S. Frolov, and B. Basara. 2006. Simple model of transient drop vaporization. J. Russ. Laser Res. 27(6):562–574. doi: 10.1007/s10946-006-0035-7.
  55. Dukowicz, J. K. 1979. Quasi-steady droplet phase change in the presence of convection. Los Alamos, NM: Los Alamos Scientific Lab. Report No. LA-7997-MS.
  56. Murakami, Y., H. Nomura, and Y. Suganuma. 2021. Experimental study on unsteadiness of n-decane single droplet evaporation and effect of natural convection on droplet evaporation at high pressures and temperatures. T. Jpn. Soc. Aeronaut. S. 19(5):647–653. doi: 10.2322/tastj.19.647.
  57. Frolov S. M., N. M. Kuznetsov, and C. Krueger. 2009. Svoystva real’nykh gazov —n-alkanov, O2, N2, H2O, CO, CO2 i H2 v usloviyakh ekspluatatsii dizel’nogo dvigatelya [Real-gas properties of n-alkanes, O2, N2, H2O, CO, CO2, and H2 for diesel engine operation conditions]. Sverkhkriticheskie flyuidy: Teoriya i praktika [Supercritical Fluids: Theory and Practice] 4(3):56–105.
  58. Qin, W., D. Lu, and L. Xu. 2022. Spray combustion characteristics of single/ multicomponent surrogate fuel for aviation kerosene. J. Eng. Gas Turb. Power 144(3):031024. doi: 10.1115/1.4052782.
  59. Westbrook, C. K., A. Sarofim, and E. Eddings. 2002. C-SAFE validation project. Salt Lake City, UT: Department of Chemical and Fuels Engineering, University of Utah. 86 p.
  60. Dean, A. J., O. G. Penyazkov, K. L. Sevruk, and B. Varatharajan. 2007. Autoignition of surrogate fuels at elevated temperatures and pressures. P. Combust. Inst. 31(2):2481–2488. doi: 10.1016/j.proci.2006.07.162.
  61. Basevich, V. Ya., A. A. Belyaev, S. N. Medvedev, V. S. Posvyanskii, and S. M. Frolov. 2015. Kineticheskie detal’nyy i global’nyy mekhanizmy dlya surrogatnogo topliva [Detailed and global kinetic mechanisms for surrogate fuel]. Goren. Vzryv (Mosk.) — Combustion and Explosion 8(1):21–28.
  62. Honnet, S., K. Seshadri, U. Niemann, and N. Peters. 2009. A surrogate fuel for kerosene. P. Combust. Inst. 32(1):485–492. doi: 10.1016/j.proci.2008.06.218.
  63. Liu, Y., Y. Liu, D. Chen, W. Fang, J. Li, and Y. Yan. 2018. A simplified mechanistic model of three-component surrogate fuels for RP-3 aviation kerosene. Energ. Fuel. 32(9):9949–9960. doi: 10.1021/acs.energyfuels.8b02094.
  64. Allen, C., E. Toulson, T. Edwards, and T. Lee. 2012. Application of a novel charge preparation approuch to testing the autoignition characteristics of JP-8. Combust. Flame 159(9):2780–2788. doi: 10.1016/j.combustflame.2012.03.019.
  65. Vasu, S. S., D. F. Davidson, and R. K. Hanson. 2008. Jet fuel ignition delay times: Shock tube experiments over wide conditions and surrogate model predictions. Combust. Flame 152(1-2):125–143. doi: 10.1016/j.combustflame.2007.06.019.
  66. Gauthier, B. M., D. F. Davidson, and R. K. Hanson. 2004. Shock tube determination of ignition delay times in full-blend and surrogate fuel mixtures. Combust. Flame 139(4):300–311. doi: 10.1016/j.combustflame.2004.08.015.
  67. Ji, C., X. You, A. T. Holley, Y. L. Wang, et al. 2008. Propagation and extinction of mixtures of air with n-dodecane, JP-7, and JP-8 jet fuels. AIAA Paper No. 2008-974.
  68. Kumar, K., C. J. Sung, and X. Hui. 2009. Laminar flame speeds and extinction limits of conventional and alternative jet fuels. AIAA Paper No. 2009-991.
  69. Singh, D., T. Nishiie, and L. Qiao. 2010. Laminar burning speeds and Markstein lengths of n-decane/air, n-decane/O2/He, Jet-A/air and S-8/air flames. AIAA Paper No. 2010-951.
  70. Meeks, E., C. V. Naik, K. V. Puduppakkam, et al. 2011. Experimental and modeling studies of the combustion characteristics of conventional and alternative jet fuels. Cleveland, OH: Glenn Research Center. Final Report NASA/CR-2011-216356. 76 p.
  71. Dooley, S., S. H. Won, J. Heyne, et al. 2012. The experimental evaluation of a methodology for surrogate fuel formulation to emulate gas phase combustion kinetic phenomena. Combust. Flame 159 (4):1444–1466. doi: 10.1016/j.combustflame.2011.11.002.
  72. Munzar, J. D. 2013. Laminar flame speed of jet fuel surrogates and second generation biojet fuel blends. Montreal, Quebec: McGill University. Master Thesis. Available at: https://escholarship.mcgill.ca/concern/theses/w9505389x (accessed May 20, 2022).
  73. Zhang, J., W. Jing, and T. Fang. 2012. High speed imaging of OH chemiluminescence and natural luminosity of low temperature diesel spray combustion. Fuel 99:226–234. doi: 10.1016/j.fuel.2012.04.031.
  74. Jing, W., W. L. Roberts, and T. Fang. 2015. Spray combustion of Jet-A and diesel fuels in a constant volume combustion chamber. Energ. Convers. Manage. 89:525–540. doi: 10.1016/j.enconman.2014.10.010.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».