Ignition delay and laminar flame speed calculations of hydrogen/oxygen/argon and methane/oxygen/argon mixtures

Abstract

To adhere to global climate agreements and avoid climate change, alternative emission-free power generation technologies must be found. The Argon Power Cycle is one of the promising future solutions. It offers great efficiency with low emissions since it uses argon as a working fluid instead of nitrogen, which generates toxic nitrogen oxide (NOx) emissions. This technology also makes post-combustion carbon capture feasible. With this promising performance, new challenges are also introduced, such as combustion instability and engine knock. The aim of this Bachelor's thesis is to evaluate the combustion characteristics of hydrogen/oxygen/argon and methane/oxygen/argon mixtures by simulating their behavior with a Python script utilizing the Cantera kinetics library in combination with the AramcoMech 3.0 kinetic model. The two parameters studied are ignition delay time (IDT) and laminar flame speed (SL). The simulations were conducted under varying thermodynamic conditions across a temperature range of 900–1600 K, a pressure range of 1–100 bar, and an equivalence ratio of 0.5–2.0. The simulations reveal hydrogen's ideal behavior in an argon atmosphere by accelerating the combustion, thus shortening the ignition delay time and increasing the laminar flame speed compared to the air-diluted benchmarks. This is achieved due to argon's higher specific heat ratio. Methane exhibited more complex behavior in the argon atmosphere. The laminar flame speed almost doubled compared to the air-diluted benchmark, but the ignition delay suffered at high pressures. This is caused by the extreme dilution required to keep the combustion stable for the less reactive methane, thus outweighing argon's thermodynamic benefits. The Argon Power Cycle offers promising results for the future, but still requires more optimization and research. Reactive fuels such as hydrogen work well with this technology, but less reactive fuels such as methane require precise balancing of dilution and combustion stability. These findings serve as a foundation for more sophisticated 3D modeling and validation by experiments.

Kansainvälisten ilmastosopimusten noudattaminen ja ilmastonmuutoksen torjuminen edellyttävät vaihtoehtoisten, päästöttömien energiantuotantoteknologioiden löytämistä. Aargon-voimakierto on yksi lupaavista tulevaisuuden ratkaisuista. Se tarjoaa erinomaisen hyötysuhteen ja alhaiset päästöt, sillä se käyttää työaineena argonia typen sijaan, joka aiheuttaa myrkyllisiä typpioksidipäästöjä (NOx). Tämä teknologia tekee myös palamisen jälkeisestä hiilidioksidin talteenotosta toteuttamiskelpoista. Tämän lupaavan suorituskyvyn myötä syntyy kuitenkin myös uusia haasteita, kuten palamisen epävakautta ja moottorin nakutusta. Tämän kandidaatintutkielman tavoitteena on arvioida vety/happi/argon- ja metaani/happi/argon-seosten palamisominaisuuksia simuloimalla niiden käyttäytymistä Python-koodilla, joka hyödyntää Cantera-kinetiikkakirjastoa yhdessä AramcoMech 3.0 -kinetiikkamallin kanssa. Tutkittavat parametrit ovat syttymisviive (IDT) ja laminaarinen liekin nopeus (SL). Simulaatiot suoritettiin vaihtelevissa termodynaamisissa olosuhteissa lämpötila-alueella 900–1600 K, 1–100 barin painealueella sekä seossuhteella 0,5–2,0. Simulaatiot osoittavat vedyn ihanteellisen käyttäytymisen argon seoksessa, joka kiihdyttää palamista lyhentäen siten syttymisviivettä ja kasvattaen laminaarista liekki nopeutta verrattuna ilmalla laimennettuihin vertailuarvoihin. Tämä johtuu argonin korkeammasta ominaislämpökapasiteettien suhteesta. Metaani käyttäytyi argon seoksessa monimutkaisemmin. Laminaarinen liekki nopeus lähes kaksinkertaistui ilmalla laimennettuun vertailuarvoon nähden, mutta syttymisviive heikkeni korkeissa paineissa. Tämä johtuu voimakkaasta laimennuksesta, jota vaaditaan pitämään palaminen vakaana vähemmän reaktiiviselle metaanille, mikä lopulta kumoaa argonin termodynaamiset edut. Argon-voimakierto tarjoaa lupaavia tuloksia tulevaisuutta ajatellen, mutta vaatii vielä lisää optimointia ja tutkimusta. Reaktiiviset polttoaineet, kuten vety, toimivat hyvin tämän teknologian kanssa, mutta vähemmän reaktiiviset polttoaineet, kuten metaani, vaativat tarkkaa tasapainottamista laimennuksen ja palamisen vakauden välillä. Nämä tulokset toimivat perustana edistyneemmälle 3D-mallinnukselle ja kokeelliselle validoinnille.