Влияние выбора кинетического механизма на результаты моделирования времени задержки воспламенения кислородно-топливной смеси
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2026-4-108-117Ключевые слова:
кислородно-топливные энергетические комплексы, сверхкритический СО2, время задержки воспламенения, GRI, UoS sCO2, OXY-NG, SkeletalАннотация
Одним из эффективных способов уменьшить вредные выбросы в атмосферу от тепловых электростанций является переход к кислородно-топливным энергетическим комплексам (КТЭК). Одним из наиболее ответственных элементов КТЭК является камера сгорания, в которой сжигаются газообразные топлива в среде О2 и СО2 при сверхкритических давлениях. В настоящее время отсутствуют рекомендации по проведению численного моделированию кислородно-топливного горения, в частности рекомендации к выбору кинетических механизмов. В статье приводятся результаты верификации кинетических механизмов GRI 3.0, UoS sCO2 2.0, OXY-NG и Skeletal по времени задержки воспламенения метана — основного компонента природного газа — в диапазоне давлений 0,61…266,3 атм., коэфиициентов расхода кислорода (α) от 0,5 до 2,0 и молярных долей СО2-разбавителя 30…89,5% на основе доступных экспериментальных данных, представленных в литературе. Установлено, что на давлениях до 200 атм наиболее точным механизмом является UoS sCO2 2.0, а при давлениях более 200 атм. – OXY-NG. Определено, что в опубликованных экспериментальных данных имеются существенные пробелы, которые необходимо устранить для разработки и валидации более точных кинетических механизмов, подходящих для проектирования камер сгорания КТЭК.
Библиографические ссылки
1. Statista — The Statistics Portal [Электрон. ресурс] https://www.statista.com/markets/408/topic/949/emissions/ (дата обращения 21.02.2026).
2. Allam R. e. a. Demonstration of the Allam Cycle: an Update on the Development Status of a High Efficiency Supercritical Carbon Dioxide Power Process Employing Full Carbon Capture // Energy Procedia. 2017. V. 114. Pp. 5948—5966.
3. Reale F. The Allam Cycle: a Review of Numerical Modeling Approaches // Energies. 2023. V. 16(22). P. 7678.
4. Harman-Thomas J.M., Hughes K.J., Pourkashanian M. The Development of a Chemical Kinetic Mechanism for Combustion in Supercritical Carbon Dioxide // Energy. 2022. V. 255. P. 124490.
5. Harman-Thomas J.M. e. a. Experimental and Modelling Study of Hydrogen Ignition in CO2 Bath Gas // Fuel. 2023. V. 334. Pt. 1. P. 126664.
6. Harman-Thomas J.M. e. a. Experimental and Modelling Study of Syngas Combustion in CO2 Bath Gas // Fuel. 2023. V. 342. P. 127865.
7. Harman-Thomas J.M. e. a. Autoignition of Methane and Methane/Hydrogen Blends in CO2 Bath Gas // Fuel. 2025. V. 381. Pt. A. P. 133229.
8. Liu Y. e. a. Experimental and Numerical Study of the Effect of CO2 on the Ignition Delay Times of Methane under Different Pressures and Temperatures // Energy & Fuels. 2018. V. 32(10). Pp. 10999—11009.
9. Liu Y. e. a. Ignition Delay Times of Ethane under O2/CO2 Atmosphere at Different Pressures by Shock Tube and Simulation Methods // Combustion and Flame. 2019. V. 204. Pp. 380—390.
10. Xia W. e. a. Shock Tube and Modeling Study of Ignition Delay Times of Propane under O2/CO2/Ar Atmosphere // Combustion and Flame. 2020. V. 220. Pp. 34—48.
11. Xia W. e. a. Experimental and Numerical Study on the Ignition Delay Times of Methane/Propane Mixtures Diluted in Carbon Dioxide // Fuel. 2023. V. 343. P. 127991.
12. Peng Ch. e. a. Ignition Delay Times of N-butane and I-butane under O2/CO2 Atmospheres: Shock Tube Experiments and Kinetic Model // Combustion and Flame. 2021. V. 234. P. 111646.
13. Xia W. e. a. Experimental and Modeling Study of Ignition Delay Times of Natural Gas with CO2 Dilution // Fuel. 2024. V. 358. Pt. A. P. 130148.
14. Hargis J.W., Petersen E.L. Methane Ignition in a Shock Tube with High Levels of CO2 Dilution: Consideration of the Reflected-shock Bifurcation // Energy & Fuels. 2015. V. 29(11). Pp. 7712—7726.
15. Hu F. e. a. Evaluation, Development, and Validation of a New Reduced Mechanism for Methane Oxy-fuel Combustion // Intern. J. Greenhouse Gas Control. 2018. V. 78. Pp. 327—340.
16. Smith G.P. e. a. GRI-Mech 3.0 [Электрон. ресурс] http://combustion.berkeley.edu/gri-mech/version30/text30.html (дата обращения 21.02.2026).
17. Koroglu B. e. a. Shock Tube Ignition Delay Times and Methane Time-histories Measurements During Excess CO2 Diluted Oxy-methane Combustion // Combustion and Flame. 2016. V. 164. Pp. 152—163.
18. Pryor O. e. a. Measurements and Interpretation of Shock Tube Ignition Delay Times in Highly CO2 Diluted Mixtures Using Multiple Diagnostics // Combustion and Flame. 2017. V. 180. Pp. 63—76.
19. Pryor O. e. a. Ignition Delay Times of High Pressure Oxy-methane Combustion with High Levels of CO2 Dilution. Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. N.-Y.: ASME, 2017. V. 50848.
20. Liu Y. e. a. Experimental and Numerical Study of the Effect of CO2 on the Ignition Delay Times of Methane under Different Pressures and Temperatures // Energy & Fuels. 2018. V. 32(10). Pp. 10999—11009.
21. Shao J. e. a. Ignition Delay Times of Methane and Hydrogen Highly Diluted in Carbon Dioxide at High Pressures up to 300 atm // Proc. Combustion Institute. 2019. V. 37(4). Pp. 4555—4562.
22. Karimi M. e. a. Measurement of Methane Autoignition Delays in Carbon Dioxide and Argon Diluents at High Pressure Conditions // Combustion and Flame. 2019. V. 204. Pp. 304—319.
23. Kinney C. e. a. Methane and Natural Gas Autoignition Measurements Near 200 Bar Pressure in Carbon Dioxide and Argon Diluents // Fuel. 2026. V. 414. P. 138360.
24. Iwai Y. e. a. Development Approach to the Combustor of Gas Turbine for Oxy-fuel, Supercritical CO2 Cycle. Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. N.-Y.: ASME, 2015. V. 56802.
25. Suzuki S. e. a. High Pressure Combustion Test of Gas Turbine Combustor for 50MWth Supercritical CO2 Demonstration Power Plant on Allam Cycle // Proc. Intern. Gas Turbine Congress. Tokyo, 2019. Pp. 1—5
---
Для цитирования: Осипов С.К., Яковлев В.С., Вегера А.Н., Герцовский Г.А., Рогалев А.Н. Влияние выбора кинетического механизма на результаты моделирования времени задержки воспламенения кислородно-топливной смеси // Вестник МЭИ. 2026. № 4. С. 108—117. DOI: 10.24160/1993-6982-2026-4-108-117
---
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 23-79-10291), https://rscf.ru/project/23-79- 10291/
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Statista — The Statistics Portal [Elektron. Resurs] https://www.statista.com/markets/408/topic/949/emissions/ (Data Obrashcheniya 21.02.2026).
2. Allam R. e. a. Demonstration of the Allam Cycle: an Update on the Development Status of a High Efficiency Supercritical Carbon Dioxide Power Process Employing Full Carbon Capture. Energy Procedia. 2017;114:5948—5966.
3. Reale F. The Allam Cycle: a Review of Numerical Modeling Approaches. Energies. 2023;16(22):7678.
4. Harman-Thomas J.M., Hughes K.J., Pourkashanian M. The Development of a Chemical Kinetic Mechanism for Combustion in Supercritical Carbon Dioxide. Energy. 2022;255:124490.
5. Harman-Thomas J.M. e. a. Experimental and Modelling Study of Hydrogen Ignition in CO2 Bath Gas. Fuel. 2023;334;1:126664.
6. Harman-Thomas J.M. e. a. Experimental and Modelling Study of Syngas Combustion in CO2 Bath Gas. Fuel. 2023;342:127865.
7. Harman-Thomas J.M. e. a. Autoignition of Methane and Methane/Hydrogen Blends in CO2 Bath Gas. Fuel. 2025;381;A:133229.
8. Liu Y. e. a. Experimental and Numerical Study of the Effect of CO2 on the Ignition Delay Times of Methane under Different Pressures and Temperatures. Energy & Fuels. 2018;32(10):10999—11009.
9. Liu Y. e. a. Ignition Delay Times of Ethane under O2/CO2 Atmosphere at Different Pressures by Shock Tube and Simulation Methods. Combustion and Flame. 2019;204:380—390.
10. Xia W. e. a. Shock Tube and Modeling Study of Ignition Delay Times of Propane under O2/CO2/Ar Atmosphere. Combustion and Flame. 2020;220:34—48.
11. Xia W. e. a. Experimental and Numerical Study on the Ignition Delay Times of Methane/Propane Mixtures Diluted in Carbon Dioxide. Fuel. 2023;343:127991.
12. Peng Ch. e. a. Ignition Delay Times of N-butane and I-butane under O2/CO2 Atmospheres: Shock Tube Experiments and Kinetic Model. Combustion and Flame. 2021;234:111646.
13. Xia W. e. a. Experimental and Modeling Study of Ignition Delay Times of Natural Gas with CO2 Dilution. Fuel. 2024;358;A:130148.
14. Hargis J.W., Petersen E.L. Methane Ignition in a Shock Tube with High Levels of CO2 Dilution: Consideration of the Reflected-shock Bifurcation. Energy & Fuels. 2015;29(11):7712—7726.
15. Hu F. e. a. Evaluation, Development, and Validation of a New Reduced Mechanism for Methane Oxy-fuel Combustion. Intern. J. Greenhouse Gas Control. 2018;78:327—340.
16. Smith G.P. e. a. GRI-Mech 3.0 [Elektron. Resurs] http://combustion.berkeley.edu/gri-mech/version30/text30.html (Data Obrashcheniya 21.02.2026).
17. Koroglu B. e. a. Shock Tube Ignition Delay Times and Methane Time-histories Measurements During Excess CO2 Diluted Oxy-methane Combustion. Combustion and Flame. 2016;164:152—163.
18. Pryor O. e. a. Measurements and Interpretation of Shock Tube Ignition Delay Times in Highly CO2 Diluted Mixtures Using Multiple Diagnostics. Combustion and Flame. 2017;180:63—76.
19. Pryor O. e. a. Ignition Delay Times of High Pressure Oxy-methane Combustion with High Levels of CO2 Dilution. Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. N.-Y.: ASME, 2017;50848.
20. Liu Y. e. a. Experimental and Numerical Study of the Effect of CO2 on the Ignition Delay Times of Methane under Different Pressures and Temperatures. Energy & Fuels. 2018;32(10):10999—11009.
21. Shao J. e. a. Ignition Delay Times of Methane and Hydrogen Highly Diluted in Carbon Dioxide at High Pressures up to 300 atm. Proc. Combustion Institute. 2019;37(4):4555—4562.
22. Karimi M. e. a. Measurement of Methane Autoignition Delays in Carbon Dioxide and Argon Diluents at High Pressure Conditions. Combustion and Flame. 2019;204:304—319.
23. Kinney C. e. a. Methane and Natural Gas Autoignition Measurements Near 200 Bar Pressure in Carbon Dioxide and Argon Diluents. Fuel. 2026;414:138360.
24. Iwai Y. e. a. Development Approach to the Combustor of Gas Turbine for Oxy-fuel, Supercritical CO2 Cycle. Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. N.-Y.: ASME, 2015;56802.
25. Suzuki S. e. a. High Pressure Combustion Test of Gas Turbine Combustor for 50MWth Supercritical CO2 Demonstration Power Plant on Allam Cycle. Proc. Intern. Gas Turbine Congress. Tokyo, 2019:1—5
---
For citation: Osipov S.K., Yakovlev V.S., Vegera A.N., Gertsovsky G.A., Rogalev A.N. The Influence of Kinetic Mechanism Selection on the Results of Simulating the Oxy-fuel Mixture Ignition Delay Time. Bulletin of MPEI. 2026;4:108—117. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2026-4-108-117
---
The Work was Carried Out Russian Science Foundation (Grant No. 23-79-10291), https://rscf.ru/project/23-79-10291/
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
