Direct numerical simulation of hot-spot surface ignition in hydrogen-air premixed flows

Understanding the mechanisms of hot-spot surface ignition is essential for developing safe and reliable hydrogen-based combustion technologies. Using the detailed kinetics of the hydrogen mechanism, a large number of direct numerical simulations (DNS) were conducted in this study to improve understanding of hot-spot surface ignition. A wide range of hydrogen-air equivalence ratios and flow velocities of the premixed mixture were examined for two different hot-spot sizes under ambient condition. Moreover, the influence of differential diffusion on hot-spot surface ignition was examined by applying different species transport models in the simulation. The study focuses on ignition occurrence, ignition delay time, and flame types. Ignition occurrence shows a strong dependence on the flow velocity, whereas ignition delay time shows only a weak dependence on it. For a given flow velocity, fuel-lean equivalence ratios near 0.7 are most conducive to ignition in hydrogen hot-surface combustion when differential diffusion is considered. The puffing behavior was observed for the case with ϕ = 0.3 and V = 1.0 m/s, at a frequency of 555 Hz. Additionally, five asymptotic analyses were compared with simulations. It was shown that Laurendeau’s theory predicted well hot-wire ignition with flow.

Comprendere i meccanismi dell’innesco su superficie di punto caldo è essenziale per sviluppare tecnologie di combustione dell’idrogeno sicure e affidabili. Adottando un meccanismo cinetico dettagliato per l’idrogeno, in questo studio è stato condotto un gran numero di simulazioni numeriche dirette (DNS) per migliorare la comprensione dell’innesco su superficie di punto caldo. È stata esaminata un’ampia gamma di rapporti di equivalenza idrogeno-aria e di velocità del flusso premiscelato considerando due diverse dimensioni di punto caldo, in condizioni ambiente. Inoltre, l’influenza della diffusione differenziale sull’innesco su superficie di punto caldo è stata indagata applicando diversi modelli di trasporto di specie nelle simulazioni. Lo studio si concentra sull’occorrenza dell’accensione, sul tempo di ritardo di accensione e sulle tipologie di fiamma. I risultati mostrano che l’occorrenza dell’accensione presenta una forte dipendenza dalla velocità del flusso, mentre il tempo di ritardo risulta solo debolmente influenzato da essa. A parità di velocità di flusso, valori del rapporto di equivalenza prossimi a 0,7 (miscela povera) risultano i più favorevoli all’accensione nella combustione su superficie calda dell'idrogeno quando si considera la diffusione differenziale. È stato inoltre osservato un comportamento di puffing per il caso con ϕ = 0,3 e V = 1.0 m/s, a una frequenza di 555 Hz. Infine, sono state confrontate con le simulazioni cinque analisi asintotiche, ed è stato dimostrato che la teoria di Laurendeau predice con buona accuratezza l’innesco su filo caldo in presenza di flusso.