Распространение водородно-воздушного фронта пламени в покрытых пористым пенополиуретаном каналах

  • С.В. Головастов Объединённый институт высоких температур Российской академии наук, ул. Ижорская, 13, стр.2, Москва, Россия, 125412
  • Г.Ю. Бивол Объединённый институт высоких температур Российской академии наук, ул. Ижорская, 13, стр.2, Москва, Россия, 125412
  • В.В. Голуб Объединённый институт высоких температур Российской академии наук, ул. Ижорская, 13, стр.2, Москва, Россия, 125412

Abstract

Экспериментально исследовано ускорение пламени в водородно-воздушной смеси в канале, внутренняя поверхность которого покрыта пористым пенополиуретаном. Молярный избыток водорода варьировался от 0,3 до 1,0, а размер пор изменялся от 0,3 мм до 2,5 мм. Распространение фронта пламени происходило в полуоткрытом канале при атмосферном давлении и комнатной температуре. С помощью теневого метода регистрации газодинамических процессов и скоростной камеры определены скорости распространения фронта пламени в зависимости от размера пор и состава смеси. Максимально регистрируемая скорость фронта пламени составляла 1600 м/с при максимальном размере пор 2,5 мм. Определены размеры неоднородностей, генерируемые на фронте пламени. Установлена их связь с размером неустойчивости Дарье-Ландау. С помощью пьезоэлектрических датчиков определено давление, оказываемое продуктами горения на боковую поверхность канала. Установлены критические числа Пекле, при которых характерно ускорение фронта пламени и повышение давления за фронтом пламени.

References

(1). G. D. Salamandra, T. V. Bazhenova, and I. M. Naboko,“Formation of a detonation wave in gas combustion in tubes,”Zh. Tekh. Fiz.,29, No. 11, 1354–1359 (1959).

(2). Kuznetsov, M., et al. "DDT in a smooth tube filled with a hydrogen–oxygen mixture." Shock waves 14.3 (2005): 205-215.

(3). Ciccarelli, Gaby, Craig Johansen, and Mark Kellenberger. "High-speed flames and DDT in very rough-walled channels." Combustion and Flame 160.1 (2013): 204-211.
(4). Houim, Ryan W., and Elaine Oran. "Effect of Surface Roughness on Deflagration-to-Detonation Transition in Submilimeter Channels." 26th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Boston, MA. 2017. http://www.icders.org/ICDERS2017/abstracts/ICDERS2017-1067.pdf

(5). Zhang, Bo, Hong Liu, and Bingjian Yan. "Effect of acoustically absorbing wall tubes on the near-limit detonation propagation behaviors in a methane–oxygen mixture." Fuel 236 (2019): 975-983.

(6). Xie, Qiaofeng, et al. "Effects of silicone rubber and aerogel blanket-walled tubes on H2/Air gaseous detonation." Journal of Loss Prevention in the Process Industries 49 (2017): 753-761.

(7). Rao, Zhuming, et al. "Mitigation of H2/air gaseous detonation via utilization of PAN-based carbon fibre felt." International Journal of Hydrogen Energy 44.10 (2019): 5054-5062.

(8). Chen, Peng, et al. "Effects of metal foam meshes on premixed methane-air flame propagation in the closed duct." Journal of Loss Prevention in the Process Industries 47 (2017): 22-28.

(9). Golub, V., Korobov, A., Mikushkin, A., Solntsev, O., Volodin, V., 2018. Influence of a heat-absorbing surface on the propagation of a hemispherical flame. J. Loss Prev. Process Ind. 51, 1-7. https://doi.org/10.1016/j.jlp.2017.11.003

(10). Maeda, Shinichi, et al. "Effect of sandpaper-like small wall roughness on deflagration-to-detonation transition in a hydrogen–oxygen mixture." Proceedings of the Combustion Institute 37.3 (2019): 3609-3616.

(11). Yan, X. Q., and J. L. Yu. "Effect of aluminum silicate wool on the flame speed and explosion overpressure in a pipeline." Combustion, Explosion, and Shock Waves 49.2 (2013): 153-158.

(12). Gubaidullin, A. A., A. Britan, and D. N. Dudko. "Air shock wave interaction with an obstacle covered by porous material." Shock Waves 13.1 (2003): 41-48.

(13). Jin, Kaiqiang, et al. "Effect of single-layer wire mesh on premixed methane/air flame dynamics in a closed pipe." International Journal of Hydrogen Energy (2020). https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.08.159

(14). Surov, Viktor Sergeevich. "Reflection of an air shock wave from a foam layer." High Temperature 38.1 (2000): 97-105.

(15). Bivol G. Y. et al. Efficiency of the application of disperse materials to attenuate reflected shock waves //High Temperature. – 2019. – Т. 57. – №. 1. – С. 130-132.

(16). Ram O., Sadot O. Analisis of the pressure buildup behind rigid porous media impinged by shock waves in time and frequency domains. // J. Fluid Mech. 2015, V.779, P. 842

(17). Бабкин В.С., Дробышевич В.И., Лаевский Ю.М., Потытняков С.И. О механизме распространения волн горения в пористой среде при фильтрации газа // Докл. АН СССР, Vol. 265, No. 5, 1982. pp. 1157-1161.

(18). Бабкин В.С., Дробышевич В.И., Лаевский Ю.М., Потытняков С.И. Фильтрационное горение газов // Физика горения и взрыва, Vol. 19, No. 2, 1983. pp. 17-26.

(19). Потытняков С.И., Лаевский Ю.М., Бабкин В.С. Влияние теплопотерь на распространение стационарных волн при фильтрационном горении газов // Физика горения и взрыва, Vol. 20, No. 1, 1984. pp. 19-26.
(20). Бабкин В.С., Лаевский Ю.М. Фильтрационное горение газов // Физика горения и взрыва, Vol. 23, No. 5, 1987. pp. 49-57.

(21). Прокофьев В.Г., Кирдяшкин А.И., Саламатов В.Г., Смоляков В.К. Нестационарное горение газа в инертном пористом слое // Физика горения и взрыва, No. 6, 2010. pp. 32-38.

(22). Tsuruda, Takashi, and Toshisuke Hirano. "Local flame front disturbance development under acceleration." Combustion and flame 84.1-2 (1991): 66-72.

(23). Kadowaki, Satoshi, Hiroshi Suzuki, and Hideaki Kobayashi. "The unstable behavior of cellular premixed flames induced by intrinsic instability." Proceedings of the combustion institute 30.1 (2005): 169-176.

(24). Altantzis, Christos, et al. "Detailed numerical simulations of intrinsically unstable two-dimensional planar lean premixed hydrogen/air flames." Proceedings of the combustion institute 33.1 (2011): 1261-1268.

(25). Anikin, N. B., et al. "Effect of Hydrodynamic Instabilities on the Development of Hydrogen-Air Flames." International Symposium on Shock Waves. Springer, Cham, 2017.

(26). Clanet, Christophe, and Geoffrey Searby. "On the “tulip flame” phenomenon." Combustion and flame 105.1-2 (1996): 225-238.

(27). Bychkov, Vitaly, et al. "Flame acceleration in the early stages of burning in tubes." Combustion and Flame 150.4 (2007): 263-276.

(28). Akkerman, V’yacheslav, Chung K. Law, and Vitaly Bychkov. "Self-similar accelerative propagation of expanding wrinkled flames and explosion triggering." Physical Review E 83.2 (2011): 026305.

(29). Molkov, V. V., D. V. Makarov, and H. Schneider. "Hydrogen-air deflagrations in open atmosphere: large eddy simulation analysis of experimental data." International journal of hydrogen energy 32.13 (2007): 2198-2205.

(30). Bauwens, C. Regis L., Jeffrey M. Bergthorson, and Sergey B. Dorofeev. "Modeling the formation and growth of instabilities during spherical flame propagation." Proceedings of the Combustion Institute 37.3 (2019): 3669-3676.

(31). Bychkov, V. V., and M. A. Liberman. "Stability and the fractal structure of a spherical flame in a self-similar regime." Physical review letters 76.15 (1996): 2814.

(32). Kuznetsov, M., et al. "Experimental study of 2d-instabilities of hydrogen flames in flat layers." Proc. of 25th ICDERS (2015): 6.

(33). Yanez, Jorge, Mike Kuznetsov, and Joachim Grune. "Flame instability of lean hydrogen–air mixtures in a smooth open-ended vertical channel." Combustion and Flame 162.7 (2015): 2830-2839.

(34). Yáñez, Jorge, Mike Kuznetsov, and Reinhard Redlinger. "The acoustic–parametric instability for hydrogen–air mixtures." Combustion and flame 160.10 (2013): 2009-2016.

(35). Veiga-López, Fernando, et al. "Thermoacoustic analysis of lean premixed hydrogen flames in narrow vertical channels." Fuel 278 (2020): 118212.

(36). Valiev, Damir M., et al. "Influence of gas compression on flame acceleration in the early stage of burning in tubes." Combustion and flame 160.1 (2013): 97-111.

(37). В.В.Володин, В.В.Голуб, А.Е.Коробов, А.Ю.Микушкин, О.И.Солнцев Распространение турбулентного фронта пламени в водородно-воздушных смесях // Горение и Плазмохимия. – 2016. – Т. 14. – №. 4. – С. 269-278.

(38). Evans, M.W., Given, F.I., Richeson Jr., W.E., 1955. Effects of attenuating materials ondetonation induction distances in gases. J. Appl. Phys. 26 (9), 1111–1113, http://dx.doi.org/10.1063/1.1722162.

(39). Dupre, G., Peraldi, O., Lee, J.H., Knystautas, R., 1988. Propagation of detonation wavesin an acoustic absorbing walled tube. Prog. Astronaut. Aeronaut. 114, 248–263,http://dx.doi.org/10.2514/5.9781600865886.0248.0263.

(40). Vasil’ev, A.A., 1994. Near-limiting detonation in channels with porous walls.Combust. Explos. Shock Waves 30 (1), 101–106, http://dx.doi.org/10.1007/BF00787892.

(41). Teodorczyk, A., Lee, J.H.S., 1995. Detonation attenuation by foams and wiremeshes lining the walls. Shock Waves 4 (4), 225–236, http://dx.doi.org/10.1007/BF01414988.

(42). Guo, C., Thomas, G., Li, J., Zhang, D., 2002. Experimental study of gaseous detonationpropagation over acoustically absorbing walls. Shock Waves 11 (5), 353–359,http://dx.doi.org/10.1007/s001930100113.

(43). Makris, A., Shafique, H., Lee, J.H.S., Knystautas, R., 1995. Influence of mixture sen-sitivity and pore size on detonation velocities in porous media. Shock Waves 5(1–2), 89–95, http://dx.doi.org/10.1007/BF02425039.

(44). Slungaard, T., Engebretsen, T., Sonju, O.K., 2003. The influence of detonation cell sizeand regularity on the propagation of gaseous detonations in granular materials. Shock Waves 12 (4), 301–308, http://dx.doi.org/10.1007/s00193-002-0166-x.

(45). Pinaev, A.V., Lyamin, G.A., 1989. Fundamental laws governing subsonic and detonating gas combustion in inert porous media. Combust. Explos. Shock Waves 25(4), 448–458, http://dx.doi.org/10.1007/BF00751555.

(46). Golub, Victor, et al. "Influence of heat absorption on hydrogen-air flame instability." Experimental Thermal and Fluid Science 109 (2019): 109845.

(47). Elyanov, A., V. Golub, and V. Volodin. "Conditions for the development of Rayleigh-Taylor instability on the spherical flame front." Journal of Physics: Conference Series. Vol. 1129. No. 1. IOP Publishing, 2018.
Published
2021-06-16
How to Cite
Головастов, С., Бивол, Г., & Голуб, В. (2021). Распространение водородно-воздушного фронта пламени в покрытых пористым пенополиуретаном каналах, 19(2), 77-89. https://doi.org/10.18321/cpc434