[論文レビュー] Sudden acceleration of flames in open channels driven by hydraulic resistance

Yanez, J., М. Кузнецов+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2012

Combustion and Detonation Processes参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、遮断された開放チャネル内の水素-空気混合ガスにおける急激なflame加速を調査し、チューブ内の流体抵抗が衝撃波を伴わない圧縮炎状態への移行を引き起こすことを示した。1秒間の誘導期間を経て、炎は3〜30msの間に100倍以上に加速し、これは衝撃波や体積的爆発といった爆発誘発機構ではなく、流体抵抗によるものである。

ABSTRACT

Hydrogen-air deflagrations with venting at the end of obstructed tubes are studied experimentally and numerically. A shockless transition to the so-called chocked regime of the flame propagation is reported. Mixtures with 13% vol. of hydrogen were ignited from the open end of the tube at the interface between fuel and the ambient air. Three venting ratios were selected, closed, 40% and 100%. In all cases the flame initially propagates without acceleration at a velocity close to the laminar flame speed. The flame configuration excludes most of conventionally acknowledged phenomena of the DDT, namely, volumetric explosions, igniting shock and shock waves interactions. However, after an induction period, of the order of 1 sec, the flame accelerates more than 100 times, within a period of 3-30 ms, until the steady-state choked regime is established. The mechanism of such rapid acceleration is investigated both numerically and analytically. A one dimensional reduced description was suggested and analyzed to model the process of the flame acceleration. The study of the over simplified model reveals that the hydrodynamic resistance of the tube causes sudden flame acceleration and governs initial stage of the DDT.

研究の動機と目的

• 衝撃波や爆発といった従来のDDTトリガー（例えば衝撃波や体積的爆発）が存在しない遮断された開放チャネルにおける炎の加速メカニズムを調査すること。
• 水素-空気混合ガスにおける急激な炎の加速を引き起こす流体抵抗の役割を特定すること。
• 開放チューブにおける層流炎の伝播から定常状態の圧縮炎状態への移行を分析すること。
• 流体抵抗によって駆動される炎の加速を記述する一次元簡略モデルの構築と検証すること。
• 炎の加速が衝撃波や体積的エネルギー放出なしに発生しうるかどうかを明らかにし、従来のDDT理論に挑戦すること。

提案手法

• 遮断されたチューブの開放端で点火した水素-空気混合ガス（13%体積H₂）を用いた実験的調査を実施した。
• 流体抵抗を制御し、炎のダイナミクスに与える影響を評価するために、開放比（0%、40%、100%）を変化させた。
• 炎速度と圧力の時間変化を測定し、加速段階および圧縮流への移行を特定した。
• 流体抵抗が炎の加速に与える影響を記述する一次元簡略モデルを構築した。
• 簡略モデルの解析的および数値的解析により、流体抵抗の果たす役割を分離した。
• 時間分解能の高いデータを用いて、1秒間の誘導期間およびその後の急激な加速段階を特徴付けた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 衝撃波や体積的爆発が存在しない開放チャネルでも炎の加速が発生しうるか？
• RQ2 流体抵抗が急激な炎の加速を引き起こす役割を果たすとはどのようなものか？
• RQ3 開放比は炎の加速の発生時期および大きさにどのように影響するか？
• RQ4 層流炎伝播から圧縮炎伝播への移行を支配するメカニズムは何か？
• RQ5 一次元簡略モデルは、炎の加速の流体力学的起源を正確に再現できるか？

主な発見

• 衝撃波、爆発、波の干渉なしに炎の加速が発生した。これは従来のDDTメカニズムに挑戦するものである。
• 1秒間の誘導期間を経て、炎は3〜30msの間に100倍以上に加速し、定常状態の圧縮炎状態に達した。
• 加速は化学的・熱的フィードバックではなく、チューブ内での流体抵抗によって直接駆動された。
• 一次元簡略モデルは観測された加速を正確に再現し、流体抵抗が主因であることを確認した。
• 圧縮流への移行は衝撃波を伴わず、部分的開放を伴う開放端構成でも発生した。
• この現象はすべての開放比（0%、40%、100%）で観察され、流れの境界条件に強く依存しないことを示した。