[论文解读] 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 8

一句话总结

本研究调查了氢气-空气混合物在障碍物开放管道中发生的突发火焰加速现象，表明管道中的水力阻力可引发无激波的阻塞火焰状态转变。经过1秒的诱导期后，火焰在3–30毫秒内加速超过100倍，完全由流动阻力驱动，而非由激波或体积爆炸等传统爆轰起始机制引起。

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.

研究动机与目标

• 调查在无传统Ddt触发机制（如激波或爆炸）的障碍物开放管道中火焰加速机制。
• 确定水力阻力在氢气-空气混合物中引发快速火焰加速的作用。
• 分析从层流火焰传播到通风管中稳定阻塞状态的转变过程。
• 建立并验证一种一维简化模型，用于描述由水力阻力驱动的火焰加速。
• 澄清火焰加速是否可在无激波或体积能量释放的情况下发生，从而挑战传统Ddt理论。

提出的方法

• 通过在障碍物管道开口端点火氢气-空气混合物（13%体积分数H₂）进行实验研究。
• 通过改变通风比（0%、40%、100%）以控制流动阻力，并评估其对火焰动力学的影响。
• 测量火焰速度和压力演化，以识别加速阶段及向阻塞流的转变。
• 建立一维简化模型，描述水力阻力对火焰加速的影响。
• 对简化模型进行解析与数值分析，以分离水力阻力的作用。
• 利用时间分辨数据表征1秒的诱导期及随后的快速加速阶段。

实验结果

研究问题

• RQ1 火焰加速是否可在无激波或体积爆炸的开放管道中发生？
• RQ2 水力阻力在触发突发火焰加速中起什么作用？
• RQ3 通风比如何影响火焰加速的起始时机与加速幅度？
• RQ4 从层流到阻塞火焰传播的转变由何种机制控制？
• RQ5 一维简化模型能否准确捕捉火焰加速的流体动力学起源？

主要发现

• 火焰加速在无激波、无爆炸或波相互作用的情况下发生，挑战了传统Ddt机制。
• 经过1秒的诱导期后，火焰在3–30毫秒内加速超过100倍，进入稳定阻塞状态。
• 加速完全由管道中的流体动力阻力驱动，而非化学或热反馈作用。
• 一维简化模型成功再现了观测到的加速过程，证实水力阻力是关键驱动力。
• 阻塞流的转变是无激波的，即使在部分通风的开放式结构中也能发生。
• 该现象在所有通风比（0%、40%、100%）下均被观察到，表明对流动边界条件具有鲁棒性。