Numerical Simulation of the Deflagration to Detonation Transition in a Tube with Repeated Obstacles: Experimental Scale Simulation Using the Artificial Thickened Flame Method

• Autorzy: Tsuboi Nobuyuki , Hayashi A. Koichi , Tamauchi Yoshikazu , Kodama Takashi

Identyfikatory

DOI

10.2478/tar-2021-0021

Warianty tytułu

PL

Symulacja numeryczna przejścia procesu spalania od deflagracji do detonacji w rurze z powtarzającymi się przeszkodami: symulacja w skali eksperymentalnej z wykorzystaniem metody sztucznego pogrubionego płomienia

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The Artificial Thickened Flame (ATF) method, which involves artificially increasing the flame thickness so as to simulate with a coarse grid resolution, is applied to reduce the computational cost of predicting the Deflagration to Detonation Transition (DDT) in a tube with repeated obstacles. While simulation results depended on the parameter N (the number of grid points in laminar flame thickness), it was found that N values of more than 10 may be excessive. The results show that the chosen simulation method predicts the flame speed as compared to a reference experiment and captures the detail of the strong ignitions near the corner between the obstacle and the sidewall. The present simulation also captures the wrinkle flame front structure during the acceleration of flame.

PL

Metoda sztucznego pogrubienia płomienia (Artificial Thickened Flame - ATF) polega na sztucznym zwiększaniu grubości płomienia w celu symulowania procesu spalania z siatką o dużej rozdzielczości. Metodę tą zastosowano w niniejszej pracy w celu zmniejszenia kosztów obliczeniowych przewidywania przejścia deflagracji w detonację (Deflagration to Detonation Transition - DDT) w rurze z powtarzającymi się przeszkodami. Wyniki takich symulacji zależą od parametru N (liczba punktów siatki w laminarnej grubości płomienia), jednak stwierdzono, że wartości N powyżej 10 mogą być nieracjonalne. Pokazano, że taka metoda symulacji trafnie przewiduje prędkość płomienia w porównaniu z eksperymentem referencyjnym i dobrze wychwytuje szczegóły silnych zapłonów w pobliżu naroża między przeszkodą a ścianą boczną. Obecna metoda pozwala również celnie uchwycić strukturę pomarszczonego czoła płomienia podczas przyspieszania.

Słowa kluczowe

EN

detonation; Deflagration-to-Detonation Transition; DDT; Artificial Thickening Flame; ATF; obstacle

PL

detonacja; przejście od deflagracji do detonacji; sztuczne pogrubienie płomienia; przeszkoda

• Wydawca: Wydawnictwa Naukowe Sieci Badawczej Łukasiewicz - Instytutu Lotnictwa
• Czasopismo: Transactions on Aerospace Research
• Rocznik: 2021
• Tom: Nr 4 (265)
• Strony: 41--52
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., tab., wzory

Twórcy

autor

Tsuboi Nobuyuki

• Department of Mechanical and Control Engineering, Kyushu Institute of Technology, 1-1 Sensui-cho, Tobata-ku, Kitakyushu, Fukuoka, 804-8550 Japan

• https://orcid.org/0000-0002-2784-4620

autor

Hayashi A. Koichi

• Department of Mechanical Engineering, Aoyama Gakuin University, 5-10-1 Fuchinobe, Chuo-ku, Sagamihara 252-5258 Japan

• https://orcid.org/0000-0002-4447-6540

autor

Tamauchi Yoshikazu

• Safety Department, Safety and Quality Division, Japan Nuclear Fuel Limited, 4-108 Okitsuke, Obuchi, Rokkasho-mura, Kamikita-gun, Aomori, 039-3212 Japan

• https://orcid.org/0000-0002-4475-335X

autor

Kodama Takashi

• Safety Department, Safety and Quality Division, Japan Nuclear Fuel Limited, 4-108 Okitsuke, Obuchi, Rokkasho-mura, Kamikita-gun, Aomori, 039-3212 Japan

• https://orcid.org/0000-0002-6316-0920

Bibliografia

• [1] Shchlkin K.I., Troshin Y.K., 1965, Gasdynamics of Combustion. Mono Book Corporation.
• [2] Peraldi, O., Knystautas, R., Lee, J.H., 1986, “Criteria for Transition to Detonation in Tubes,” Proc. 21st Symp. (Int.) Combust. pp. 1629-1637.
• [3] Dorofeev, S. B., Sidorov, V. P., Kuznetsov, M. S., Matsukov, I. D., Alekseev, V.I., 2000, “Effect of Scale on the Onset of Detonations,” Shock Waves, 10, pp. 302-315.
• [4] Frolov, S. M., 2008, “Fast Deflagration-to-detonation Transition,” Russian Journal of Physical Chemistry B, 2(3), pp. 442-455.
• [5] Gamezo, V. N., Ogawa, T., and Oran, E. S., 2008, “Flame Acceleration and DDT in Channels with Obstacles: Effect of Obstacle Spacing,” Combustion and Flame, 155(1-2), pp. 302-315.
• [6] Ogawa, T., Gamezo, V. N., and Oran, E. S., 2013, “Flame Acceleration and Transition to Detonation in an Array of Square Obstacles,” Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 26(2), pp. 355-362.
• [7] Goodwin, G. B., Houim, R. W. and Oran, E. S., 2016, “Effect of Decreasing blockage Ratio on DDT in Small Channels with Obstacles,” Combustion and Flame, 173, pp 16-26.
• [8] Dziemińska, E., Fukuda, M., Hayashi, A. K., and Yamada, E., 2012, “Fast Flame Propagation in Hydrogen-Oxygen Mixture,” Combustion Science and Technology, 184, pp. 1608-1615.
• [9] Butler, T. D., and O’Rourke, P. J., 1977, “A Numerical Method for Two Dimensional Unsteady Reacting Flow,” International Symposium on Combustion, 16, pp 1503-1515.
• [10] Yu, S. and Navarro-Martinez, S. 2015, “Modeling of Deflagration to Detonation Transition Using Flame Thickening,” Proceedings of the Combustion Institute, 35, 1955-1961.
• [11] Poinsot, T., and Veynante, D., 2005, Theoretical and Numerical Combustion, 2nd edition, Edwards.
• [12] Wada, Y. and Liou, M. S., 1997, “An Accurate and Robust Flux Splitting Scheme for Shock and Contact continuities,” SIAM Journal on Scientific Computing, 18(3), pp 633-657.
• [13] Gottlieb, S. and Shu, C. W., 1998, “Total Variation Diminishing Runge-Kutta Schemes,” Mathematics of Comutation, 67, pp 73-85.
• [14] Shimizu, K., Hibi, A., Koshi, M., Morii, Y. and Tsuboi, N., 2011, “Updated Kinetic Mechanism for High-pressure Hydrogen Combustion,” Journal of Propulsion and Power, 27(2), pp 383-395.
• [15] Maeda, S., Minami, S., Okamoto, D., Obara, T., 2016, “Visualization of Deflagration-to-detonation Transitions in a Channel with Repeated Obstacles Using a Hydrogen-oxygen Mixture,” Shock Waves, 26, pp. 573-586.
• [16] Gamezo, V. N., Desbordes, D. and Oran, E. S., 1999, “Two-dimensional Reactive Flow Dynamics in Cellular Detonation Waves,” Shock Waves, 9(1), pp 11-17.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).