Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Flame propagation in a narrow gap between the piston and cylinder of a hydrogen engine

Kavtaradze Revaz, Natriashvili Tamaz, Glonti Merab, Chilasvili Giorgi, Gelashvili Otar, Iosebidze Jumber

Transport Problems

|

2023

|

T. 18, z. 3

189--197

EN

The processes of flame penetration and propagation in a narrow annular gap between the piston and cylinder of a hydrogen piston engine are investigated by the method of 3D mathematical modeling. The model is verified by comparing the changes in pressure and heat release rate in the cylinder obtained from an experimental hydrogen engine, considering the data collected during numerical experiments. The movement of the flame front into the gap is analyzed by changes in the instantaneous local values of the hydrogen fractions in the mixture and the local temperatures of the cold gas (unburned mixture) and combustion products. A comparative analysis of the spread of gasoline and hydrogen flames is carried out. The phenomenon of increasing heat losses in the combustion chamber of a hydrogen engine compared to a gasoline engine, previously confirmed experimentally by different authors and not yet having an acceptable theoretical interpretation, is explained by neglecting the role of heat transfer in the indicated gap.

2

Flame propagation in gas feeding pipelines to the IC engine

Gruca M., Szwaja S., Pyrc M.

Journal of KONES

|

2018

|

Vol. 25, No. 3

205--212

EN

Results from experimental investigation on flame propagation in a pipeline filled with gaseous combustible mixture consisted of hydrogen, methane or 20% hydrogen-methane is presented in the article. The mixture was prepared in separate cylinders and premixed before filling the pipeline. The tests were conducted under various relative equivalence ratio – lambda from 1.0 to 3.0 at pressure of 1 bar and temperature of 25ºC. Hydrogen and methane were selected because these gases are main combustible fractions in several gaseous engine fuels (e.g. natural gas, syngas, biogas). Additionally, the mixture 20% hydrogen and methane, as potential engine fuel, was also under investigation. Flame front was detected with aid of IR photodetectors. Hence, the flame speed was resulted from distance divided by time. As observed, the flame propagation speed was over 100 m/s for both hydrogen and methane premixed mixtures. It was several times higher if compared with the laminar flame speed for these gases. It can be explained by additional acoustic effects (standing waves) taking place inside the pipeline. Results from this investigation can be useful in design and construction of the gas feeding system in the gas fuelled internal combustion engine.

3

Właściwości palne materiałów mogących mieć zastosowanie w przemyśle obuwniczym. Istota procesu spalania, metoda wskaźnika tlenowego (LOI) - Cz. 1

Pawlak M.

Technologia i Jakość Wyrobów

|

2014

|

R. 59

82--85

PL

Omówiono teoretyczne podstawy procesu palenia. Przedstawiono kilka podstawowych parametrów powszechnie uważanych do wyznaczenia właściwości palnych materiałów: zapalność, rozprzestrzenianie płomienia, wydzielanie ciepła; wytwarzanie dymu, wytwarzanie toksycznych gazów; wskaźnik tlenowy. Metodę wykorzystania wskaźnika tlenowego do oceny właściwości palnych materiałów przedstawiono obszerniej, jako najbardziej rozpowszechnioną i najbardziej uniwersalną metodę oceny. Podano przykłady wskaźnika tlenowego dla różnych materiałów oraz zasady klasyfikacji materiałów pod względem palności wykonanej na podstawie wartości wskaźnika tlenowego.

EN

The theoretical background of the ignition process is given in the article. Some of the most important parameters are discussed: ignition, flame propagation, emission of the hot, fumes emission, toxic gases emission, limiting oxygen method. This one method, as a most common and popular for the characterization of the flame resistance of the materials, is discussed. The several samples of the LOI index for materials are shown.

4

Badania rozprzestrzeniania się i gaszenia płomienia podczas spalania mieszanki propanu z powietrzem w wąskich kanałach

Gutkowski A.

Zeszyty Naukowe. Rozprawy Naukowe / Politechnika Łódzka

|

2013

|

Z. 447

1--127

PL

Tematem niniejszej pracy jest swobodna propagacja i gaszenie płomienia laminarnego w wąskich kanałach wypełnionych mieszankami propanu z powietrzem. W pracy przedstawiono najważniejsze modele analityczne określające graniczną temperaturę i graniczną prędkość płomienia poruszającego się w kanale, a także związek odległości gaszącej z grubością płomienia. Opisano najważniejsze czynniki mające wpływ na zachowanie się płomienia, takie jak: rozciąganie płomienia, wpływ liczby Lewisa i uprzywilejowanej dyfuzji. Prace eksperymentalne przeprowadzono w wąskich kanałach o przekroju okrągłym i kwadratowym. Przebadano dwa przypadki rozprzestrzeniania się płomienia laminarnego w mieszankach propanu z powietrzem: zgodnie z kierunkiem działania przyspieszenia ziemskiego oraz - przeciwnie do niego. Pomiary przeprowadzone w mieszance stechiometrycznej pozwoliły ustalić wpływ wymiaru i kształtu kanału na prędkość propagacji, martwą strefę oraz promień krzywizny płomienia. Wyniki pokazały, że kształt kanału, a także kierunek propagacji mają znikomy wpływ na graniczną prędkość propagacji płomienia. Eksperymentalnie i numerycznie określona martwa strefa wskazuje, że dla większych kanałów jest ona prawie stała. Natomiast wzrasta, gdy wymiar kanału jest mniejszy od pewnej krytycznej wartości. Wskazuje to na brak możliwości gaszenia płomienia przez odprowadzenie ciepła do ścianek kanału, jeżeli jego wymiar jest większy od krytycznej wartości. Obliczenia numeryczne propagacji płomienia w wąskich kanałach były przeprowadzone dla dwóch przypadków warunków termicznych na powierzchni ścianki: izotermiczne i adiabatyczne. Dodatkowo sprawdzono dwa rodzaje zapłonu mieszanki: kulisty i płaski. Wszystkie te czynniki mają wpływ na późniejszy kształt płomienia i jego prędkość propagacji. Dla kanałów izotermicznych wyszczególniono trzy przedziały w zależności od kształtu płomienia i wymiaru kanału. Dla najmniejszych średnic płomień przybierał tylko kształt wypukły. Dla większych średnic istnieje przedział, w którym jednocześnie koegzystują kształty wypukły i wklęsły. A po przekroczeniu pewnego wymiaru kanału - występuje tylko struktura wklęsła. Podobne trzy przedziały można wyodrębnić dla kanałów adiabatycznych. Z tym, że dla najmniejszych średnic występuje tylko kształt wklęsły płomienia. Kształty płomieni wypukłych w obu rodzajach kanałów są do siebie podobne. Co za tym idzie, ich prędkości propagacji są także prawie identyczne. Wynika to z faktu, że odpowiednikiem gaszącego oddziaływania ścianki izotermicznej jest minimum szybkości reakcji chemicznej w pobliżu ścianki adiabatycznej, będącej efektem wklęsłego kształtu płomienia w tym miejscu. Kształty płomieni wklęsłych w obu rodzajach kanałów różnią się od siebie w znaczny sposób. Płomienie w kanałach izotermicznych są bardziej płaskie od tych w kanałach adiabatycznych. Z tego powodu ich powierzchnia oraz prędkość propagacji jest także dużo mniejsza. Różnica prędkości rośnie w miarę zwiększania się średnicy kanału. Eksperymentalnie określone średnice i odległości gaszące są funkcjami składu mieszanki. Dla mieszanek ubogich wielkości te nie zależą od kierunku propagacji płomienia. Zgoła odwrotnie wygląda sytuacja dla mieszanek bogatych. Dla Φ > 1,55 płomienie poruszające się w tym samym kanale, ale w przeciwnych kierunkach, są gaszone przy różnych składach mieszanki. Uboga granica dla płomieni poruszających się do dołu (góry) równa się Φ = 0,53 (Φ = 0,57). Natomiast granica bogata dla płomieni poruszających się do dołu (góry) wynosi Φ = 1,64 (Φ = 2,62). Tak szeroki przedział pomiędzy granicami palności dla mieszanek bogatych wynika z uprzywilejowanej dyfuzji substratów, który jest w deficycie - w odpowiedzi na rozciąganie płomienia poruszającego się do góry (dla tych płomieni liczba Le< 1). Analiza rozciągania płomienia będącego efektem krzywizny płomienia wskazuje na jego wpływ na granice gaszenia i prędkość propagacji, ale jednocześnie wyklucza istnienie bezpośredniego jego znaczenia dla samego procesu gaszenia płomienia w wąskim kanale, ponieważ stanowi tylko 30% wartości krytycznej. W pracy porównano także eksperymentalnie określone prędkości propagacji płomienia Sq z granicznymi prędkościami spalania laminarnego Slim wynikającymi z teorii Zeldowicza, a także przeanalizowano czynniki powodujące, że te wielkości nie są sobie równe. Do tych czynników zaliczono: rozciąganie płomienia, uprzywilejowaną dyfuzję, wpływ liczby Lewisa, zwiększoną powierzchnię wypukłego płomienia oraz unoszenie. Ten ostatni mechanizm jest szczególnie ważny dla płomieni poruszających się do góry w mieszankach bogatych, kiedy to w miarę zwiększania Φ zamiast spadku prędkości występuje niewielki jej wzrost. Określona krytyczna liczba Pecleta dla płomieni granicznych jest prawie stała dla składów Φ = 0,64÷1,23 dla kanałów kwadratowych oraz Φ = 0,55÷1,2 dla kanałów okrągłych. W miarę zbliżania się składów mieszanki do granic palności liczba Pecleta rośnie. Obserwacje oraz obliczenia numeryczne płomieni bliskich gaszenia podczas przejścia z większego do mniejszego kanału pokazały, że tuż za przewężeniem płomień jest ekstremalnie słaby. Wyniki symulacji wskazują, że w przypadku gdy średnica mniejszego z kanałów jest bliska średnicy gaszącej, to aby płomień mógł pokonać przewężenie, średnica większego kanału nie może być zbyt duża. W innym przypadku płomień gaśnie podczas tego procesu. Odpowiedzialny za to jest stosunek chwilowych strat ciepła do jego wydzielania. Ma to znaczenie podczas precyzyjnego określania średnicy gaszącej, wykorzystując obserwację płomienia pokonującego przewężenie i, następnie, poruszającego się w wąskich kanałach. Sprawdzono także możliwości wykorzystania jedno-, dwu- i czterostopniowych modeli chemicznych z domyślnymi stałymi postępu reakcji w symulacjach propagacji płomieni w wąskich kanałach.

EN

The subject of the work is related to free propagations and quenching of the laminar flame in small channels with propane-air mixtures. The important analytical models determining limit flame temperatures, limit flame propagation velocities (caused by heat losses to the wall) and relation between quenching distance and flame thickness - are presented. The significant factors affecting flames behavior, i.e. Lewis number, flame stretch, and preferential diffusion effects are described and explained. Reported here own experimental works were conducted using small channels with a circular and square cross-sections. Two cases of the flame propagation directions were examined: with the gravity vector and opposite to it. The measurements allowed determining the effect of the channel width and its shape on flame propagation velocity, dead space and radius of flame curvature in a stoichiometric mixture. The results showed that a channel shape and direction of flame propagation have small influence on the flame propagation velocity under quenching conditions. Experimentally and numerically determined dead space has almost a constant value for wider channels. However, if the channel width is smaller than some critical size - its value increases. It indicates that flames are not extinguished by heat loss to the wall - if channel width is greater then critical one. Numerical calculation of flame propagation in small tubes were conducted for two thermal boundary conditions at the wall: isothermal and adiabatic. Additionally, spherical and plane ignition methods have been examined. Influence of all parameters mentioned, on later flame shapes and their propagation velocities have been checked. For isothermal tubes three flame shape ranges (depending on tube diameters) were specified. For small tubes, flames always have mushroom-shape. For larger tube diameters, mushroom and tulip-shaped flames coexist at the same time. Finally, in big diameter tubes only tulip-shaped flames are present. A similar three ranges can be found for adiabatic tubes. But for the smallest tube diameters, only tulip-shaped flames exist. Mushroom-shaped flames are similar in isothermal and adiabatic tubes therefore their propagation velocities are almost equal. Tulip-shaped flames are different in analyzed tubes: in the isothermal ones they are more flat than these in the adiabatic. For that reason their flame areas and propagation velocities are much lower. Differences between values of flame propagation velocities mentioned increase with respective tube diameters. Experimentally determined quenching diameters and distances depend on the equivalence ratios. For lean mixtures they do not depend on the flame propagation direction. The matter looks quite different for rich mixtures. Flames propagating in the same channel but in the different directions - are quenched for different equivalence ratios (Φ > 1,55). Lean limits of downward (upward) flame propagations are Φ = 0,53 (Φ = 0,57), while the rich ones of downward (upward) flame propagations - Φ = 1,64 (Φ = 2,62). This large gap between flammability limits in rich mixtures - results from preferential diffusion of a deficient reactant (as a response to the flame stretch of upward propagating flame when Le < 1). Analysis of flame stretch, resulting from its curvature, indicates influences on quenching (and flammability) limits and flame propagation velocities. However, it excludes existence of indirect effect on the process flame quenching in the channel, because it reaches only 30 % of the flame quenching critical stretch. Determined flame propagation velocity under quenching conditions Sq has been compared with a theoretical limit flame propagation velocity Slim obtained by Zeldovich. Effects of flame stretch and buoyancy on flame propagation velocity have been analyzed. Especially buoyancy can play an important role for upward propagating flames in rich mixtures. Calculated critical Peclet number is almost constant for limit flames with equivalence ratio Φ = 0,64÷1,23 for channels with square cross-sections and Φ = 0,55÷1,2 for channels with circular cross-sections. The Pe number increases with mixture concentration approaching flammability limits. Observation and numerical calculation showed, that flame being close to quenching condition immediately after passing through the sudden contraction -is extremely weak. The numerical results show that flames can enter small diameter tubes from wider ones and propagate in stable manner in these tubes as long as the diameter of the narrow ones are far from the quenching diameters. Decreasing the diameter of the narrow tube, we approach the conditions in which the dimension of the wide tube determines that the flame will propagate or quench. This is connected with a temporarily increased ratio of heat losses to thermal energy generation - caused by a greater heat loss area. Possibilities of using one-, two- and four step chemical reactions (with default reaction rate constants for simulation of flame propagation in narrow channels) - have been checked.

5

Numerical investigation of a movable wall response on a flame propagation

Górniak A., Kaźmierczak A.

Journal of KONES

|

2013

|

Vol. 20, No. 2

135--141

EN

This paper contains a description of a shock wave (called a flame when the deflagration is considered) propagation pattern impact on a motion of a barrier. Here, the numerical research was conducted on a model of a pyrotechnic actuator, hence, the piston is understood as a movable barrier. The processes occurring within the pyrotechnic actuators after ignition of a pyrotechnic propellants have been explained. The investigations are focused on the dependence of a shape of the actuator’s combustion chamber and the piston stroke time. It appears that the appropriate design of the combustion chamber can decrease the time required for a piston total stroke using this same type of a propellant. The visualization of the flame occurring due to ignition of the propellant is crucial for understanding the dependence between the construction of the actuators interior and the piston stroke time. Therefore, the approach of simulating numerically the flames aroused. The simulation was conducted on a full scale 3D model of a pyrotechnic actuator which is a detail representation of a real object on which the verification test will be conducted. However, only the flame propagation was considered here. The material of an actuators members was not investigated, hence the AUTODYN solver considered them as a single rigid bodies with its own mass and inertia.

6

Influence of number of step reactions on flame parameters under quenching conditions

Gutkowski A.

Journal of KONES

|

2011

|

Vol. 18, No. 2

153-159

EN

Last decade, construction and using of microscale gas-turbines and internal combustion engines is collecting growing attention. However, the flame propagation limitations impede the development of micro and mesoscale combustion devices. Due to its small scale, increasing effect of flame-wall interaction causes a large heat loss and in consequence flame quenching. Both, fundamental experimental work and numerical simulations are conducted in order to overcome quenching issues. The most basic analysis concerns flame behaviour in small scale devices are premixed flame propagation in narrow tubes. There are two possibilities of flame-flow configurations: flame moving in a stationary mixture and a stationary flame in mowing mixture. These configurations have influence on flame shape, flame propagation velocity and quenching diameter. Most of numerical investigation assumes single-step reaction. It means that for flames propagating in propane-air mixtures C3H8 reacts directly with oxygen and leads to CO2 and H2O. This chemical kinetics mechanism omits existence of CO in reaction zone and in combustion products. Therefore it is interesting to use two-step reactions mechanism and compare the results with those obtained from single-step reaction model. The purpose of this analysis is to find influence of number of reaction steps on flame behaviour under quenching conditions for flames propagating in stationary lean propane-air mixtures. Quenching diameter, flame propagation velocity are determined and analyzed.

7

Mechanizm oddziaływania wody na płomień gazowy i pyłowy

Gieras M.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Mechanika

|

2006

|

z. 212

3-112

PL

W pracy przedstawiono wyniki kompleksowych badań autora nad oddziaływaniem kropel wody na płomień gazowy i pyłowy z uwzględnieniem wpływu średnicy, prędkości i liczby podawanych kropel. W pierwszym etapie prowadzono badania zachowania się w płomieniu pojedynczych kropel zawieszonych na igle kwarcowej lub swobodnie spadających w polu grawitacyjnym. Ważnym elementem rozważań było wyeksponowanie w badanym zjawisku faktu dwustronnego oddziaływania między płomieniem i kroplą wody: z jednej strony zespołu procesów związanych z działaniem płomienia na kroplę, a z drugiej strony - zespołu procesów związanych z działaniem kropli na płomień. W drugim etapie przeprowadzono badania strug rozpylonej wody, w celu uogólnienia procesów zaobserwowanych podczas pierwszego etapu. W celu lepszego poznania mechanizmów oddziaływania między kroplami a płomieniem przeprowadzono badania również dla cząstek stałych - obojętnych oraz czynnych chemicznie. Zakres pracy obejmował także właściwy dobór i projekt rozpylaczy niezbędnych do uzyskania odpowiednich parametrów rozpylanej strugi wody. Stwierdzono, że woda może być bardzo dobrym środkiem gaśniczym, jeśli jest w odpowiedni sposób dostarczona do płomienia. Zastosowana do aktywnego superszybkiego systemu tłumienia wybuchów pyłowych i gazowych (realizowanego po części w ramach tej pracy) może skutecznie tłumić nawet bardzo szybko propagujące wybuchy, natomiast źle dobrane parametry rozpylanej strugi mogą stać się źródłem bardzo gwałtownej, niebezpiecznej dla człowieka akceleracji płomienia do prędkości wielokrotnie przewyższającej jego prędkość początkową. Opracowano proste modele matematyczne pozwalające wyliczyć maksymalne średnice kropel najskuteczniej gaszących płomień gazowy i pyłowy oraz pozwalające wyliczyć minimalne ilości wody potrzebnej do zgaszenia płomienia. Przeprowadzono symulacje procesów gaszenia i turbulizacji płomieni gazowych i pyłowych przez rozpylone strugi wody lub strugi cząstek neutralnych z uwzględnieniem wpływu na ten proces średnicy, prędkości oraz liczby podawanych kropel lub cząstek. Przedyskutowane zostało pojęcie optymalnej średnicy gaszącej kropli rozpylonej wody i praktyczne znaczenie tego faktu. Porównano wyniki otrzymane z badań doświadczalnych i teoretycznych.

EN

The monograph contains the experimental and numerical results of the complex author's research into the interaction of water and other extinguishing media with propagating gaseous and dust flames. The research was focused on two main problems: the mechanism of interaction of single water droplets (fixed at the end of glass needle or free falling) with propagating flame and mechanism of flame quenching, or its acceleration, by water sprays. To gain a better understanding these problems the neutral sand particles and typical extinguishing powders were also used. Special dispersing nozzles were designed and constructed. Several different mechanism of water behaviour, during their contact with flame front, depending on droplet size and flame velocity, were observed and described. From conducted experiments, it appears that water sprays, when properly dispersed, can be very effective as the flame extinguishing agent. Experiments with tested active suppression system have shown that water is also very effective in suppression, even for very violent dust explosion. If the suppression systems are not able to deliver the required quantity of water of the appropriate dispersing spectrum to stop combustion, then the explosion can even propagate faster and can be more violent. Mathematical models of water droplet evaporation in flame front were made and the results from the calculation of the maximum diameter of a droplet which can completely evaporate in the flame front were plotted. The minimum quantities of water spray which can cause a totally quenching flame were presented. Also a simulation of the flame suppression process by water sprays or neutral particles were made for different droplets or particles size and velocity. The idea of an optimal water spray droplets extinguishing diameter was discussed.

8

Pomiary szybkości spalania mieszanki eteru dimetylowego z powietrzem przy użyciu techniki mikrociążenia

Okajima S.

Silniki Spalinowe

|

2005

|

R. 44, nr 3

56--60

PL

Przeprowadzono doświadczenie, którego celem było sprawdzenie charakterystyki spalania mieszanki powietrza i eteru dimetylowego przy wykorzystaniu technikę mikrociążenia, wymagające komory swobodnego opadania. Warunki początkowe badań były następujące: temperatura 293 K, ciśnienie 0,10 MPa a stosunek składników mieszaniny zmieniał się od stechiometrycznego do granic zapalności mieszanki. Uzyskano następujące wyniki: (1) technika mikrociążenia jest bardzo użyteczna w analizie zachowania płomienia, nawet dla bardzo ubogich mieszanek, oraz (2) szybkość spalania mieszanki eteru dimetylowego jest podobna do prędkości spalania metanu w całym zakresie analizowanych składów mieszaniny i wynosi 10,0 cm/s oraz 32,0 cm/s, odpowiednio dla mieszanki o stosunku 0,62 i 0,90 a także (3) na podstawie wyników badań można wnioskować, że użycie mieszanki z eterem dimetylowym nie jest wykluczone w przypadku silników.

EN

Experiment has been carried out to examine the fundamental combustion characteristics of DME fuel-air mixtures using micro-gravity technique, which is achieved in freely falling chamber. The initial conditions of temperature and pressure are 293 K and 0.10 MPa, respectively and the equivalence ratio is the range from stoichiometoric proportion to near the lower flammability limit. The results obtained in the study are as follows:(1) micro-gravity technique is very useful to analyze the flame behavior even at very lean mixtures, and (2) the burning velocity of DME fuel- air mixture is nearly the same with that of methane-air mixture at the range of all the equivalence ratios investigated and those values of DME fuel are 10.0 cm/s and 32.0 cm/s at 0.62 and 0.90 of equivalence ratio, respectively, and (3) from these experimental data it is suggested that the application to the engine combustion of DME fuel is not so impossible.