Experimental and numerical investigation into the dynamics of dust lifting up from the layer behind the propagating shock wave

Rudolf Klemens , Paweł Oleszczak , Przemysław Żydak

Abstract

In a number of industrial facilities and factory buildings dust layers cover floors, walls, ceilings and various installations. The dust can be easily dispersed by pressure waves generated by weak explosions or as a result of damage of a compressed gas systems. If the obtained explosive dust-air mixture is ignited, a devastating explosion may occur. The aim of the work was to study the dust lifting process from the layer behind the propagating shock wave and to determine some important parameters, which later could be used for development and validation of the numerical model of the process. The experiments were conducted with the use of a shock tube. For measuring the dust concentration in the mixture with air, a special five-channel optical device was constructed, enabling measurements at five positions located in one vertical plane along the height of the tube. The delay in lifting of the dust from the layer and the vertical velocity of the dust cloud were calculated from the dust concentration measurements. The research was carried out for various initial conditions and for various types of dusts. The results obtained in tests with black coal dust are presented in the paper. Three shock wave velocities: 450, 490 and 518 m/s and three dust layer thicknesses, equal to 1.0, 1.5 and 2.0 mm, were taken into consideration. Measurements results of the mean vertical component of the dust cloud velocity between the layer and the first laser beam were used in a new model, where the dust dispersing process is modeled as an injection of the dust from the layer. The numerical simulations were based on the Euler or Lagrange model of the dust phase. In case of Euler model, the dust layer was replaced by injection of dust from the bottom of the channel. The calculations were performed for two models of the investigated process. In the first model, correlation was worked out for all tested dusts and in the new model, the individual correlations for every tested dust were prepared. The results obtained with use of the second model proved to be closer to the experimental results. It appeared, however, that lifting up of the dust from the thick layers, thicker than 1 mm, is a more complex process than that from a thin layers and still requires more research. Probably the problem is, that the shock wave action upon the thick layer causes its aggregation in the first stage of the dispersing process, what makes the dust lifting process more difficult.
Author Rudolf Klemens (FPAE / IHE)
Rudolf Klemens,,
- The Institute of Heat Engineering
, Paweł Oleszczak (FPAE / IHE)
Paweł Oleszczak,,
- The Institute of Heat Engineering
, Przemysław Żydak (FPAE / IHE)
Przemysław Żydak,,
- The Institute of Heat Engineering
Journal seriesShock Waves, ISSN 0938-1287, [1432-2153]
Issue year2013
Vol23
No3
Pages263-270
Publication size in sheets0.5
Keywords in Polishfala uderzeniowa, przepływy wielofazowe, podrywanie pyłu
Keywords in EnglishAcoustics, Condensed Matter Physics, Dust lifting, Engineering Fluid Dynamics, Engineering Thermodynamics, Heat and Mass Transfer, Fluid- and Aerodynamics, Multiphase flows, Shock waves, Thermodynamics
Abstract in PolishW wielu urządzeniach przemysłowych i budynkach fabrycznych warstwa pyłu zalega na podłogach, ścianach, sufitach i różnych instalacjach. Pył ten może być łatwo poderwany przez falę ciśnieniową wytworzoną w wyniku słabego wybuchu lub będącą rezultatem uszkodzenia instalacji sprężonego gazu. Zapłon wytworzonej w ten sposób mieszaniny pyłowo-powietrznej może zainicjować niszczący wybuch. Celem pracy było badanie procesu podrywania pyłu z warstwy za propagującą falą uderzeniową i określenie pewnych ważnych parametrów, które mogłyby być później wykorzystane do opracowania i uwiarygodnienia numerycznego modelu procesu. Badania były prowadzone przy wykorzystaniu rury uderzeniowej. Aby umożliwić pomiar stężenia pyłu w mieszaninie z powietrzem skonstruowano specjalne pięcio-kanałowe optyczne urządzenie wykorzystujące laser jako źródło światła. Umożliwiało ono pomiar stężenia pyłu w pięciu punktach usytuowanych w jednej pionowej płaszczyźnie i rozmieszczonych wzdłuż wysokości rury. Czas opóźnienia pyłu z warstwy oraz składowa pionowa prędkości chmury pyłu wyliczane były z pomiarów stężenia pyłu w pięciu punktach. Badania prowadzono dla różnych warunków początkowych procesu oraz różnych rodzajów pyłu. W pracy zamieszczono wyniki uzyskane dla pyłu węgla kamiennego. Badania prowadzono dla trzech prędkości fali uderzeniowej: 450, 490 i 518 m/s oraz dla trzech grubości warstwy pyłu, równej 1,0; 1,5 oraz 2,0mm. Wyniki pomiarów średniej wartości składowej pionowej prędkości chmury pyłu pomiędzy warstwą pyłu a pierwszym laserem zostały wykorzystane do opracowania nowego modelu numerycznego badanego procesu, w którym proces podrywania pyłu zamodelowano jako wtrysk pyłu z warstwy. Symulacje numeryczne bazowały na modelu Euler’a oraz Lagrange’a w odniesieniu do fazy pyłowej. W wypadku modelu Euler’a warstwa pyłu była zastąpiona przez wtrysk pyłu z dolnej ścianki kanału. Obliczenia prowadzono dla dwóch modeli badanego procesu. W modelu pierwszym prowadzono obliczenia dla wszystkich badanych pyłów, a w nowym modelu określono indywidualne zależności dla każdego badanego pyłu. Wyniki uzyskane przy wykorzystaniu drugiego modelu są bardziej zbliżone do wyników z eksperymentów
DOIDOI:10.1007/s00193-012-0376-9
URL http://link.springer.com/article/10.1007/s00193-012-0376-9
Languageen angielski
Score (nominal)20
ScoreMinisterial score = 20.0, 28-11-2017, ArticleFromJournal
Ministerial score (2013-2016) = 20.0, 28-11-2017, ArticleFromJournal
Publication indicators WoS Impact Factor: 2013 = 0.743 (2) - 2013=1.045 (5)
Citation count*2 (2015-06-12)
Cite
Share Share

Get link to the record


* presented citation count is obtained through Internet information analysis and it is close to the number calculated by the Publish or Perish system.
Back
Confirmation
Are you sure?