Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Gas-flame propagation in a short channel-numerical simulation using FLUENT code

Damian Łupiński

Abstract

The problem of gas-flame propagation in a channel, both smooth and rough-walled tubes, or filled with obstacles, is an important issue for modern science. Due to common use of gas fuels, safe transport of different mixtures, that may vary in level of reactivity, is necessary. Mechanisms of propagation and combustion are very complex. Modern science enables observation of these phenomena. Available numerical methods can be used to simulate combustion, heat transfer and flame propagation. Obtained data can serve as a guidance in later experimental research. The aim of this work was to realize a series of numerical simulations of gas-flame propagation in short, square sectioned channels with different configurations of obstacles. There were three 0,6m long channels chosen for the analysis. The first one was smooth, while the second and third were equiped with barrier type obstacles and differ only in blockage ratio. In the first part of this study, simulations for stechiometric propan-air mixture were carried out. Later, the analysis was repeated for stoichiometric hydrogen-air mixture. To achieve this goal CFD program (FLUENT) was used. A numerical model selected for the combustion was Premixed Combustion. Since the generation of turbulence has a significant effect on the propagation of the flame, the choise of the turbulent model was very important. After many tests, realisable k-eps model was chosen, as the most suitable for this simulation. Above that, 3D mesh was generated in GAMBIT. After the simulation, obtained data were compared with experimental results. Although results of the simulation and of the experiment vary, some similarities can be found. The general character of the flame propagation, maximum velocities of the flame and the shape of the flame front in the numerical analisys were found to be close to those, seen in the experiment. The propagation mechanism of the flame in a smooth channel is controled mainly by turbulence. When the gas burns, it expands and pushes unburned mixture ahead of the flame front. The movement of the gas mixture causes the turbulent boundary layer to grow, due to friction on channel walls. The generation of turbulence is the reason of turbulent mixing increase and, in consequence, hgher reaction rate. At first the shape of the flame will be similar to a “mushroom”, mainly because of the ignition conditions. The flame speed will be highest in the axis of the channel. Later, turbulence generated close to the walls will cause the acceleration of the flame in these regions. The effect of this acceleration will be the change of the flame shape into a “tulip”. The situation with the obstacle filled channels is a bit different. Turbulence remains a main reason of flame acceleration, but the form of barriers can be the cause of a unique gas-dynamic mechanism. Due to a sudden rise of the tube diamater behind the barrier, we are witnessing an abrupt expansion. This situation can be compared to case,when the combustion front propagates into unlimited space. As a result the flame accelerates immediately. Zones of unburned mixture remain between the barriers, close to the channel walls. They will burn slowly long after the main flame front has passed. It was found that the blockage ratio has a significant effect on the flame propagation. In general, the highest flame speeds were recorded in a channel with obstacles 10mm high. The reactivity of the mixture is also an important issue of the flame propagation. Simulation results for both examined fuels show that with the rise of the reactivity, propagation velocities are higher. In conclusion, numerical methods are methods of approximate calculations. Even though the results obtained in this study are not exact, numerical analysis still remains a useful tool for engineers. The simplicity of the model used in this work can encourage further development of these methods.
Diploma type
Engineer's / Bachelor of Science
Diploma type
Engineer's thesis
Author
Damian Łupiński (FPAE) Damian Łupiński,, Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Title in Polish
Propagacja płomienia gazowego w kanale-symulacja numeryczna przy użyciu programu FLUENT
Supervisor
Andrzej Teodorczyk (FPAE/IHE) Andrzej Teodorczyk,, The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Certifying unit
Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Affiliation unit
The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)
Study subject / specialization
, Mechanika i Budowa Maszyn
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
01-02-2008
Issue date (year)
2007
Pages
93
Internal identifier
MEL; PD-532
Reviewers
Janusz Piechna (FPAE/IAAM) Janusz Piechna,, The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE) Andrzej Teodorczyk (FPAE/IHE) Andrzej Teodorczyk,, The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Keywords in Polish
paliwa gazowe, spalanie, symulacja numeryczna, fluent
Keywords in English
xxx
Abstract in Polish
Problem propagacji płomienia gazowego w kanałach, zarówno o gładkich, jak i chropowatych ścianach, lub wyposażonych w przeszkody, jest ważnym zagadnieniem współczesnej nauki. Ze względu na powszechne stosowanie paliw gazowych, konieczne jest zapewnienie bezpiecznego transportu różnych mieszanin, mogących różnić się stopniem reaktywności. Mechanizmy propagacji i spalania są niezwykle złożone. Współczesna nauka pozwala jednak na obserwacje tych zjawisk. Dostępne metody numeryczne można stosować do symulacji spalania, wymiany ciepła i propagacji płomienia. Zdobyte w ten sposób dane mogą służyć jako drogowskaz dla późniejszych badań eksperymentalnych. Celem tej pracy było zrealizowanie serii numerycznych symulacji propagacji płomienia gazowego w krótkich, kwadratowych w przekroju kanałach, różniących się konfiguracją przeszkód. Wybrano trzy kanały długości 0,6m. Pierwszy z nich był „gładki”, natomiast pozostałe dwa wyposażono w bariery i różniły się współczynnikiem zablokowania przepływu. W pierwszej części tej pracy przeprowadzono symulacje dla stechiometrycznej mieszaniny propan-powietrze. Później powtórzono badania dla mieszaniny wodór-powietrze. Do wykonania symulacji wykorzystano program FLUENT. Wybrano model numeryczny PREMIXED COMBUSTION modelowania procesów spalania. Ze względu na znaczący wpływ turbulencji na propagację płomienia, wybór modelu turbulencji był bardzo ważny. Po licznych próbach zdecydowano użyć modelu wykonalnego k-eps, jako najlepiej nadającego się do badanego zagadnienia. Podział na objętości skończone wykonano w programie GAMBIT. Po ukończeniu symulacji, uzyskane wyniki porównano z danymi eksperymentalnymi. Chociaż wyniki symulacji nie pokrywają się z wynikami eksperymentu, można zauważyć pewne podobieństwa. Ogólny charakter propagacji, maksymalne prędkości płomienia i jego kształt w numerycznej symulacji okazały się być bliskie rzeczywistym. Prędkości propagacji w kanale „gładkim”, tak jak się tego należało spodziewać, są stosunkowo niewielkie. W początkowej fazie rozwoju płomienia, czoło spalania osiąga największą prędkość w osi kanału i stopniowo wypełnia całą szerokość kanału. W tych warukach preferowany jest kształt „grzybkowaty”. Następnie, w wyniku tarcia o ścianki kanału, zachodzi turbulizacja warstwy przyściennej. W efekcie intensywność turbulentnego mieszania w sąsiedztwie ścianek kanału uwydatnia się i prowadzi do przyspieszenia płomienia w tej strefie. Środkowa część czoła płomienia zostaje wyprzedzona przez obszary znajdujące się bliżej ścianek. Daje to efekt w postaci zmiany kształtu z początkowego „grzybkowatego” w „tulipan”. Sytuacja w kanałach wyposażonych w przeszkody jest trochę inna. Początkowy rozwój płomienia jest analogiczny do przypadku kanału „gładkiego”. W wyniku gwałtownego zwiększenia średnicy kanału za przeszkodą, mamy do czynienia z nagłym rozprężeniem. Można nawet przyjąć (w kanałach o dużym współczynniku przekrycia), że sytuacja taka jest zbliżona do przypadku wyjścia fali spalania do nieograniczonej przestrzeni. W wyniku tego rozprężenia następuje gwałtowne przyspieszenie płomienia. Pomiędzy przegrodami, w pobliżu ścianek kanału, pozostają duże obszary niespalonej mieszanki, które dopalają się powoli, długo po przejściu płomienia. Zauważono, że współczynnik zablokowania kanału ma znaczący wpływ na propagację płomienia. Najwieksze prędkości płomienia zaobserwowano w kanale z przegrodami o wysokości h=10mm. Stopień reaktywności mieszaniny również jest istotnym czynnikiem wpływającym na propagację płomienia. Wyniki symulacji pokazały, że dla paliwa wodorowego predkośći płomienia są znacznie większe niż dla propanu. Podsumowując, metody numeryczne są metodami przybliżonych obliczeń. Mimo iż wyniki uzyskane w tej pracy nie są ścisłe, można przypuszczać, że numeryczne analizy pozostaną użytecznym narzędziem inżynierskim. Prostota modelu zaproponowanego w tej pracy zachęca do dalszego rozwoju tych metod w celu osiągania coraz lepszych wyników.
File
  • File: 1
    PRACA_INZYNIERSKA_do_druku.doc
Request a WCAG compliant version

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/bachelor/WUT3606dc800b274445a4a78960dadc0239/
URN
urn:pw-repo:WUT3606dc800b274445a4a78960dadc0239

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page