Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Numerical and experimental study on detonation of hydrogen-air mixtures

Konrad Piotr Malik

Abstract

In this thesis a numerical investigation of hydrogen-air detonation parameters and calculations of characteristic detonation cell size were conducted and compared with experimental data. Simulations were performed by means of OpenFoam and a solver named ddtFoam, which is based on progress variable equation where the detonative source term accounts for autoignition effects. The calculations of the characteristic were based on ZND theory and used Cantera as well as SDToolbox libraries. Range of gaseous mixture compositions used in calculations varied between 20% and 50% hydrogen by volume. The 2D calculation geometry was a 9 m long pipe with the diameter of 0.17 m. The mesh consisted of 382 500 hexahedral cells. Simulations were performed for both, RANS and LES models. Introduction describes the aim of this thesis and outlines in a general way the detonation combustion process. Moreover, it illustrates the issue of investigating the detonation parameters and its meaning for general safety. The next chapter involves an overview of literature containing a theoretical introduction to detonation and ways how to mathematically model it. These mathematial models were used later in a numerical analysis. Based on the literature, the Chapman-Jouguet theory was described and the equations for Hugoniot curve and Rayleigh line in a p-v system were formulated. Additionally, the ZND theory was explained and the author showed the differential equations system which describes the ZND detonation. Furthermore, the chapter outlined basic physical an chemical properties of hydrogen and its mixture with air. The experiments were described in the next chapter, which details the test rig used for research and means of measuring the parameters. Furthermore, the instructions for performing the tests were introduced. Then the author went to describe the process of preparing simulations and overviewing the software used. The features and capabilities of OpenFoam were specified. The solver was presented as well, with detailed description of the combustion modelling mechanism and subgrid-scale functions. Moreover, the author specified all details of the mesh and turbulence models types applied. The next chapter outlines the means and equations used in the charateristic cell size calculations. Furthermore, the author specified various definitions of the reaction length and empirical formulas for obtaining results. Another chapter contains comparisons of experiments with simulations results as well as the characteristic cell sizes obtained in the experiments and their relation to the ZND theory calculations. Additionally, the author attempted to modify solver's default ignition delay tables in order to influence the detonation velocity. Finally, the author recapitulates the results obtained from numerical calculations in comparison with the experiments.
Diploma type
Engineer's / Bachelor of Science
Diploma type
Engineer's thesis
Author
Konrad Piotr Malik (FPAE) Konrad Piotr Malik,, Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Title in Polish
Badania numeryczne i eksperymentalne detonacji mieszaniny wodoru i powietrza
Supervisor
Mateusz Żbikowski (FPAE/IHE) Mateusz Żbikowski,, 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
, Lotnictwo i Kosmonautyka
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
11-02-2016
Issue date (year)
2016
Pages
48
Internal identifier
MEL; PD-3516
Reviewers
Mateusz Żbikowski (FPAE/IHE) Mateusz Żbikowski,, The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)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
detonacja, OpenFOAM, symulacja, eksperyment, wodór, komórki detonacji, Cantera, SDToolbox
Keywords in English
detonation, OpenFOAM, simulation, experiment, hydrogen, detonation cell size, Cantera, SDToolbox
Abstract in Polish
W niniejszej pracy przeprowadzono obliczenia numeryczne parametrów detonacji oraz wielkości komórek detonacyjnych w mieszaninach wodoru i powietrza, a następnie porównano je z wynikami eksperymentalnymi. Symulacje numeryczne przeprowadzono z wykorzystaniem oprogramowania OpenFoam i solvera ddtFoam, który bazował na równaniu parametru postępu spalania z członem źródłowym odpowiadającym za samozapłon mieszaniny podczas detonacji. Obliczenia wielkości komórek detonacyjnych wykonano bazując na teorii ZND w wykorzystaniem bibliotek Cantera i SDToolbox. Zakres stężeń wodoru w powietrzu w przeprowadzonych obliczeniach wynosił od 20 do 50% objętościowo. Dwuwymiarową geometrią do symulacji była rura o długości 9 m i średnicy wewnętrznej 0.17 m. Siatka obliczeniowa składała się z 382 500 hexahedralnych komórek. Symulacje przeprowadzono zarówno dla modelu turbulencji RANS jak i LES. Wstęp opisuje cel pracy oraz w sposób poglądowy ukazuje proces spalania detonacyjnego. Porusza również zagadnienie badania parametrów detonacji oraz ich znaczenie w kwestii bezpieczeństwa. W następnym rozdziale umieszczono przegląd literatury, który zawiera wprowadzenie teoretyczne do detonacji oraz sposobów jej modelowania, które zostały wykorzystane w niniejszej pracy. Bazując na literaturze, opisano teorię Chapmana-Jouguet oraz wyprowadzono równania opisujące krzywą Hugoniota jak i prostą Rayleigha w układzie p-v. Dodatkowo wyjaśniono model detonacji ZND oraz pokazano układ równań różniczkowych opisujący ilościowo detonację ZND. W rozdziale pokazano również podstawowe właściwości fizyczne i chemiczne wodoru oraz jego mieszaniny z powietrzem. Kolejny rozdział opisuje wykonane eksperymenty. Wyszczególnione jest stanowisko badawcze i sposoby pomiaru uzyskanych wielkości. Przedstawiono również wytyczne dotyczące postępowania krok po kroku podczas wykonanych eksperymentów. Następnie, autor przeszedł do opisu wykonywania symulacji oraz użytego oprogramowania. Przedstawione zostały cechy oraz możliwości programu OpenFoam. Opisano również wykorzystany solver, wraz ze szczegółowym przedstawieniem mechanizmu modelowania spalania oraz funkcji podsiatkowych. Podano również szczegółowe parametry i cechy użytej siatki obliczeniowej oraz dokładne typy modeli turbulencji. Kolejny rozdział poświęcono aby przedstawić sposób, metody i wzory stosowane podczas obliczeń wielkości komórek detonacji. Pokazano w nim definicje długości strefy reakcji oraz empiryczne formuły stosowane przy otrzymywaniu wyników. Następny rozdział to porównanie danych eksperymentalnych z wynikami symulacji przeprowadzonych na bazie modeli turbulencji RANS i LES. Wyniki pomiarów wielkości komórek detonacji zostały porównane z rezultatami obliczeń z teorii ZND. Opisano tu również próbę modyfikacji tablic opóźnienia zapłonu solvera ddtFoam oraz jej wpływ na prędkość propagacji detonacji. Ostatecznie, autor podsumowuje otrzymane wyniki analiz numerycznych w zestawieniu z eksperymentami.
File
  • File: 1
    Konrad_Malik_praca_inzynierska.pdf
Request a WCAG compliant version
Local fields
Identyfikator pracy APD: 9263

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/bachelor/WUT584b9e0815aa498592f560f05038d569/
URN
urn:pw-repo:WUT584b9e0815aa498592f560f05038d569

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page