Flame propagation in complex geometries

Abstract

The study of premixed flames is vital for process engineering, especially present in scenarios such as fuel gas leaks from accidents as well as engine explosions in cars or turbines. The understanding and therefore the control of the phenomenon has increased in the last years due to improvements in computer calculation capacities and the measure gauges. Nevertheless, major challenges remain in the description and preview of this topic, particularly for complex scenarios. The aim of this work is the experimental and numerical investigation of premixed flame propagation in small scale complex geometries. The experiments consist of an explosion and flame propagation of premixed flames. T-Pipes with and without obstacles are used to represent complex geometries. The flame propagation is monitored with a high-speed camera in the bent region of the T-Pipes. The pressure is measured during the flame propagation. The images from the high-speed camera are analyzed using image processing techniques. The flame behavior as well the flame front, the region behind the flame front, the flame shape, the flame speed average, the near-wall interactions, the turbulent vortexes, and the flame instabilities are analyzed. The aim is to research the impact of a bent region in premixed flame propagation. The numerical flame investigation is based on computational fluid dynamic simulations. These simulations use a combustion model that reproduces an explosion and flame propagation. Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations are performed to investigate an equivalent scenario like the experimental one. Homogeneous and inhomogeneous mixtures with di erent boundary conditions in the outlet region of the T-Pipes are simulated. The combustion model and the governing equations implemented in the CFD software are presented in detail. The purpose is to reproduce and understand in details the phenomenon observed in the experiments. Accordingly, the experimental and numerical simulation results are compared to analyze flame propagation in detail. As a result of the numerical and experimental investigation, other stages of flame propagation based on the investigation of the flame front and the region behind the flame front are proposed. The impact of a bent region in flame propagation for lean, stoichiometric, and rich inhomogeneous premixed methane-air is investigated in detail.

Vorgemischte Flammen sind wichtige Forschungsaspekte innerhalb der Verfahrenstechnik, die vor allem bei der Untersuchung unfallbedingter Gaslecks, sowie bei Verbrennungsmotoren in Autos und Turbinen relevant sind. Infolge von Kapazitätssteigerungen computerbasierter Kalkulationen und Verbesserungen der Messgeräte wuchs in den letzten Jahren das Verständnis und die Kontrolle des Phänomens. Dennoch bestehen weiterhin große Herausforderungen in der Beschreibung und Vorhersage, speziell im Bereich komplexer Szenarien. Ziel dieser Arbeit ist daher die experimentelle und numerische Untersuchung einer vorgemischten Flammenausbreitung in komplexen Szenarios im kleinen Maßstab. Bei den Experimenten steht die Untersuchung von Explosion und Flammenausbreitung von mager vorgemischten Flammen im Fokus. Im Vorfeld des Experiments hergestellte Luft- Methan-Gemische werden in komplexen Geometrien untersucht. T förmige Rohre mit und ohne Hindernisse werden verwendet um komplexe Geometrien zu imitieren. Die Flammenausbreitung wird mit einer Hochgeschwindigkeitskamera im gebogenen Abschnitt des TRohrs aufgezeichnet. Während der Flammenausbreitung wird der Druck gemessen. Die Bilder der Hochgeschwindigkeitskamera werden unter Vewendung von Bildverarbeitungstechniken ausgewertet. Außerdem werden Flammenverhalten, Flammenfront, Form, Geschwindigkeitsmittelwert, Flamme- Wand-Interaktionen, sowie turbulente Wirbel und Flammeninstabilitäten analysiert. Die numerische Flammenuntersuchung basiert auf numerischen Strömungssimulationen. Diese Simulationen beruhen auf einem Verbrennungsmodell, welches Explosionen und die Flammenausbreitung reproduziert. CFD-Simulationen werden durchgeführt, um ein ähnliches Szenario wie das experimentelle zu untersuchen. Homogene und inhomogene Mischungen mit unterschiedlichen Randbedingungen am Austrittsbereich der T-Rohre werden simuliert. Das in der CFD-Software implementierte Verbrennungsmodell und die Navier-Stokes-Gleichungen werden detailliert dargestellt. Ziel ist es dabei ein angemessenes Verbrennungsmodell auszuwählen, welches akkurat mager-vorgemischte und vorgemischte Flammenphänomene im kleinen Massstab numerisch simulieren kann. Auf Grundlage der experimentellen und numerischen Untersuchungen werden in der hiesigen Arbeit aufbauend auf das Phänomen der „Tulip Flame“andere Stufen der Flammenausbreitung vorgeschlagen. Die experimentellen und numerischen Ergebnisse der Simulation werden verglichen um die Genauigkeit der, in der numerischen Software implementierten theoretischen Modelle zu analysieren. Die Auswirkung einer gebogenen Region bei der Flammenausbreitung für magere, stöchiometrische und inhomogene Methan-Luft-Vorgemische wird in der vorliegenden Arbeit detailliert dargestellt und besprochen.