Influence of water microdroplets on hydrogen–air flame instability development in a channel

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The paper is devoted to the numerical analysis of the gaseous combustion process in a channel willed with the hydrogen-air mixture with the inflow of a fresh mixture seeded with microdroplets of water. The dynamics of microdroplets are described in the Lagrangian approximation, which makes it possible to identify the role of local interaction between the droplets and the flame front. It has been shown that the impact of droplets on the front can provoke the generation of disturbances of the flame front and intensify the development of front instability, thereby causing an integral increase in the combustion rate. Using spectral analysis of the structure of the front in the presence of microdroplets, the dynamics of the development of individual harmonics of front disturbances was analyzed and the mechanisms of evolution of the flame front under the influence of microdroplets of water were identified.

Full Text

Restricted Access

About the authors

I. S. Yakovenko

Joint institute for high temperatures of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: yakovenko.ivan@bk.ru
Russian Federation, Moscow

A. D. Kiverin

Joint institute for high temperatures of the Russian Academy of Sciences

Email: yakovenko.ivan@bk.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. G.O. Thomas, A. Jones, M.J. Edwards, Combust. Sci. Technol. 80(1-3), 47-61 (1991). https://doi.org/10.1080/00102209108951776
  2. G.O. Thomas, M.J. Edwards, D.H. Edwards, Combust. Sci. Technol. 71(4-6), 233-245 (1990). https://doi.org/10.1080/00102209008951634
  3. K. van Wingerden, B. Wilkins, J. Bakken, G. Pedersen, J. Loss. Prev. Process. Ind. 8(2), 61-70 (1995). https://doi.org/10.1016/0950-4230(95)00007-N
  4. L. Boeck, A. Kink , D. Oezdin, J. Hasslberger, T. Sattelmayer, Int. J. Hydrogen Energy 40(21), 6995-7004 (2015). https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.03.129
  5. S.S. Tsai, N.J. Liparulo Fog inerting criteria for hydrogen/air mixtures, Tech. Rep. CONF-821026e. Palo Alto, CA (USA): Electric Power Research Inst. (1982).
  6. S.P. Medvedev , B.E. Gel’fand, A.N. Polenov, S.V. Khomik, Combust. Explos. Shock Waves 38(4), 381-386 (2002) https://doi.org/10.1023/A:1016277028276
  7. M. Gieras, J. Loss. Prev. Process. Ind. 21(4), 472-477 (2008). https://doi.org/10.1016/j.jlp.2008.03.004.
  8. P. Zhang, Y. Zhou, X. Cao, X. Gao, M. Bi, J. Loss. Prev. Process. Ind. 29(1), 313-318 (2014). https://doi.org/10.1016/j.jlp.2014.03.014
  9. K. van Wingerden, B. Wilkins, J. Loss. Prev. Process. Ind. 8(2), 53-59. (1995). https://doi.org/10.1016/0950-4230(95)00002-I
  10. G.O. Thomas, J.R. Brenton An investigation of factors of relevance during explosion suppression by water sprays. Tech. Rep. OTH 94 463. London, UK: The University College of Wales (1996).
  11. A.S. Betev, A.D. Kiverin, S.P. Medvedev, I.S. Yakovenko, Russian Journal of Physical Chemistry B 14(6), 940–945 (2020). https://doi.org/10.1134/S1990793120060160
  12. C. Nicoli, P. Haldenwang, B. Denet, Combust. Sci. Technol. 191(2), 197-207 (2019). https://doi.org/10.1080/00102202.2018.1453728
  13. C. Nicoli, P. Haldenwang, B. Denet, Combust. Theor. Model. 21(4), 630-645 (2017). https://doi.org/10.1080/13647830.2017.1279756
  14. M. Matalon, Annu. Rev. Fluid Mech. 39(1), 163-191 (2007). https://doi.org/10.1146/annurev.fluid.38.050304. 092153
  15. I.S. Yakovenko, A.D. Kiverin, Int. J. Hydrogen Energy 46(1), 1259-1272 (2021). https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.09.234
  16. I.S. Yakovenko, I.S. Medvedkov, A.D. Kiverin, Russian Journal of Physical Chemistry B 16(2), 294–299 (2022). https://doi.org/10.1134/S1990793122020142
  17. D.T. Sheppard Spray Characteristics of Fire Sprinklers, National Institute of Standards and Technology, NIST GCR 02-838 (2002).
  18. A.M. Tereza, G.L. Agafonov, E.K. Anderzhanov, A.S. Betev, S.P. Medvedev, S.V. Khomik, Russian Journal of Physical Chemistry B 16(4), 686–692 (2022). https://doi.org/10.1134/S1990793122040297
  19. R.G. Rehm, H.R. Baum, Journal of Research of the National Bureau of Standards, 83(3), 297-308 (1978). https://doi.org/10.6028/jres.083.019
  20. K. McGrattan, R. McDermott, S. Hostikka, et. al. Fire Dynamics Simulator Technical Reference Guide Volume 1: Mathematical Model, Tech. Rep. NIST Special Publication 1018-1, U.S. Department of Commerce, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD (2019). https://doi.org/10.6028/NIST.SP.1018
  21. C.T. Crowe, J.D. Schwarzkopf, M. Sommerfeld, Y. Tsuji Multiphase flows with droplets and particles. 2nd ed. Boca Raton, FL (USA): CRC Press, 2012. ISBN 978-0-4291-0639-2
  22. N.P. Cheremisinoff Gas-liquid flows. Encyclopedia of fluid mechanics. 1st ed., vol. 3. Houston, TX (USA): Gulf Publishing, 1986. ISBN 0-87201-515-7
  23. A. Keromnes, W.K. Metcalfe, K.A. Heufer et al., Combust. Flame. 160, 995-1011. (2013). https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2013.01.001.
  24. NRG computational package for reactive flows modeling. https://github.com/yakovenko-ivan/NRG
  25. A.M. Tereza, G.L. Agafonov, E.K. Anderzhanov, A.S. Betev, S.P. Medvedev, S.V. Khomik, T. T. Cherepanova Russian Journal of Physical Chemistry B 17(4), 974–978 (2023). https://doi.org/10.1134/S1990793123040309
  26. A.M. Tereza, G.L. Agafonov, E.K. Anderzhanov, A.S. Betev, S. P. Medvedev, S. V. Khomik, T. T. Cherepanova Russian Journal of Physical Chemistry B 17(2), 425–432 (2023). https://doi.org/10.1134/S1990793123020173
  27. R.V. Fursenko, K.L. Pan, S.S. Minaev Phys. Rev. E. 78, 056301 (2008). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.78.056301
  28. F. Creta, N. Fogla, M. Matalon Combust. Theor. Model. 15(2), 267-298 (2011) https://doi.org/10.1080/13647830.2010.538722

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Statement of the problem of flame propagation in an open channel with the supply of a fresh mixture with an admixture of suspended microdroplets of water: the dashed line is the initial disturbance, the dash-dotted line is the axis of symmetry.

Download (11KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Dispersion curve of the flame front instability of a mixture of 15% hydrogen with air.

Download (10KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dynamics of flame front structure development in a pure gas mixture of 15% hydrogen with air and in the presence of water microdroplets: a – combustion without water droplets; b – combustion with water droplets supplied to the combustion zone at hd = 2 mm, 3 mm (c) and 4 mm (d). Solid black lines are temperature isolines T = 1000 K, dashed red lines are the initial disturbance, and dash-dotted black lines are microdroplet trajectories. The time between individual isolines is Δt = 1 ms.

Download (63KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Time dependences of the flame front harmonic amplitude An(t) for the initial disturbance n = 1 (a) and the harmonic with a wavelength equal to the channel width n = 1 (b). Solid black lines – pure gas mixture without droplets, dashed-dotted green lines – hd = 4 mm, solid red lines – hd = 3 mm, dashed blue lines – hd = 2 mm.

Download (31KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. a – Dependence of the flame front perimeter values, Pf, normalized to the channel width, on time. b – Time dependence of the velocity of the average coordinate of the flame front in the laboratory reference system, ufL, normalized to the value of the normal combustion velocity Sb. The designations are the same as for Fig. 4.

Download (38KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».