Accélération de la flamme et passage à la détonation dans des canaux étroits – FASTD

Intégration de nouvelles expériences et techniques de visualisation, de simulations numériques et d'analyses mathématiques pour donner une image plus claire de l'accélération de la flamme et de l'allumage de la détonation.

- visualisation schlieren simultanée
- simulations numériques haute fidélité
- modèles d'ordre réduit informés expérimentalement

*Installation expérimentale*
- Conception mécanique et caractérisation de canal étroit entièrement accessible optiquement
- Démonstration de la faisabilité de la visualisation schlieren simultanée et de sa valeur ajoutée pour étudier l'accélération de la flamme et le DDT

À ce jour, un canal entièrement accessible optiquement a été construit pour observer les topologies de flamme pendant le DDT dans des canaux étroits et lisses (1 m de long ; 1 cm 2 de section fermé à l'extrémité d'allumage et ouvert à l'autre extrémité). Un système optique permettant la visualisation simultanée de schlieren à partir de deux directions mutuellement orthogonales a été conçu et a révélé pour la première fois les topologies tridimensionnelles d'une flamme en accélération, de l'allumage au début de la détonation, dans des mélanges stoechiométriques hydrogène-oxygène dilués dans l'azote (c'est-à-dire, 2H2+O2+?N2). Les hypothèses symétriques largement acceptées au cours des toutes premières étapes de la propagation ont été confirmées tandis que des structures asymétriques complexes ont été démêlées et décrites au cours de FA et DO. La valeur de la visualisation schlieren haute vitesse bidirectionnelle simultanée pour fournir un aperçu unique des véritables topologies de front et d'onde de réaction présentes pendant toute l'évolution du DDT a été démontrée. Les images schlieren révèlent également que le début de la détonation varie également en fonction de la dilution et que différents types de début peuvent être observés même pour le même niveau de dilution. Un article de conférence (CP) montrant les résultats préliminaires a été présenté à l'ICHS2021, et un article de journal (JP) avec le premier ensemble de résultats complets est actuellement en cours d'examen pour Combustion and Flame.

*Développement de modèles expérimentalement informés*
- Modèle frontal 1-D expérimentalement informé pour étudier FA et DO - mis en œuvre, validé et testé. Les résultats préliminaires ont été présentés à l'ICDERS 2022 ; 1 document de conférence (CP)

- Équations d'Euler réactives (REE) avec sources/puits - développement d'un outil numérique polyvalent pour étudier les solutions stationnaires pour la propagation de la détonation sous l'influence du frottement, de la chaleur et des pertes de courbure ; 1 article de journal (JP), 1 CP, 2 JP en cours de révision, 1 JP en préparation,

*Installation expérimentale*
Prochaines étapes :
- Créer des cartes de topologie de flamme (i) en utilisant de l'hélium/argon comme diluants  ; (ii) en fonction de la concentration en H2 ; (iii) Mélanges CH4/H2.
- Pousser vers des diagnostics expérimentaux plus quantitatifs (background oriented schlieren, OH-PLIF, interférométrie, etc.)

*Développement de modèles expérimentalement informés*
Prochaines étapes :
- extension du modèle frontal à la chimie détaillée; dynamique instationaire avec REE et simulations 2D expérimentalement informées.

*Journal papers*
(1) Veiga-López, F., Faria, L. M., & Melguizo-Gavilanes, J. (2022). In?uence of chemistry on the steady solutions of hydrogen gaseous detonations with friction losses. Combustion and Flame, 240, 112050.

(2) Veiga-Lopez, F., Z. F. Weng, Mével R.,Melguizo-Gavilanes, J. (2022) Influence of low-temperature chemistry on steady detonations with curvature losses, Proceedings of the Combustion Institute, Manuscript No: PROCI-D-22-00272, under review

(3) Z. F. Weng, Veiga-Lopez, F., Melguizo-Gavilanes, J., Mével R. (2022) Effect of ozone addition on curved detonations, Combustion and Flame, Manuscript No: CNF-D-22-00545, under review

(4) Ballossier, Y., Virot, F. & Melguizo-Gavilanes, J., (2022). Flame acceleration and detonation onset in narrow channels: simultaneous schlieren visualization. Combustion and Flame, Manuscript No: CNF-D-22-00802, under review

*Conference papers*
(1) Mejía-Botero, C.C., Veiga-Lopez, F., Melguizo-Gavilanes, J. (2022) Critical diameters for CH4/H2-air mixtures: implications for natural gas pipelines, 14th International Symposium on Hazards, Prevention, and Mitigation of Industrial Explosion (ISHPMIE), July 11-15, 2022, Braunschweig, Germany

(2) Melguizo-Gavilanes, J., Bauwens, L. (2022) An experimentally informed 1-D DDT model for smooth narrow channels, accepted for oral presentation, 28th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, June 19-24, 2022, Napoli, Italy

(3) Veiga-Lopez, F., Chinnayya, A., Melguizo-Gavilanes, J. (2022) A methodology to develop simplified schemes for detonation simulations, accepted for oral presentation, 28th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, June 19 - 24, 2022, Napoli, Italy

(4) Ballossier, Y., Veiga-Lopez, F., Virot, F., Melguizo-Gavilanes, J. (2021) Three-dimensional structures of N2-diluted stochiometric H2-O2 flames in narrow channels, oral presentation, 9th International Conference on Hydrogen Safety, September 21 - 24, 2021, Edinburgh, Scotland

L’évolution vers une économie basée sur l'hydrogène nécessite une compréhension pratique et fondamentale des risques liés à sa production, son stockage et sa manipulation. Une combustion accidentelle serait liée a des phénomènes tels que l’allumage, la propagation et l’accélération de la flamme, les interactions flamme-obstacles, la formation d’ondes de chocs, les interactions choc-flamme, la transition à la détonation et sa propagation. Parmi ceux-ci, la transition de la déflagration à la détonation est le plus fascinant. Scientifiquement, la transition est un problème fondamental de combustion riche en physique. En pratique, il est important de la comprendre pour développer des corrélations et des outils de simulation pouvant être appliqués à la propulsion et à la prévention des explosions. Pour répondre aux questions fondamentales sur la transition à la détonation et examiner les détails du processus, un effort expérimental, numérique et théorique en profondeur est nécessaire. Un plan détaillé est donc inclus ici.