Propagation of a premixed gaseous flame from a vessel to a duct : investigation of transmission and quenching mechanisms at tube entrance
Propagation d'une flamme de prémélange gazeux d'une enceinte vers un tube : études des mécanismes de transmission et de coincement au changement de section
Résumé
The issue of gas explosions vented through relief pipes is a matter of importance for the security of industrial plants. In the course of transmission of a flame from a vessel to a duct, a secondary explosion occurs in the tube at the vicinity of the change of section, which results in a secondary pressure rise in the chamber up to non admissible values.
Experiments with a premixed propane-air flame propagating from a vented vessel into a duct have been compared with CFD simulations. For tubes of small diameter, the tulip flame phenomenon occurs in the chamber and results in a slow down of the process of evacuation of gases from the vessel. For larger diameter tubes, the secondary explosion at tube entrance plays a dominant role. The additional pressure rise in the vessel is due to the delayed combustion of pockets of unburned gases which are trapped in corners of the vessel.
A solution allowing quiet evacuation of gases consists in placing a wire-net insert at the duct entrance in order to delay flame penetration into the duct and prevent the occurrence of the secondary explosion. The effectiveness of the wire net in decreasing the temperature of the exhaust gases was analyzed by means of a nodal thermal network model. An empirical criterion was used to predict flame transmission to the subsequent part of the tube, comparing the auto-ignition temperature of the gaseous mixture with an average temperature of gases calculated at the end of the insert. Results of the simulations are quite consistent with experiments, and show that under adequate choice of its characteristics, the insert is able to diminish the temperature of the burning zone, thus provoking flame quenching.
Experiments with a premixed propane-air flame propagating from a vented vessel into a duct have been compared with CFD simulations. For tubes of small diameter, the tulip flame phenomenon occurs in the chamber and results in a slow down of the process of evacuation of gases from the vessel. For larger diameter tubes, the secondary explosion at tube entrance plays a dominant role. The additional pressure rise in the vessel is due to the delayed combustion of pockets of unburned gases which are trapped in corners of the vessel.
A solution allowing quiet evacuation of gases consists in placing a wire-net insert at the duct entrance in order to delay flame penetration into the duct and prevent the occurrence of the secondary explosion. The effectiveness of the wire net in decreasing the temperature of the exhaust gases was analyzed by means of a nodal thermal network model. An empirical criterion was used to predict flame transmission to the subsequent part of the tube, comparing the auto-ignition temperature of the gaseous mixture with an average temperature of gases calculated at the end of the insert. Results of the simulations are quite consistent with experiments, and show that under adequate choice of its characteristics, the insert is able to diminish the temperature of the burning zone, thus provoking flame quenching.
On étudie la propagation d'une flamme dans une chambre prolongée par un tube. C'est une configuration classique rencontrée lorsqu'on veut limiter le niveau de pression généré par une explosion interne. Mais au changement de section une explosion secondaire peut se produire dans la canalisation, ce qui conduit à une surpression supplémentaire dans la chambre.
Les résultats expérimentaux obtenus pour un prémélange propane-air ont été confrontés à des simulations numériques. Pour des petits diamètres de tube, on observe l'apparition de l'effet de flamme tulipe dans la chambre, qui contribue à limiter le débit d'évacuation des gaz. Pour les grands tubes, l'explosion secondaire à l'entrée du tube conduit à l'intensification de la combustion retardée des poches de gaz frais situés dans les coins de la chambre, causant ainsi une remontée brutale de la pression.
Pour éviter la formation de l'explosion secondaire une solution consiste à placer un insert (réseau de fils métalliques) à l'entrée du tube afin d'obtenir une extinction totale ou partielle de la flamme. Les expériences montrent qu'une optimisation du dispositif est nécessaire pour obtenir l'atténuation maximale de la supression. Un modèle thermique d'absorption de la chaleur par l'insert a été conçu, s'appuyant sur une méthode nodale. Le critère de transmission de la flamme au delà de l'insert est basé sur la comparaison entre la température d'auto-inflammation du mélange avec une température moyenne des gaz calculée en sortie de l'insert. Les résultats numériques, en bon accord avec les résultats expérimentaux, confirment le rôle prépondérant des pertes thermiques provoquées par l'insert sur le coincement de la flamme.
Les résultats expérimentaux obtenus pour un prémélange propane-air ont été confrontés à des simulations numériques. Pour des petits diamètres de tube, on observe l'apparition de l'effet de flamme tulipe dans la chambre, qui contribue à limiter le débit d'évacuation des gaz. Pour les grands tubes, l'explosion secondaire à l'entrée du tube conduit à l'intensification de la combustion retardée des poches de gaz frais situés dans les coins de la chambre, causant ainsi une remontée brutale de la pression.
Pour éviter la formation de l'explosion secondaire une solution consiste à placer un insert (réseau de fils métalliques) à l'entrée du tube afin d'obtenir une extinction totale ou partielle de la flamme. Les expériences montrent qu'une optimisation du dispositif est nécessaire pour obtenir l'atténuation maximale de la supression. Un modèle thermique d'absorption de la chaleur par l'insert a été conçu, s'appuyant sur une méthode nodale. Le critère de transmission de la flamme au delà de l'insert est basé sur la comparaison entre la température d'auto-inflammation du mélange avec une température moyenne des gaz calculée en sortie de l'insert. Les résultats numériques, en bon accord avec les résultats expérimentaux, confirment le rôle prépondérant des pertes thermiques provoquées par l'insert sur le coincement de la flamme.