Experimental and numerical study of spinning detonation regime in H2, CH4, C2H6 − O2 mixtures diluted or not by N2 or Ar
Contribution à l'étude expérimentale et numérique du régime hélicoïdal de détonation dans les systèmes H2, CH4, C2H6–O2 dilués ou non par N2 ou Ar
Résumé
Detonation of gaseous mixtures such as CnHm/O2 (n ≥ 0) highly diluted by an inert gas or CnHm/NO2 (n ≥ 0) have non monotonous chemical heat release composed of two global reaction steps more or less separated. Each chemical characteristic length Li is associated with a detonation cellular structure whose cell width lambda is proportional to Li. The aim of this work is to understand, especially for safety problems in industrial applications using these mixtures, the influence of the chemical heat release on spinning detonation regime known as the limit of the steady propagation in a tube of inner diameter d and obtained when lambda = pi d. The experimental study which concerns H2, CH4, C2H6 combustibles mixed with O2 diluted or not by N2 or Ar, shows that initial pressure range where the steady spinning regime is observed strongly depends on the position of the second step relative to the first one. The 3D numerical simulations using hydrodynamic code and a one-step or two-step global chemical kinetics model agree qualitatively with experiments by reproducing the spinning regime for each cellular structure (lambda for mixtures which exhibit one-step chemical heat release ; lambda_1 and lambda_2 in the case of double structure).
Les détonations des mélanges gazeux CnHm/O2 (n ≥ 0) fortement dilués par un gaz inerte ainsi que les mélanges CnHm (n ≥ 0) avec l'oxydant NO2 présentent une loi de libération d'énergie chimique non monotone constituée de deux étapes réactionnelles globales plus ou moins séparées. A chaque longueur chimique caractéristique L est associée une structure cellulaire dont la largeur de cellule lambda est proportionnelle à L. L'objectif de ce travail est de comprendre, pour les applications en lien avec la sécurité d'utilisation de ces compostions notamment, l'influence de la loi de libération de l'énergie chimique de ces mélanges sur le régime hélicoïdal (limite) de propagation stationnaire des détonations dans les tubes de diamètre d obtenu lorsque lambda ≈ pi d. L'étude expérimentale, concernant les combustibles H2, CH4 et C2H6 mélangés avec O2 dilués ou non par N2 ou Ar, montre que la plage de pression initiale où le régime hélicoïdal est établi dépend étroitement de l'importance relative de la deuxième étape exothermique par rapport à la première. Les simulations numériques 3D utilisant un code hydrodynamique Eulérien et une modélisation de la loi de production chimique en une ou deux étapes globales s'accordent qualitativement aux résultats expérimentaux en obtenant le régime hélicoïdal pour chaque structure cellulaire (lambda pour les mélanges où la libération d'énergie chimique s'effectue en une seule étape ; lambda_1 et lambda_2 dans le cas d'une double structure).
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