Measurements of hydrocarbon flame propagation in a channel

Abstract

Assessing the risk of gas explosions associated with Li-ion batteries in confined geometries is challenging. When a Li-ion battery cell undergoes so-called thermal runaway, internal reactions in the cell can lead to the formation of flammable and toxic gases that expand and finally lead to rupture of the battery cell. The battery cell then acts as a source of flammable and toxic gases that fill the surrounding confinement through a turbulent dispersion process. The specific composition of the vented gas mixture is ongoing research, but flammable hydrocarbons, carbonates, and hydrogen are usually present. The subsequent explosion hazard posed by the release of these gases in confined spaces is far from understood. Given successful ignition of the gas mixture, a flame front will propagate into the reactants while producing heat and creating pressure waves. The thermal expansion causes the reactants to be pushed ahead of the flame front. The resulting flow is highly influenced by turbulence, which wrinkles the flame front and efficiently transports fresh reactants into the combustion zone and preheats them. The result is a substantially more potent combustion process, which unfortunately is extremely difficult to model. There is thus a need for more experimental data on turbulent flame propagation. In this report, the flame-propagation properties of ethane-air mixtures in a 6 m explosion channel have been studied. A section near the closed end of the channel was injected with either premixed ethane-air or pure ethane. The gas mixture was then ignited, which led to flame propagation towards the opposite and open end of the channel. The flame-front evolution was monitored using pressure sensors as well as a high-speed camera. Although the open-ended channel is not directly representative of confined spaces, the current experiments may provide valuable data in the ongoing effort to simulate flame propagation using computational fluid dynamics. If sufficient agreement between simulations and experiments in the open-ended channel can be achieved, it provides more confidence in the ability of numerical models to capture the flame-propagation properties in more complex geometries. A total of 15 individual tests were performed, and both the fuel-air equivalence ratio and the fuel-air cloud size were varied. For two of the cases, turbulence-generating obstacles were introduced to enhance the flame speed. The deflagration propagation did not lead to the formation of observable shock waves in any of the tests. Nevertheless, the combustion process continuously generates pressure waves that propagate upstream into the burnt region and downstream into the unburnt region. Reflections occur when the downstream propagating pressure waves reach the open end of the channel, thus contributing to the pressure build-up in the channel.

Dersom en Li-ion battericelle gjennomgår en såkalt termisk hendelse, kan interne reaksjoner i cellen føre til dannelse av brannfarlige og giftige gasser som utvider seg og til slutt fører til at battericellen går i stykker. Battericellen fungerer da som en brannfarlig kilde der giftige gasser fyller rommet gjennom en turbulent spredningsprosess. Den spesifikke sammensetningen av ventilerte gasser er pågående forskning, men man vet at brennbare hydrokarboner, karbonater og hydrogen vanligvis er tilstede. Den påfølgende eksplosjonsfaren ved utslipp av disse gassene i lukkede rom er bare delvis forstått. Ved vellykket antenning av gasskyen vil flammefronten forplante seg inn i drivstoffblandingen mens den produserer varme og skaper trykkbølger. Termisk ekspansjon fører til at den ubrente drivstoffblandingen skyves foran flammefronten. Den resulterende strømningen er sterkt påvirket av turbulens, som igjen vil øke overflatearealet av flammefronten og effektivt transportere friskt og forvarmet drivstoff inn i forbrenningssonen. Resultatet er en vesentlig kraftigere forbrenningsprosess, som dessverre er vanskelig å modellere. Det er derfor behov for eksperimentelle data på turbulent flammepropagasjon. I denne rapporten har vi studert flammepropagasjonsegenskapene til etan/luft-blandinger i en 6 m eksplosjonskanal. En seksjon nær den lukkede enden av kanalen ble fylt med enten forblandet etan-luft eller ren etan. Gassblandingen ble deretter antent, noe som førte til flammepropagasjon mot den andre og åpne enden av kanalen. Utviklingen ble overvåket ved hjelp av trykksensorer og hastighetskamera. Selv om den åpne kanalen ikke er direkte representativ for lukkede rom, kan disse eksperimentene gi verdifulle data i det pågående arbeidet med å simulere flammepropagasjon ved hjelp av numeriske modeller. Dersom tilstrekkelig overensstemmelse mellom simuleringer og eksperimenter i den åpne kanalen kan oppnås, kan man få mer tillit til at numeriske modeller kan beskrive flammepropagasjon i mer komplekse geometrier. Totalt ble 15 individuelle forsøk utført, med variasjon i både forholdet mellom luft og drivstoff, samt størrelsen på gasskyen. For to av tilfellene ble det innført turbulensgenererende elementer for å øke flammehastigheten. Deflagrasjonen skapte ikke observerbare sjokkbølger i noen av forsøkene. Imidlertid genererer forbrenningsprosessen kontinuerlig trykkbølger som forplanter seg oppstrøms i det brente området og nedstrøms inn i den ubrente regionen. Trykkrefleksjoner oppstår når trykkbølgene når den åpne delen av kanalen og bidrar derfor til en ytterligere trykkoppbygging i kanalen.