Reaction-diffusion fronts in heterogeneous combustion

• Main Author: Tang, François-David
• Other Authors: Andrew J Higgins (Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2011
• Subjects: Engineering - Mechanical
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=104561

Heterogeneous flames are modeled in a simplified system where the fuel particles are discrete heat sources embedded in an inert, heat conducting medium. Two asymptotic regimes of flame propagation are found and exhibit differences in both the propagation limits and the front speeds. When the flame thickness is much larger than the characteristic particle spacing, the media containing the sources can be approximated as homogeneous in the reaction zone. In this case, the propagation of the front is defined as being in the continuum regime. In contrast, when the front thickness is on the same scale as that of the heterogeneities, the front propagates in the discrete regime and a solution based on a continuum is no longer valid. Discrete effects arise from the localization of the reaction around the sources. The first contribution of this thesis investigates the effects of discreteness using numerical simulations. These effects result in a limit in the absence of heat losses, a strong dependence of the front speed on the dimensionality of the system and a weak dependence of the front speed on the reaction time of sources. In a system of regularly spaced particles, the limit can be found analytically in one-, two-, and three-dimensional systems and the front exhibits complex dynamics of bifurcations near this limit. Propagation beyond this limit is only possible through concentration fluctuations in a system with randomly distributed particles. Furthermore, the limit can only be defined as a probabilistic quantity reflecting different possible propagation outcomes depending on the presence, or absence, of propagation paths in discrete random systems. Heterogeneous reaction-diffusion fronts were also studied experimentally in the context of laminar flames propagating in suspensions of iron particulates. Experiments were performed in a reduced-gravity environment on board a parabolic flight aircraft to minimize particle settling and buoyancy-induced convective flows that cause flame disruptions. The experiment consisted of producing a suspension of iron particulates inside a glass tube and initiating a propagating flame at the open-end of the tube. Quenching plate assemblies forming rectangular channels with variable widths were installed inside the tube. Pass and quench events across the channel were used to find the quenching distance. Flame propagation was recorded by a high-speed digital camera and spectral measurements were used to determine the temperature of the condensed-phase emitters in the flame. The objectives of these experiments were threefold. First, experimental measurements of the flame speed and the quenching distance were used to validate a previously developed one-dimensional dust flame model. Second, the particle combustion mode was investigated by varying the transport properties of the gas mixture by changing the balancing gas between helium and argon. It was found that the ratio between the flame speeds measured in helium and argon mixtures for 3 micron-sized particles was smaller compared to the ratios obtained for larger powders. The lower value of the ratio obtained for 3 micron-sized particles was attributed to a combustion controlled by kinetic rates. Flames propagating in mixtures containing particles larger than 7 microns exhibited a larger ratio of the flame speeds in helium and argon, which was associated to the diffusion mode of particle combustion. Lastly, evidence of a transition from a continuum to a discrete propagation regime was observed in experiments by changing the inert component of the gas mixtures from helium to xenon. The flame speeds measured in helium-balanced mixtures exhibited a stronger dependence on the oxygen concentration than flames propagating in xenon mixtures. A stronger dependence of the flame speed on the oxygen concentration is consistent with the continuum regime, whereas a weaker dependence on the oxygen concentration is evidence of the discrete propagation regime. === Dans un système de sources réactives hétérogène, une flamme peut se déplacer dans l'un des deux régimes de propagation. Lorsque l'épaisseur de la flamme est plus grande que la distance entre les sources, le système se comporte tel un qu'espace continue. A l'autre extrême, lorsque la flamme est très fine en comparaison avec l'espacement entre les sources réactives, une flamme hétérogène ne peut plus être d'écrite de manière continue dû à l'importance accrue attribuée aux effets locaux prenant place à l'échelle des sources. Ces effets locaux sont caractérisés par une dépendance importante des paramètres de propagation sur la distribution spatiale des sources. Cette thèse étudie les effets liés au régime de propagation où les interactions locales entre les sources dominent le comportement de la flamme. Les effets associées à la localisation des sources mènent à une limite de propagation en l'absence de perte de chaleur, une dépendance de la vitesse de propagation sur la dimension du système, ainsi qu'une dépendance entre le temps de réaction des sources sur la vitesse de propagation de la flamme. Dans un système dans lequel les sources sont disposées dans un arrangement spatial formant une structure cubique, la limite de propagation est déterminée au moyen d'une solution analytique dans un espace unidimensionnel. Cette limite the propagation est identique dans un espace deux et trois dimensionnel. La propagation de la flamme au-delà de cette limite nécessite une distribution aléatoire des particules. Due au fait que la flamme se propage dans un milieu contenant des sources placées de manière aléatoire, la limite de propagation doit être exprimée sous la forme d'une probabilité. Afin d'étudier les fronts de type réaction-diffusion de manière expérimentale, la propagation de flammes laminaires dans un mélange contenant des particules de fer a été étudiée dans un environnement de gravité réduite obtenu au moyen de vols paraboliques permettant d'éliminer les effets dus à la sédimentation des particules. Des mélanges uniformes de poudres de fer ont été formés à l'intérieur de tubes de verre dans lesquels des flammes laminaires ont été observées se propageant de l'extrémité ouverte vers l'extrémité fermée du tube. Des assemblages de plaques métalliques placées en parallèles ont été installés à l'intérieur de tubes afin de mesurer l'espacement minimale entre deux plaques parallèles permettant la propagation d'une flamme. La vitesse de la flamme a été mesurée à l'aide d'une caméra haute vitesse et des mesures spectrales ont permis de déterminer la température de combustion des particules durant la combustion. Il y a trois objectifs à ces expériences. Premièrement, ces expériences ont permis de valider un modèle théorique unidimensionnel d'une flamme hétérogène. Dans un second temps, le mode de réaction des particules a été déterminée en comparant les vitesses de flamme entre des mélanges compos\'es d'argon et d'hélium. Une diminution marquée du quotient entre les vitesses mesurées dans un mélange contant de l'argon et d'hélium indique que la combustion de fines particules d'un diamètre de 3 microns est limitée par les coefficients de réaction entre le fer et l'oxygène et que la combustion de particules plus grandes est principalement limitée par la diffusion d'oxygène vers la surface des particules. Finalement, ces expériences ont permis de démontrer la différence entre les deux régimes de propagation de la flamme (i.e, local contre continu). Dans un mélange gazeux contenant du xénon, la flamme présente une dépendance réduite sur la concentration d'oxygène, un effet typique d'un régime de propagation principalement locale, limitée par la diffusion de chaleur. Lorsque le xénon est remplacé par de l'hélium, la flamme démontre une dépendance marquée à la concentration d'oxygène, en accord avec la prédiction associée avec le régime continu.