Experimental determination of laminar burning velocities and Markstein lengths of H2-air mixtures diluted with N2/CO2

CFD-baserte beregningsverktøy for konsekvensmodellering avhenger av pålitelige eksperimentelle data for å utføre korrekte risikoanalyser i industrien. I denne oppgaven er laminær forbrenningshastighet og Markstein-lengde bestemt eksperimentelt for hydrogen-luft blandinger fortynnet med inertgassene nitrogen (0-40 vol%) og karbondioksid (0-50 vol%) for ekvivalensforhold mellom 0,7 og 2,0. Det eksperimentelle oppsettet inkluderte et 20,235 liters kubisk kammer og et Schlieren-system. Estimering av laminær forbrenningshastighet og Markstein-lengde er gjort med konstant-trykk metoden hvor en lineær og en ikke-lineær ekstrapoleringsmodell er benyttet. Resultatene viser en avtagende sammenheng mellom laminær forbrenningshastighet og volumprosent inertgass tilsatt. For nitrogen er sammenhengen lineær, mens for karbondioksid kan variasjonen beskrives av et annengrads polynom. Eksperimentene gir noe høyere laminær forbrenningshastighet enn tilgjengelige litteraturverdier for både N2 og CO2, men differansen mellom estimatene og litteraturverdiene avtar med økende mengde inertgass og/eller økende ekvivalensforhold. Resultatene viser at den laminære forbrenningshastigheten halveres ved ca. 25 vol% tilsatt N2 og ca. 15 vol% CO2. Tilsvarende reduseres det maksimale eksplosjonstrykket med opp til ca. 37% ved tilsetting av 50 vol% N2 og opp til ca.40% ved 40 vol% tilsatt CO2. Metodene for estimering av laminær forbrenningshastighet i eksperimentene i denne oppgaven er i god overenstemmelse med publiserte data, men det er knyttet en del usikkerhet til databehandlingen, og spesielt til ekstrapoleringsområde og effekten av ustabiliteter på flammeoverflaten. Analysen av resultatene viser at Markstein-lengden er en svært sensitiv parameter, hvor det kreves bedre metoder for å kunne bestemme pålitelige verdier.CFD-based consequence modelling depends on reliable experimental data to perform accurate risk analysis in the industry. This thesis describes an experimental study aimed at measuring the laminar burning velocities and Markstein lengths of hydrogen-air mixtures diluted with nitrogen (0-50 vol%) and carbon dioxide (0-40 vol%) at equivalence ratios between 0.7 and 2.0. The experiments were conducted in a 20.235-litre cubical chamber, and the spherical flame propagation was captured with a Schlieren optical system. Laminar burning velocity and Markstein lengths were obtained with the constant pressure method (CPM) using a linear and non-linear relation between the flame speed and stretch rate. Inerting shows a decreasing relation between the laminar burning velocity and vol% inert gas added to the system. It is shown to be a linear relation for nitrogen, and the relation in laminar burning velocity can be described by a second order polynomial for carbon dioxide. Obtained laminar burning velocities for both H2-air-N2 and H2-air-CO2 mixtures shows higher values than the ones available in the literature. Increased vol% inert gas added and/or increased equivalence ratio reduces the difference between literature-values and estimates obtained here. A reduction of a factor of two for the laminar burning velocity is achieved with 25 vol% N2 or 15 vol% CO2. Measurement of the maximum explosion pressures shows a reduction of up to about 37% with 50 vol% N2 added, and up to about 40% with 40 vol% CO2 added. Although the methods applied for estimation of the laminar burning velocity and Markstein length results in relatively good estimates, there are several inherent uncertainties related to the approaches. The results are highly sensitive to the flame wrinkling and choice of extrapolation range. It is shown that the estimates for the Markstein length are very sensitive to certain parameters. Hence, future studies should adopt more accurate methods than the ones used here, to obtain more accurate and reliable values.Masteroppgave i prosessteknologiPRO399MAMN-PR