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Grant: Alliance Grants

Université d'Ottawa

$37,000.00

Propensity for H2 flame wrinkling, acceleration and transition to detonation from side venting, rear venting and interaction with expansion waves

FY 2023-24

Summary
The proposed research addresses the rapid shift of the energy sector in utilizing hydrogen fuel as an energy carrier. This fundamental transformation of the energy sector provides unique opportunities for Shell and Canada in the safe production and handling of clean hydrogen and associated technologies. The project addresses the explosion safety of hydrogen gas in scenarios of fuel leaks leading to combustible cloud formation in typical distribution and storage facilities with semi-enclosed spaces and venting capabilities. We study the effect of partial venting on the flame dynamics and the potential for rapid flame acceleration potentially leading to pressure wave amplification and transition to detonation. The need for this research is due to the absence of appropriate safety guidelines and the codes and standards that are required to prevent the flame acceleration and detonation transition. Such accident scenarios have been anecdotally documented in past large-scale trials and recent accidents in the industry, such as having occurred in 2019 at a hydrogen fueling station in Norway. The objective of the present research is to clarify the mechanisms that lead to flame acceleration in the presence of partial venting and to provide quantitative criteria for safe design of installation. A computational model will also be developed in order to obtain predictive capability of these phenomena. A suite of different experimental configurations with detailed flow visualization will permit to determine the unique physical mechanisms of flame acceleration that are peculiar to hydrogen-air mixtures in the presence of expansion waves. These experiments will be complemented by high-performance direct numerical simulations. Together, the experiments and simulations will be used generate scaling laws and validation bechmarks for engineering-type numerical models. The generation of these design tools addressing the explosion safety of hydrogen will be essential to the practicing engineer. The present research will also contribute to the training of highly-qualified personnel in the emerging energy sector activities involving hydrogen gas as energy carrier. Le programme de recherche proposé adresse le changement qui s'opère dans le domaine de l'énergie pour remplacer les combustibles fossiles polluants par l'hydrogène. Ce changement radical permettrait au Canada et à Shell des opportunités uniques dans la production et le maniement de ce combustible propre et des technologies reliées à celui-ci. Le projet adresse l'unique potentiel d'explosion de ce gaz lorsqu'il est relâché accidentellement dans des installations ou enceintes semi-confinées. L'étude portera sur la dynamique des flammes d'hydrogène et sur leur potentiel pour accélérer lorsqu'elles interagissent avec des ondes d'expansion. Cette accélération entrainerait l'amplification d'ondes de pression et la transition potentielle à la détonation, un phénomène catastrophiquement destructeur. La motivation pour cette recherche est le manque de règles de sécurité dans ce domaine afin d'éviter ces phénomènes d'accéleration de flamme et de transition à la détonation. Ce type d'accident potentiel a été suggéré de façon anecdotique dans le passé dans des test à grande échelle, ainsi que lors de l'accident survenu en Norvège en 2019 dans une station de ravitaillement. L'objectif de cette recherche est de clarifier les mécanismes qui favoriseraient cette accélération de flamme en présence d'ondes d'expansion dues au manque partiel de confinement afin de formuler des critères de sécurité dans la conception d'installations utilisant l'hydrogène. Un modèle numérique du phénomène va également être développé. Une suite d'expériences de laboratoire dotées de visualisation rapide permettra de clarifier les différents mécanismes contrôlant l'accélération de la flamme. Ces expériences seront complémentées par des simulations directes de haute performance. Ensemble, les simulations et expériences permettront d'établir les lois d'échelonnage pour ces phénomènes ainsi que la validation des modèles réduits que nous allons formuler. Ceux-ci seront d'utilité à l'ingénieur pratiquant. Le résultat de notre recherche sera également la formation de personnel hautement qualifié dans ce domaine émergent de l'hydrogène dans le secteur énergétique.
Program
Alliance Grants
Location
Ontario, Canada
Recipient Type
Academia
Type
Grant
Source
NSERC's Awards Data

As published

Application id
570937-2021
Name nom
Radulescu, Matei MI
Department département
Mechanical Engineering
Organization id
28
Institution établissement
Université d'Ottawa
Province en
Ontario
Province fr
Ontario
Country en
CANADA
Country fr
CANADA
Fiscal year exercice financier
2023
Competition year année de concours
2021
Award amount
37000
Program id
ALLRP
Program name en
Alliance Grants
Program name fr
Subventions Alliance
Group en
RESEARCH PARTNERSHIPS
Group fr
PARTENARIATS DE RECHERCHE
Committee code
96
Committee name en
RPP Internal Decision Cttee
Committee name fr
Cté de décision interne - PPR
Area of application code
300
Area of application group en
Energy resources
Area of application group fr
Ressources d'énergie
Area of application en
Energy resources (including production, exploration, processing, distribution and use)
Area of application fr
Ressources d'énergie (production, exploration, traitement, distribution et utilisation de l'énergie)
Research subject code
2300
Research subject group en
Fuel and energy technology
Research subject group fr
Fuel and energy technology (economic geology, use 4003)
Research subject en
Combustibles et technologie de l'énergie
Research subject fr
Combustibles et technologie de l'énergie (géologie économique, utiliser 4003)
Application title
Propensity for H2 flame wrinkling, acceleration and transition to detonation from side venting, rear venting and interaction with expansion waves
Keyword
combustion; detonation; explosion; flame; hydrogen distribution; hydrogen safety; hydrogen storage; ignition; mitigation; shock wave
Application summary
The proposed research addresses the rapid shift of the energy sector in utilizing hydrogen fuel as an energy carrier. This fundamental transformation of the energy sector provides unique opportunities for Shell and Canada in the safe production and handling of clean hydrogen and associated technologies. The project addresses the explosion safety of hydrogen gas in scenarios of fuel leaks leading to combustible cloud formation in typical distribution and storage facilities with semi-enclosed spaces and venting capabilities. We study the effect of partial venting on the flame dynamics and the potential for rapid flame acceleration potentially leading to pressure wave amplification and transition to detonation. The need for this research is due to the absence of appropriate safety guidelines and the codes and standards that are required to prevent the flame acceleration and detonation transition. Such accident scenarios have been anecdotally documented in past large-scale trials and recent accidents in the industry, such as having occurred in 2019 at a hydrogen fueling station in Norway. The objective of the present research is to clarify the mechanisms that lead to flame acceleration in the presence of partial venting and to provide quantitative criteria for safe design of installation. A computational model will also be developed in order to obtain predictive capability of these phenomena. A suite of different experimental configurations with detailed flow visualization will permit to determine the unique physical mechanisms of flame acceleration that are peculiar to hydrogen-air mixtures in the presence of expansion waves. These experiments will be complemented by high-performance direct numerical simulations. Together, the experiments and simulations will be used generate scaling laws and validation bechmarks for engineering-type numerical models. The generation of these design tools addressing the explosion safety of hydrogen will be essential to the practicing engineer. The present research will also contribute to the training of highly-qualified personnel in the emerging energy sector activities involving hydrogen gas as energy carrier. Le programme de recherche proposé adresse le changement qui s'opère dans le domaine de l'énergie pour remplacer les combustibles fossiles polluants par l'hydrogène. Ce changement radical permettrait au Canada et à Shell des opportunités uniques dans la production et le maniement de ce combustible propre et des technologies reliées à celui-ci. Le projet adresse l'unique potentiel d'explosion de ce gaz lorsqu'il est relâché accidentellement dans des installations ou enceintes semi-confinées. L'étude portera sur la dynamique des flammes d'hydrogène et sur leur potentiel pour accélérer lorsqu'elles interagissent avec des ondes d'expansion. Cette accélération entrainerait l'amplification d'ondes de pression et la transition potentielle à la détonation, un phénomène catastrophiquement destructeur. La motivation pour cette recherche est le manque de règles de sécurité dans ce domaine afin d'éviter ces phénomènes d'accéleration de flamme et de transition à la détonation. Ce type d'accident potentiel a été suggéré de façon anecdotique dans le passé dans des test à grande échelle, ainsi que lors de l'accident survenu en Norvège en 2019 dans une station de ravitaillement. L'objectif de cette recherche est de clarifier les mécanismes qui favoriseraient cette accélération de flamme en présence d'ondes d'expansion dues au manque partiel de confinement afin de formuler des critères de sécurité dans la conception d'installations utilisant l'hydrogène. Un modèle numérique du phénomène va également être développé. Une suite d'expériences de laboratoire dotées de visualisation rapide permettra de clarifier les différents mécanismes contrôlant l'accélération de la flamme. Ces expériences seront complémentées par des simulations directes de haute performance. Ensemble, les simulations et expériences permettront d'établir les lois d'échelonnage pour ces phénomènes ainsi que la validation des modèles réduits que nous allons formuler. Ceux-ci seront d'utilité à l'ingénieur pratiquant. Le résultat de notre recherche sera également la formation de personnel hautement qualifié dans ce domaine émergent de l'hydrogène dans le secteur énergétique.