Structure of the counterflow nonpremixed flames were investigated by using Fire Dynamics Simulator(FDS) and OPPDIF to evaluate FDS for simulations of the diffusion flame. FDS, employed a mixture fraction formulation, were applied to the diluted axisymmetric methane-air nonpremixed counterflow flames. Fuel concentration in the mixture of methane and nitrogen was considered as a numerical parameter in the range from 20% to 100% increasing by 10% by volume at the global strain rates of $a_g = 20S^{-l} and 80S^{-1}$ respectively. In all the computations, the gravity was set to zero since OPPDIF is not able to compute the buoyancy effects. It was shown by the axisymmetric simulation of the flames with FDS that increasing fuel concentration increases the flame thickness and decreases the flame radius. The centerline temperature and axial velocity, and the peek flame temperature showed good agreement between the both methods.
변형률이 대향류 화염의 구조에 미치는 영향을 조사하기 위해, 무중력상태에서의 축대칭 메탄-공기 대향류화염의 시뮬레이션을 수행하였다. 질소와 메탄의 혼합물인 연료 중 메탄의 몰분율 Xm= 20, 50, $80\%$와 각 몰분율당 변형률 ag= 20, 60, 90 $s^{-1}$에 대한 화염형태와 온도 및 축방항 속도의 분포를 비교하였다. 온도와 축방항 속도 분포가 1차원 화염코드인 OPPDIF의 결과와 잘 일치하였다. 또 축대칭 시물레이션을 통해, 변형률이 증가하면 화염이 반경방향으로 늘어나 화염의 반경은 증가하고 두께가 감소함을 확인하였다.
In Part 1, the flame structure of the counterflow nonpremixed flames computed by using Fire Dynamics Simulator was compared with that of OPPDIF for different concentrations of methane in the fuel stream. In this study, comparisons were made for the global strain rate that is an important parameter for diffusion flames for further evaluation of FDS. At each of the three fuel concentrations, $20% CH_4+ 80% N_2, 50% CH_4 + 50% N_2, 90% CH_4 + 10% N_2$ in the fuel stream, the temperature and axial velocity profiles were investigated for the global strain rate in the range from 20 to $100s^{-1}$. Changes in flame thickness and radius were also compared with OPPDIF. There was good agreement in the temperature and axial velocity profiles between the axisymmetric simulations and the one-dimensional computations except for the regions where the flame temperature reach its peak and the axial velocity rapidly changes. The simulations of the axisymmetric flames with FDS showed that the flame thickness decreases and the flame radius increases with increasing global strain rate.
수치법을 검증하고 번형률과 연료농도가 무중력 확산화염 구조에 미치는 영향을 파악하기 위해, 무중력에서의 비예혼합 메탄-공기 대향류 화염의 구조를 FDS의 축대칭 모사로 조사하였다. 연료 중의 메탄 몰분율 $X_m$=20, 50, 80%와 각각의 몰분율에서 변형률 $a_g$=20, 50, $90s^{-1}$의 계산결과를 1차원 화염코드인 OPPDIF의 결과와 비교하였다. 축대칭 모사로 계산한 온도와 축방향 유속의 분포가 1차원 모사 결과와 잘 일치하였다. 화염의 두께와 위치, 정체점을 잘 예측함으로써 FDS를 넓은 범위의 변형률과 연료농도의 대향류 화염에 적응할 수 있음을 확인하였다.
메탄-공기의 비예혼합 대향류 확산화염 차폐가스가 화염구조에 미치는 영향을 수치적으로 조사하였다. 20 $s^{-1}$의 저변형율, 메탄가스 19%와 질소 79%의 혼합가스 연료와 공기의 확산화염을 대상으로 하였다. 질소차폐가스의 속도의 차폐가스의 유무에 따른 화염의 형태와 중심선상의 온도 및 축방향 속도의 분포를 비교하였다. 정상중력에서 $V_{S}/V_{F}{\leq}2$일 때 차폐가스의 유동이 화염구조에 미치는 영향은 무시할 수 있었다. 정상중력에서 차폐가스가 없는 경우의 화염형태와 그 위치는 차폐가스가 있는 경우와 다르지만, 무중력에서는 중심선상에서 차폐가스의 영향이 거의 없었다.
The effects of velocity boundary conditions on the structure of methane-air nonpremixed counterflow flames were investigated by two-dimensional numerical simulation. Two low global strain rates, 12 s$\^$-1/ and 20 s$\^$-1/, were considered for comparison with measurements. Buoyancy was conformed to have strong effects on the flame structure at a low global strain rate. It was shown that the location where a top hat velocity profile was imposed is sensitive to the flame structure, and that the computed temperature along the centerline agrees well with the measurements when plug flow was imposed at the inner surface of the screen nearest the duct exit.
A mixture fraction formulation is used to numerically simulate the structure of diluted axisymmetric methane-air nonpremixed counterflow flames. The effects of global strain rate and gravity wert! investigated and results were compared. Fuel of a mixture of 20% methane and 80% nitrogen by volume and oxidizer of pure air at low and moderate global strain rates $a_g= 20, 40, 80 s^{-1}$ in normal and zero gravity were computed. It is shown that the numerical method is capable of predicting the structure of counterflow flames in normal and microgravity environments at low and moderate global strain rates.
Methane/Air premixed flames are studied numerically, using a detailed chemical model, to investigate the flame strech effects on the extinction in a counterflow. The finite difference method, time integration and modified Newton iteration are used, and adaptive grid technique and grid smoothing have been employed to adjust the grid system according to the spatial steepness of the solution profiles. Results show that the flame stretch, or the conventional nondimensionalized stretch having the tangential flow characteristics of the stretched flame alone cannot adequately describes the extinction phenomena. On the other hand, the local flame stretch having both the normal and tangential flow characteristics of the stretched flame can give a proper explanation to the extinction of the symmetric planar premixed flames stabilized in a counter flow. The extinction condition were found to be a constant local stretch regardless of the equivalence ratio.
Unsteady behaviors of counterflow flame were studied experimentally in opposing jet counterflow burner using diluted methane. To generate the unsteadiness on the flame, the counterflow diffusion flame was perturbed by velocity changes made by the pistons installed on both sides of the air and fuel stream. The velocity changes were measured by Hot wire and Laser Doppler Velocimetry, and the flame behaviors were observed by High speed ICCD and ICCD. In this investigation, the spatial irregularity of the strain rate caused the flame to extinguish from the outside to the axis during the extinction, and we found the following unsteady phenomena. First, the extinction strain rates of unsteady cases are much larger than those of the steady ones. Second, the extinction strain rates become larger as the slope of the change of the strain rate increases. Third, the unsteady extinction strain rates become smaller with the increase of the initial strain rate.
닥트의 두께와 속도 경계조건이 정상중력 및 무중력 상태에서 화염구조에 미치는 영향을 조사하기 위해 81%의 질소와 19%의 메탄이 혼합된 가연성가스와 공기의 저변형율 (20 s-1) 대향류 화염을 수치법으로 모사하였다. 정상중력에서는 닥트의 두께와 속도 경계조건에 따라 화염의 위치가 이동함으로써 그 영향이 컸으나, 무중력에서는 그 영향을 무시할 수 있을 정도로 작은 것으로 나타났다. 화염구조의 차이는 부력으로 인한 것이고, 따라서 정상중력에서의 측정에서는 닥트 두께와 속도 경계조건의 영향을 고려해야 함을 알 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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