When the fuel jet velocity is smaller than coflow velocity, the trend of decreasing liftoff height of highly diluted propane lifted flame with coflow velocity is observed experimentally. To investigate the mechanism of decreasing liftoff height with coflow velocity, lifted flames in propane jet has been studied numerically. Using one-step overall reaction mechanism the liftoff heights have been calculated for four cases of coflow velocity. The simulation agrees qualitatively with experimental observation that the liftoff height decreases with coflow velocity. As coflow velocity increases, the streamlines between nozzle and lifted flame diverge in radial direction due to the difference of momentum between coflow jet and fuel jet such that the local flow velocity ahead of lifted flame base decreases resulting in decrease of the liftoff height with coflow velocity.
Characteristics of laminar lifted names in coflow jet with various coflow velocities have been studied experimently. USlI1g the fuel nozzle with d=0.254 for the pure propane, liftoff heights are fitted by using power equation with jet velocity. As coflow velocity increases up to 60 cm/s powers of fitting equation steeply decrease. From the result of numerical analysis using the FLUENT, the stoichiometry contour and the axial velocity nondimensionalized by initial jet velocity along the stoichiometry contour are changed with variations of coflow velocities, The change of axial velocity along stoichiometric contour is more sensitive than that of stoichiometric contour, For this reason, powers of fitting equation for liftoff height with jet velocity decreases with the increase of coflow velocity. Using the fuel nozzle with d=4,35 mm for the highly diluted propane by nitrogen, the liftoff height increases with the increase of coflow velocity when coflow velocity is less than the maximum value of initial jet velocity. But when coflow velocity is faster than that, the liftoff height decreases with the increase of coflow velocity.
Characteristics of lifted flames in axisymmetric laminar coflow jets have been investigated experimentally. Approximate solutions for velocity and concentration accounting virtual origins have been proposed for coflow jets to analyze the behavior of liftoff height. From the measurement of Rayleigh intensity for probing the concentration field of propane, the validity of the approximate solutions was substantiated. From the images of OH PLIF and CH chemiluminescence and the Rayleigh concentration measurement, it has been shown that the positions of maximum luminosity in direct photography coincide with the tribrachial points, which were located along the stoichiometric contour. The liftoff height in coflow jets was found to increase highly nonlinearly with jet velocity and was sensitive to coflow velocity.
Characteristics of lifted flame for highly diluted propane with nitrogen in high temperature coflowing air have been experimentally investigated, and the stabilization mechanism of lifted flame in high temperature air coflow have been proposed. As the coflow temperature increases, the liftoff height of flame decreased due to the increase of stoichiometry laminar burning velocity. At same coflow temperature, the difference of liftoff height between the fuel mole fractions has been disappeared by scaling the liftoff velocity with stoichiometry laminar burning velocity. It has been found that lifted flame can be stabilized for even smaller fuel velocity than stoichiometry laminar burning velocity. This can be attributed to buoyancy effect and the liftoff velocity characteristics for coflow temperature support it.
Laminar lifted propane coflow-jet flames diluted with nitrogen were experimentally investigated to determine heat-loss-related self-excitation regimes in the flame stability map and elucidate the individual flame characteristics. There exists a critical lift-off height over which flame-stabilizing effect becomes minor, thereby causing a normal heat-loss-induced self-excitation with O(0.01 Hz). Air-coflowing can suppress the normal heat-loss-induced self-excitation through increase of a Peclet number; meanwhile it can enhance the normal heat-lossinduced self-excitation through reducing fuel concentration gradient and thereby decreasing the reaction rate of trailing diffusion flame. Below the critical lift-off height. the effect of flame stabilization is superior, leading to a coflow-modulated heat-loss-induced self-excitation with O(0.001 Hz). Over the critical lift-off height, the effect of reducing fuel concentration gradient is pronounced, so that the normal heat-loss-induced self-excitation is restored. A newly found prompt self-excitation, observed prior to a heat-loss-induced flame blowout, is discussed. Heat-loss-related self-excitations, obtained laminar lifted propane coflow-jet flames diluted with nitrogen, were characterized by the functional dependency of Strouhal number on related parameters. The critical lift-off height was also reasonably characterized by Peclet number and fuel mole fraction.
Characteristics of lifted flames in axisymmetric laminar coflow jets have been investigated experimentally. Approximate equations for velocity and concentration with virtual origins have been proposed to analyze the behavior of flames in coflow jets. Measuring Rayleigh intensity to investigate the concentration field. proposed approximate equations were confirmed. By using the results of OH PLIF, direct photography and Rayleigh scattering measurement, it is shown that the locations of maximum intensity in direct photography coincide with the tribrachial points in axisymmetric jets and the tribrachial points travel on the stoichiometric contour. For coflow jets, the experimental results of liftoff height have been successfully correlated with nozzle exit velocity using predicted behavior from proposed approximated equations. These results substantiate the stabilization mechanism in coflow jet is based on the balance between flame propagation speed and axial flow velocity, same as for the free jets.
Stabilization mechanism of lifted flame in the near field of coflow jets has been investigated experimentally and numerically for methane fuel diluted with nitrogen. Lifted flames were observed only in the near field of coflow jets until blowout occurred in the normal gravity condition. To elucidate the stabilization mechanism for the stationary lifted flames in the near field of coflow jets for the diluted methane having the Schmidt number smaller than unity, the behaviors of the stationary lifted flame in microgravity and unsteady propagation phenomena were investigated numerically at various conditions of jet velocity. It has been founded that the buoyancy plays an important role for flame stabilization of lifted flame in normal gravity and the stabilization mechanism is due to the significant variation of the propagation speed of lifted flame edge compared to the local flow velocity at the edge.
Characteristics of laminar lifted flames of propane highly-diluted with nitrogen have been investigated at various temperatures of coflow air. At various fuel mole fractions, the base of laminar lifted flames has the structure of tribrachial (or triple) flame. The liftoff heights are correlated well with the stoichiometric laminar burning velocity considering initial temperature at a given coflow velocity. It shows that lifted flames are stabilized on the basis of the balance mechanism between local flow velocity and the propagation speed of tribrachial flame, regardless of the temperature of coflow and fuel mole fraction. Lifted flames exist for a jet velocity even smaller than the stoichiometric laminar burning velocity, and liftoff velocity increases more rapidly than stoichiometric laminar burning velocity as coflow temperature increases. These can be attributed to the buoyancy effect due to the density difference.
The coflow velocity effect on the minimum extinguishing concentration(MEC) was investigated experimentally in heptane cup-burner flames. Various inert gases($N_2$, Ar, $CO_2$, He) were added into the oxidizer to find the critical concentration and the effectiveness of the agents on flame extinction. The experimental results showed that the MECs were increased with increasing coflow velocity for most inert gases except helium, but the higher coflow velocity induced the lower burning rates of heptane. This indicated that the increase of coflow velocity resulted in the decrease of fuel velocity evaporated from fuel surface, and hence the stain rate on the reaction zone was also decreased. In the case of helium as a additive, the extinguishing concentration was independent of the coflow velocity because the heat conductivity was ten times larger than the other inert gases and flow effect by a strain rate might be compensated for heat loss to the surroundings.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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