The one-dimensional flame analysis was carried out to understand the combustion phenomena in porous media. The downstream as well as upstream solution corresponding to upper and lower solutions could be obtained. While upper flame temperature gets higher, lower flame temperature gets lower, as the flame approaches the central part of the combustor. The reason why upstream flame and downstream flame exist at the same flow condition is that the regions where net heat recirculation is identical exist in upstream and downstream of the combustor. In order for the downstream flame to be stabilized, more heats needed to be recirculated towards upstream because of larger radiation loss of downstream flame.
Experiments were performed on the laminar premixed flame stabilized in a porous medium to know whether the flame downstream of the combustor exists or not. In previous theoretical studies, a stable flame has been predicted in the downstream region of the combustor, but it has never been observed in experiments. In this study, a stable downstream flame could be obtained for the lower burning velocity through circumferential heating by a blue flame positioned outside the periphery of the specially devised combustor. The existence of the stable downstream flame was confirmed by a direct photography of soot line, and temperature measurements. The effect of combustor diameter to flame stability was also considered. As the diameter of the combustor increases, the lean flammability limit was extended.
Premixed combustion within porous ceramic media is numerically studied to understand burning characteristics and to find best configurations for burner implementations. Among many parameters, critical to burner performance, flame location and extinction coefficient are selected as major parameters for this study. The flame structure and burner performance with respect to these two parameters are observed. In the study, it is found that the location of flame is the most important in porous burner operation since it affects the rate of heat transfer and flame structure. Stability of the flame within the porous ceramic burner is discussed with respect to the flame location. It is found that to obtain high radiative output, the flame should be located downstream section of the burner. But the flame is to be unstable at most of downstream section except near the exit plane. To overcome this problem, new porous ceramic burner, using different ceramic properties in one burner instead of single property ceramic, is made and tested. With a combination of ceramics of high extinction coefficient at upstream and another material of low extinction coefficient at downstream of the burner, the flame can be stabilized at wider region of the burner with higher radiative output compared to the original burner configuration.
Downstream interactions between lean premixed flames with mutually different fuels of syngas and $CH_4$ have been numerically investigated particularly on and near lean extinction limits. The interaction characteristics between lean premixed (50% $H_2$ + 50% CO)-air and $CH_4$-air flames were shown to be quite different from those between the same hydrocarbon flames. The lean extinction boundaries were of slanted shape, thereby implying strong interactions. The weaker flames had negative flame speeds on the upper extinction boundaries, whereas the weaker flame speeds on the lower extinction boundaries were both negative and positive. The results also showed that the flame interaction characteristics did not follow the general tendency with the dependency of Lewis number in downstream interactions between the same hydrocarbon flames. Importance of chemical interaction in flame characteristics is discussed in the downstream interactions between lean premixed (50% $H_2$ + 50% CO)-air and $CH_4$-air flames.
Using a counterflow burner, downstream interactions between $CH_4$-air and $H_2/N_2$-Air premixed flames with various equivalence ratios has been experimentally investigated. Flame stability maps on triple and twin flames are provided in terms of global strain rate and equivalence ratio. Lean and rich flammable limits are examined for methane/air and hydrogen/nitrogen/air mixtures over the entire range of mixture concentrations in the interacting flames. Results show that these flammable limits can be significantly modified in the presence of interaction such that mixture conditions beyond the flammability limit can be still burn if it is supported by stronger flame. The experiment also discusses various oscillatory instabilities in a stability map.
Experimental and numerical studies were conducted to investigate flame behaviors near flammable limits for downstream-interacting SNG-air premixed flames in a counter-flow configuration. The SNG fuel consisted of a methane, a propane, and a hydrogen with volumetric ratios of 91, 6, and 3%, respectively. The most appropriate priority for some reliable reaction mechanisms examined was given to the mechanism of UC San diego via comparison of lean extinction limits attained numerically with experimental ones. Flame stability map was presented with a functional dependencies of lower and upper methane concentrations in terms of global strain rate. The results show that, at the global strain rate of $30s^{-1}$, lean extinction boundary is slanted while rich extinction one is relatively less inclined because of the dependency of such extinction boundary shapes on deficient reactant Lewis number governed by methane mainly. Further increase of global strain rate forces both extinction boundaries to be more slanted and to be shrunk, resulting in an island of extinction boundary and subsequently one flame extinction limit. Extinction mechanisms for lean and rich, symmetric and asymmetric extinction boundary were identified and discussed via heat losses and chemical interaction.
Numerical study was conducted to clarify effects of added $CO_2$ for the downstream interaction between $H_2$-air and CO-air premixed flames in counterflow configuration. The reaction mechanism adopted was Davis model which had been known to be well in agreement with reliable experimental data. The results showed that both lean and rich flammable limits were reduced. The most discernible difference between the two with and without having $CO_2$ addition into $H_2$-air and CO-air premixtures was two flammable islands for the former and one island for the latter at high strain flame conditions. Even a small amount of $H_2$, in which $H_2$-air premixed flame cannot be sustained by itself, participates in CO oxidation, thereby altering the CO-oxidation reaction path from the main reaction route $CO+O_2{\rightarrow}CO_2+O$ with a very long chemical time in CO-air flame to the (H, O, OH)-related reaction routes including $CO+OH{\rightarrow}CO_2+H$ with relatively short chemical times. This intrinsic nature alters flame stability maps appreciably. The results also showed that chemical effects of added $CO_2$ suppressed flame stabilization. Particularly this phenomenon was appreciable at flame conditions which lean and rich extinction boundary was merged. The detailed discussion of chemical effects of added $CO_2$ was addressed to the present downstream interaction.
Important role of chemical interaction in flame extinction was numerically investigated in downstream interaction among lean(rich) and lean(rich) premixed as well as partially premixed $H_2$-air and CO-air flames. The strain rate varied from 30 to $5917s^{-1}$ until interacting flame could not be sustained anymore. Flame stability diagrams mapping lower and upper limit fuel concentrations for flame extinction as a function of strain rate are presented. Highly stretched interacting flames were survived only within two islands in the flame stability map where partially premixed mixture consisted of rich $H_2$-air flame, extremely lean CO-air flame, and a diffusion flame. Further increase in strain rate finally converges to two points. Appreciable amount of hydrogen in the side of lean $H_2$-air flame also oxidized the CO penetrated from CO-air flame, and this reduced flame speed of the $H_2$-air flame, leading to flame extinction. At extremely high strain rates, interacting flames were survived only by a partially premixed flame such that it consisted of a very rich $H_2$-air flame, an extremely lean CO-air flame, and a diffusion flame. In such a situation, both the weaker $H_2$-air and CO-air flames were parasite on the stronger diffusion flame such that it could lead to flame extinction in the situation of weakening the stronger diffusion flame. Particular concerns are focused on important role of chemical interaction in flame extinction was also discussed in detail.
In this study, the NOx formation characteristics of one-dimensional $CH_4$/Air premixed flame using detailed-kinetic chemistry are examined numerically. The combustor length and the amount of heat loss are varied to investigate the effect of residence time and heat loss on the NOx formation in a post-flame region. In the flame region, NO is mainly produced by the Prompt NO mechanism including $N_2$O-intermediate NO mechanism over all equivalence ratios. However, thermal NO mechanism is more important than Prompt NO mechanism in the post-flame region. In the case of adiabatic condition, the increase of combustor length causes the remarkable increase of NO emission at the exit due to the increase of residence time. On the other hand, NO reaches the equilibrium state in the vicinity of flame region, considering radiation and conduction heat losses. Furthermore the NO, in the case of $\phi$=1.2, is gradually reduced in the downstream region as the heat loss is increased. From these results, it can be concluded that the controls of residence time and heat loss in a combustor should be recognized as an important NOx reduction technology.
A combined experimental and numerical study has been conducted to investigate the downstream interaction between simulated SNG-air premixed flames in fuel composition of 91% $CH_4$ + 6% $C_3H_8$ + 3% $H_2$. In this study, the effects of fuel molar concentration(lean-rich) and strain rate($a_g$) were major parameters. A main focus is to investigate flames behavior and chemical interaction at flames downstream. The numerical results were calculated by OPPDIF application. The reaction mechanism adopted was USC-II model including C3 reaction.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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