Experiments on corresponding jet flames with stagnant point diffusion flames have been carried out in initial injection periods. A compensated measurement of maximum flame temperature, which is based on the ion signal, has been employed to inspect flame responses to time-varying strain rates. The flame responses are obtained at two conditions for the slowly time-varying strain rate and the case of flame extinction, and analyzed to confirm similarity between a stagnant point diffusion flame and an evolving jet diffusion flame. Nonsteady effects are addressed via the comparison between several time scales. The time variation with low strain rates, in which illustrates the flame behavior of the upper branch far from extinction in the well-known S-curve, is confirmed to produce a quasi-steady flame response through the nonsteady experiments. The time variation with strain rates in the case of flame extinction indicates an unsteady effect of flame response. It is therefore found that the flame responses near jet tip depend on time histories of characterized strain rates in the developing process.
The extinction characteristics of low strain rate normal gravity (1-g) nonpremixed methane-air flames were studied numerically and experimentally. A time-dependent axisymmetric two-dimensional (2D) model considering buoyancy effects and radiative heat transfer was developed to capture the structure and extinction limits of 1-g flames. One-dimensional (1D) computations were also conducted to provide information on 0-g flames. A 3-step global reaction mechanism was used in both the 1D and 2D computations to predict the measured extinction limit and flame temperature. A specific maximum heat release rate was introduced to quantify the local flame strength and to elucidate the extinction mechanism. Overall fractional contribution by each term in the energy equation to the heat release was evaluated to investigate the multi-dimensional structure and radiative extinction of 1-g flames. Images of flames were taken for comparison with the model calculation undergoing extinction. The two-dimensional numerical model was validated by comparing flame temperature profiles and extinction limits with experiments and ID computation results. The 2D computations yielded insight into the extinction mode and flame structure of 1-g flames. Two combustion regimes depending on the extinction mode were identified. Lateral heat loss effects and multi-dimensional flame structure were also found. At low strain rates of 1-g flame ('Regime A'), the flame is extinguished from the weak outer flame edge, which is attributed to multi-dimensional flame structure and flow field. At high strain rates, ('Regime B'), the flame extinction initiates near the flame centerline due to an increased diluent concentration in reaction zone, which is the same as the extinction mode of 1D flame. These two extinction modes could be clearly explained with the specific maximum heat release rate.
A flame extinction phenomenon is a typical unsteady process in combustion. Flame extinction is characterized by various physical phenomena, such as convection, diffusion, and the production of heat and mass. Flame extinction can be achieved by either increasing the strain rate or curvature, by diluting an inert gas or inhibitor, or by increasing the thermal or radiant energy loss. Though the extinction is an inherently transient process, steady and quasi-steady approaches have been used as useful tools for understanding the flame extinction phenomenon. Recently, unsteady characteristics of flames have been studied by many researchers, and various attempts have been made to understand unsteady flame behavior, by using various extinction processes. Representative parameters for describing flame, such as flame temperature, important species related to reactions, and chemi-luminescence of the flame have been used as criterions of flame extinction. In these works, verification of each parameter and establishing the proper criterions of the extinction has been very important. In this study, a time-dependent flame temperature and an OH radical concentration were measured using optical methods, and the instantaneous change of the flame luminosity was also measured using a high-speed ICCD (HICCD) camera. We compare the unsteady extinction points obtained by three different methods, and we discuss transient characteristics of maximum flame temperature and OH radical distribution near the extinction limit.
Many previous researches on the premixed flame in a tube have treated the unsteady flame behaviors but more detailed and fundamental research has been necessary. The study on the flame stabilization condition in a tube and the unsteady behaviors were carried out in recent years. In this paper, a mean velocity variation larger than the burning velocity was introduced to the stabilized flame for a period longer than the reaction time scale in order to examine the unsteady behavior of flame propagation. Through our previous work it was found that the effects of non-unity Lewis number on the flame extinction was negligible in the extinction by the boundary layer even though they were important in the extinction by the acoustic instability. In this paper we carried out an analytic approach to explain the previous experimental results. It showed that the heat loss, from a flame to the wall, is not a sufficient condition but a required one for the growth of the extinction boundary layer. In addition, the quenching and the flame stretch, under a strong unsteady flow field, are the main causes of the eventual extinction.
The extinction of premixed flames under the influence of stretch is studied numerically. A wide range of fuel (hydrogen, ethylene, acetylene, methane, propane and methanol) and air mixtures are established in an opposed jet and their flame properties such as flame speed, flame thickness, thermal diffusivity, and stretch rate at extinction are computed. Computations are made using several chemical kinetic mechanism (Smooke, Kee et al. and Peters). The major result is that, in contrast to the various previous claims of extinction Karlovitz number varying over three orders of magnitude, it is found to be constant around two for all of the mixtures tested. That is, premixed flames are extinguished when the physical flow time decreases (due to increased stretch rate) to the point where it approximately equals the chemical reaction time. Here the relevant chemical reaction time is not the one computed using the one-dimensional flame properties as originally suggested in the formulation of Karlovitz number, but rather it is the one obtained using the stretched flame properties which fully reflect the effect of straining on the flame structure.
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.
A two-dimensional direct numerical simulation was performed to investigate the flame structure of CH$_4$$N_2$-air counterflow nonpremixed flame interacting with a single vortex. The detailed transport properties and a modified 16-step augmented reduced mechanism based on Miller and Bowman's detailed chemistry were adopted in this simulation. The characteristic vortex and chemical time scales were introduced to quantify and investigate the extinction phenomenon during a flame-vortex interaction. The results showed that fuel- and air-side vortex cause an unsteady extinction. In this case, the flame interacting with a vortex was extinguished at much larger scalar dissipation rate than steady flame. It was also found that the air-side vortex extinguished a flame more rapidly than the fuel-side vortex. Furthermore, it was noted that the degree of unsteady effect experienced by a flame can be investigated by comparing the above two characteristic time scales, and this analysis could give an appropriate reason for the results of the previously reported experiment.
Reignition as special cases of acoustic pressure responses of flame are numerically studied by employing methanol droplet flame as a laminar flamelet. Quasi-steady flame responses occur in the range of small amplitude, low frequency oscillation. Reignition phenomena can occur when, by increasing the frequency of large amplitude acoustic pressure, the magnitude of characteristic acoustic time is the same order of that of characteristic reaction time of flames. And more increasing of amplitude of acoustic pressure induces the direct extinction of flame. Flame can sustain its own intensity even under the steady extinction temperature in case of high frequency acoustic oscillation, and this tendency is remarkable with increasing frequency. Reignition regime with respect to amplitude and frequency of acoustic pressure doesn't exist in low frequency($10^2$ Hz, in this study), but broadens with frequency of acoustic pressure.
In this study, extinction limit extension of unsteady $(CH_{4}+N_{2})$/air diffusion flames was investigated experimentally. A spatially locked flame in an opposing jet burner was perturbed by linear velocity variation, and time-dependent flame luminosity, transient maximum flame temperature and OH radical were measured over time with the high speed camera, Rayleigh scattering method and OH laser-induced fluorescence, respectively. Unsteady flames survive at strain rates that are much higher than the extinction limit of steady flames, and unsteady extinction limits extend as the slope of the strain rate increases or the initial strain rate decreases. We verified the validity of the equivalent strain rate concept by comparing the course of unsteady extinction process and steady extinction process, and it was found that the equivalent strain rate concept represents well the unsteady effect of a convective-diffusive zone. To investigate the reason of the unsteady extinction limit extension, we subtracted the time lag of the convective-diffusive zone by using the equivalent strain concept. Then the modified unsteady extinction limits become smaller than the original unsteady extinction limits, however, the modified unsteady extinction limits are still larger than the steady extinction limits. These results suggest that there exist the unsteady behavior of a diffusive-reactive zone near the extinction limit due to the chemical non-equilibrium states associated with unsteady flames.
응축영역 에너지 방정식과 기체 영역에 관한 화염모델을 사용하여 연소실 압력 강하에 반응하는 고체 추진제의 동적 소화 특성을 살펴보았다. 화염모델에서는 기체가 반응영역을 통과하는데 걸리는 시간(잔존시간, r,)이 동적 소화 특성을 결정하는 중요한 인자임을 확인하였다. 본 논문에서는 r,을 확산과 화학반응 시간의 다양한 조합으로 가정하였으며 이를 이용하여 동적 소화 특성을 살펴보았다. 또한 연소실 부피의 유한함에 따른 압력변화와 이에 대한 연소의 동적 반응도 살펴보았다. 동적 소화는 화학반응 시간보다는 확산 시간에 의하여 커다란 영향을 받는 현상임을 확인하였다. 그리고 연소실 부피가 유한한 경우가 무한한 경우보다 복잡한 동적 소화 특성을 보여주었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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