The thin SiC filament technique has been employed to identify the possibility of measuring flame temperature, and especially unstable near-extinction flame temperature in an oxidizer deficient ambience, by comparing the relative visible (non-IR) luminosities of SiC filaments with thermocouple measured temperature in co-flowing, laminar propane/air diffusion flames. The results show good agreement between the digitized relative visible luminosity profiles of the SiC filaments and temperature profiles measured using a thermocouple at temperatures above $700^{\circ}C$, although, a non-linear calibration is probably required far the whole temperature range. The highest radial peak temperature exists near to the nozzle exit. and the centerline temperatures were virtually unchanged with increasing flame height in an oxidizer deficient near-extinction flame.
Steady-state structure and acoustic-pressure responses of $H_2$/Air counterflow diffusion flames are studied numerically with a detailed chemistry in view of acoustic instability. The Rayleigh criterion is adopted to judge acoustic amplification or attenuation from flame responses. Steady-state flame structures are first investigated and flame responses to various acoustic-pressure oscillations are numerically calculated in near-equilibrium and near-extinction regimes. The acoustic responses of $H_2$/Air flame show that the responses in near-extinction regime always contribute to acoustic amplification regardless of acoustic-oscillation frequency Flames near extinction condition are sensitive to pressure perturbation and thereby peculiar nonlinear responses occur, which could be a possible mechanism in generating the threshold phenomena observed in combustion chamber of propulsion systems.
The first-order conditional moment closure (CMC) model is applied to $CH_4$/Air turbulent jet diffusion flames(Sandia Flame D, E and F). The flow and mixing fields are calculated by fast chemistry assumption and a beta function pdf for mixture fraction. Reacting scalar fields are calculated by elliptic CMC formulation. The results for Flame D show reasonable agreement with the measured conditional mean temperature and mass fractions of major species, although with discrepancy on the fuel rich side. The discrepancy tends to increase as the level of local extinction increases. Second-order CMC may be needed for better prediction of these near-extinction flames.
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 diffusional-thermal instability of diffusion flames in the premixed-flame regime is studied in a constant-density two-dimensional counterflow diffusion-flame configuration, to investigate the instability mechanism by which periodic wrinkling, travelling or pulsating of the reaction sheet can occur. Attention is focused on flames with small departures of the Lewis number from unity and with small values of the stoichiometric mixture fraction, so that the premixed-flame regime can be employed for activation-energy asymptotics. Cellular patterns will occur near quasisteady extinction when the Lewis number of the more completely consumed reactant is less than a critical value( ~ =0.7). Parametric studies for the instability onset conditions show that flames with smaller values of the Lewis number and stoichiometric mixture fraction and with larger values of the Zel'dovich number tend to be more unstable. For Lewis number greater than unity, near-extinction flame are found to exhibit either travelling instability or pulsating instability.
Steady-state structure and acoustic pressure responses of GH$_2$-LOx diffusion flames in stagnation-point flow configuration have been studied numerically with a detailed chemistry to investigate the acoustic instabilities. The Rayleigh criterion is adopted to judge the instability of the GH$_2$-LOx flames from amplification and attenuation responses at various acoustic pressure oscillation conditions for near-equilibrium to near-extinction regimes. Steady state flame structure showed that the chain branching zone is embedded in surrounding two recombination zones. The acoustic responses of GH$_2$-LOx flame showed that the responses in near-extinction regime always have amplification effect regardless of realistic acoustic frequency. That is, GH$_2$-LOx flame near-extinction is much sensitive to pressure perturbation because of the strong effect of a finite-chemistry.
Influence of fuel concentration gradient was investigated near flame extinction limit in buoyancy-suppressed non-premixed counterflow flame with triple co-flow burner. The use of He curtain flow produced a microgravity level of $10^{-2}-10^{-3}g$ in He-diluted non-premixed counter triple co-flow flame experiments. Flame stability map was presented based on flame extinction and oscillation near extinction limit. The stability map via critical diluent mole fraction with global strain rate was represented by varying outer and inner He-diluted mole fractions. The flame extinction modes could be classified into five: an extinction through the shrinkage of the outmost edge flame forward the flame center with and without self-excitation, respectively ((I) and (II)), an extinction via the rapid expansion of a flame hole while the outmost edge flame is stationary (III), both the outermost and the center edge flames oscillate, and then a donut shaped flame is formed or the flame is entirely extinguished (IV), a shrinkage of the outermost edge flame without self-excitation followed by shrinking or sustain the inner flame (V).
복사열손실을 받는 확산화염의 선형 안정성 해석을 수행하여 복사강도와 Damkohler 수에 대한 화염 불안정이 나타나는 조건을 확인하였다. 대향류 유동장을 모델로 하여 Lewis 수는 1로 가정하였다. 반응속도 제한에 의한 소염근처에서 교란의 증가율은 실수의 고유값을 가지며 안정한계는 정상상태 소염조건과 정확하게 일치한다. 반면에 복사 열손실에 의한 소염 영역 근처에서 증가율의 고유값은 복소수이며 정상상태 소염 전에 맥동 불안정성이 예측된다. 진동하는 화염온도가 양의 실수 고유값을 갖는 정상상태 화염온도 보다 클 경우에만 한계 순환 안정 특성이 나타난다. 만약 그 온도보다 작게 되면 화염은 회복되지 못하고 소염된다. 넓은 복사강도 범위에 대하여 복사 열손실에 의한 불안정성의 안정한계 곡선을 도시하였다.
We investigate the flame behavior and spatial distribution of OH, PAHs and soot in a confined buoyant diffusion flame with decrease of the coflowing air flow rate. Direct photographs and Schlieren images represent that flame is Ally occupied by blue flame and becomes unstable, which is partially detached to the fuel nozzle tip in a near extinction flame under extremely reduced oxidizer condition. Laser induced fluorescence profiles clearly shows that OH is still generated in near-extinction flame, although intensity becomes weak with decreasing air flow rate. But soot scattering image cannot be seen any more in an oxidizer deficient ambience and simultaneously the PAHs are widely distributed downstream. These results are due to that a decrease of oxygen concentration in the combustion chamber leads to a temperature drop of flame, as a consequence, to a delay in soot growth and to a expanding of the PAHs, as soot precursors.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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