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.
Experiments at the Japan Microgravity Center(JAMIC) have investigated the interaction between diffusion flames and solid surfaces placed near flames. The fuel for the flames was $C_2H_4$. The surrounding oxygen concentration was 35% with temperatures of $T_a$=300. Especially, the effect of wall temperature on soot deposition from a diffusion flame placed near the wall has been studied by utilizing microgravity environment, which can attain very stable flame along the wall. Cylindrical burner with fuel injection was adopted to obtain two dimensional soot distributions by laser extinction method. In the experiment two different wall temperatures, $T_w$=300,800K, were selected as test conditions. The results showed that the soot distribution between flame and burner wall was strongly affected by the wall temperature and soot deposition increases with decrease in wall temperature. The comparison among the values for two different wall temperatures suggested that the change in thermophoretic effect is the most dominant factor to give the change in soot deposition characteristics.
Soot generation by combustion process has been investigated with objective of understanding of chemical reaction responsible for its formation in a coaxial laminar propane jet diffusion flame. For the direct photos, as the coflowing air flow rate is reduced, the area of soot luminous zone increases at first, then becomes smaller and smaller, and even disappears. The aspects of soot deposition can be acquired by using nine $15{\mu}m$ thin SiC fibers are positioned horizontally across the flame. Deposited soots on SiC fibers show the soot inception point and growth and soot oxidation zone in a typical propane diffusion. Soot is not generated anymore in a oxidizer deficient conditions of near-extinction and flame is fully occupied by transparent blue flame. It suggests that nonsooting pyroligneous blue reaction is being dominant in a oxidizer deficient ambience. In comparison with luminosities of SiC fibers and flame itself, indirect evidence is found that the process of soot nucleation and growth is endothermic reaction. It is remarkable that there exists two adjacent regions to have antithesis characteristics; one is exothermic reaction of blue flame and another endothermic reaction zone of soot formation.
The deposition behavior of soot particles in a diffusion flame along a solid wall was examined experimentally by getting rid of the effect of natural convection utilizing microgravity environment. The microgravity environment was realized by using a drop tower facility. The fuel for the flame was an ethylene ($C_2H_4$) and the surrounding oxygen concentration 35% with the surrounding air velocity of $V_a$=2.5, 5, and 10 cm/s. Laser extinction method was adopted to measure the soot volume fraction distribution between the flame and burner wall. The results show that observation of soot deposition in normal flame was difficult from buoyancy and the relative position of flame and solid surface changes with time. The soot particle distribution region moves closer to the surface of the wall as the surrounding air velocity is increased. And the experiments determined the trace of the maximum soot concentration line. It was found that the distance between soot line and flame line is around 5 mm. That is, the soot particle near the flame zone tends to move away from flame zone because of thermophoretic force and to concentrate at a certain narrow area inside of the flame, finally, to adhere the solid wall.
화염변형률과 소화약제의 첨가 및 부력이 비예혼합 대향류 화염의 구조와 소화에 미치는 영향을 조사하기 위해 필라멘트와 열전대를 이용한 실험과 Oppdif 및 FDS를 사용한 수치해석을 수행하였다. 소화농도에 가까운 메탄-공기의 확산화염에 대하여 2.2초의 무중력 낙하실험과 정상중력에서의 측정결과를 수치모사의 결과와 비교하였다. 변형률 7 s$^{-1}$에서 100 s$^{-1}$까지 무중력상태에서 측정한 임계소화농도로부터 질소의 임계소화농도에 최대치가 있음을 확인하였다. 또한, 부력의 효과, 즉, 화염의 곡률과 두께 변화를 FDS의 계산결과로 확인하였다. 무중력상태에서 화염의 최고온도와 그 위치에 대한 실험치와 계산값이 일치함을 알 수 있었다.
The morphology of deposits on $15-{\mu}m$ thin SiC filaments has been investigated with SEM and compared with UV-excited laser induced broadband fluorescences in co-flowing, propane laminar diffusion flames in a reduced oxidizer environment. The homogeneous morphology of droplet-like deposits inner flame zone and the agglomeration of condensed-phase deposits and the transition to soots from grown up droplet-like precursors with approaching the flame surface can be observed in a barely sooting flame. The average size of the mature soots deposited in the luminous flame edge is scarcely dependent on their axial position in a confined flame under reduced oxidizer condition. A double structure of PAH fluorescence is observed in near-extinction flames with further decreasing of oxidizer. A comparison of the PAH fluorescence with the morphologies of deposits indicates that appearance of the "dark" hollow zone is caused by a decreased number density of developed liquid-phase large molecules and the outer weak fluorescence zone is caused by the diffusion of gas-phase small molecules.
The effect of surrounding air velocity on the soot deposition process from a diffusion flame to a solid wall was investigated in a microgravity environment to attain in-situ observations of the process. An ethylene($C_2H_4$) diffusion flame was formed around a cylindrical rod burner in surrounding air velocity of $v_{air}$=2.5, 5, and 10 cm/s with oxygen concentration of 35 % and wall temperature of 300 K. Laser extinction was adopted to determine the soot volume fraction distribution between the flame and burner wall. The experimental results show that the soot particle distribution region moves closer to the surface of the wall with increasing surrounding air velocity. A numerical simulation was also performed to understand the motion of soot particles in the flame and the characteristics of the soot deposition to the wall. The results successfully predicted the differences in the motion of soot particles by different surrounding air velocity near the burner surface and are in good agreement with observed soot behavior in microgravity. A comparison of the calculations and experimental results led to the conclusion that a consideration of the thermophoretic effect is essential to understand the soot deposition on walls.
The firtst-order conditional moment closure (CMC) model is applied to CH4/air swirl diffusion flame in a gas turbine model combustor. The flow and mixing fields are calculated by fast chemistry assumption with SLFM library and a beta function pdf for mixture fraction. RNG k-e model is used to consider the swirl flame in a confined wall. Reacting scalar fields are calculated by elliptic CMC formulation with chemical kinetic mechanism, GRI Mech 3.0. Validation is done against measurement data for mean flow and scalar fields in the model combustor [1]. Results show reasonable agreement with the mean mixture fraction and its variance, while temperature is overpredicted as the level of local extinction increases. The second-order CMC model is needed to consider local extinction with considerable conditional fluctuations near the nozzle.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제29권8호
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pp.907-914
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2005
Experiments at the Japan Microgravity Center (JAMIC) have investigated the interaction between diffusion flames and solid surfaces Placed neat flames The fuel for the flames was $C_{2} H_{4}$ The surrounding oxygen concentration was 35$\%$ with surrounding air temperatures of $T_{a}$ : 300K. Especially, the effect of wall temperature on soot deposition from a diffusion flame Placed near the wall has been studied by utilizing microgravity environment, which can attain very stable flame along the wall. Cylindrical burner with fuel injection was adopted to obtain two dimensional soot distributions by laser extinction method. In the experiment two different wall temperatures. $T_{w}$=300, 800 K, were selected as test conditions The results showed that the soot distribution between flame and burner wall was strong1y affected by the wall temperature and soot deposition increases with decrease in wall temperature. The comparison among the values lot two different wall temperatures suggests that the change in thermophoretic effect is the most dominant factor to give the change in soot deposition characteristics.
[ $CH_4-He/Air$ ] 대향류 확산화염의 저 화염 신장율에서 진동 불안정성에 관하여 실험적으로 연구하였다. 저 화염 신장율에서 진동 불안정은 Le가 1보다 클 때 소화한계 부근에서 발행하고 측면방향 열손실이 중요한 역할을 한다. 화염이 진동할 때 화염의 형태는 전진하거나 후퇴하는 edge flame이고 진동의 동적거동은 성장, 조화 그리고 감쇠 진동 모드 세 가지로 나타났다. 전체 화염 신장율이 감소하면 진동의 진폭은 커지게 되는데 이는 화염의 크기가 감소하게 되어 측면 열손실이 증가하였기 때문이다. 저 화염 신장율에서 edge flame의 진동 불안정성은 Le 뿐만 아니라 복사와 측면 열손실도 밀접한 관계가 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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