Instantaneous, three-dimensional scalar dissipation rates of the reaction progress variable are measured in turbulent premixed Bunsen flames of lean hydrocarbon/air mixtures with the two-sheet, two-dimensional Rayleigh scattering technique. The flames investigated are located in the turbulent flame-front regime on a newly proposed combustion diagram for premixed flames. The conditionally-averaged mean scalar dissipation rates, $N_{\zeta}$ are found to be lower than the calculated laminar values, indicating a locally broadened flame front. In agreement with previous measurements, the maximum of $N_{\zeta}$, decreases strongly with increasing Karlovitz numbers. The conditional probability density functions are close to a log-normal distribution for scalar dissipation rates conditioned at the progress variable value where the scalar dissipation is maximum in unstretched laminar flame calculations. The time scale for the Favre-averaged mean scalar dissipation rate decreases in general across the turbulent flame brush from the unburnt to burnt side.
The present study has numerically investigated the effects of fuel-side dilution and pressure on flame structure and extinction scalar dissipation rate of turbulent syngas nonpremixedd flames. Numerical results indicate that for highly diluted case, peak temperature is decreased and stoichiometric mixture fraction is increased. By decreasing the pressure and the nitrgen dilution levelcreased, the extinction scalar dissipation rate is increased.
삼지화염의 화염안정화 메커니즘 중 중요한 한 가지는 화염전파속도이다. 화염전파속도의 정량적인 규명을 위해 Bilger는 층류 유동이론에 근거하여 혼합분율 기울기에 비선형적으로 연관된 삼지화염전파속도를 제시하였다. 그러나 지금까지의 연구에서는 화염의 곡률 반경과 스칼라소산율에 따른 삼지화염 전파속도에 관하여 논의된 바가 없으며, 본 논문에서는 수치해석을 통해 화염전파속도에 따른 화염의 곡률반경과 스칼라소산율의 관계를 살펴보았다. 본 논문의 결과로 연료의 노즐 출구속도에 따라 화염전파속도가 거의 선형적으로 변화됨을 알 수 있었다. 또 화염전파속도에 따라 스칼라소산율은 비선형적인 감소를 보였으며, 곡률반경은 거의 선형적인 변화를 보임을 알 수 있었다. 또 스칼라소산율에 따른 곡률 반경의 경우 비선형적인 감소를 보였다. 따라서 화염전파속도와 스칼라소산율 및 화염의 곡률반경 사이에 직접적인 연관성이 있는 것을 확인하였다.
삼지화염의 화염안정화 메커니즘 중 중요한 한 가지는 화염전파속도이다. 화염전파속도의 정량적인 규명을 위해 Bilger는 층류 유동이론에 근거하여 혼합분율 기울기에 비선형적으로 연관된 삼지화염전파속도를 제시하였다. 그러나 지금까지의 연구에서는 화염의 곡률 반경과 스칼라소산율 및 삼지화염의 화염전파속도에 관한 직접적인 관계에 관하여 제시된 바가 없었다. 본 논문은 실험과 수치해석에 따른 수치해석 결과를 검증하고, 수치해석을 통해 스칼라소산율에 따른 화염전파속도를 확인하였다. 그리고 화염스트레치 분석을 통하여 화염전파속도의 곡률반경 및 스칼라소산율에 따른 의존도를 명확히 하였다.
부상화염에 대한 연소반응 유동 수치해석을 수행하여 부상높이에 대한 기존 연구 결과들과 비교를 통하여 수치해석 결과의 신뢰성을 검정하였다. 화염전파속도를 결정하는 유동방향변환점을 기존의 연구에서처럼 연료분출속도에 상관없이 일률적인 위치로 선정할 경우 많은 오차를 유발하기 때문에 본 연구에서는 부상화염에서 이론당량비선을 따라 유동속도와 스칼라 소산율 특성을 살펴보았고 화염전파속도를 선정하는 유동방향변환점을 타당하게 선정하는 방법을 정립하였다. 이를 토대로 화염전파속도와 스칼라소산율의 관계식을 도출하여 부상화염에서 화염전파속도 특성을 규명하였다.
Partial quenching structure of turbulent diffusion flames in a turbulent mixing layer is investigated by the method of flame hole dynamics in order to develop a prediction model for turbulent flame lift off. The essence of flame hole dynamics is derivation of the random walk mapping, from the flame-edge theory, which governs expansion or contraction of flame holes initially created by local quenching events. The numerical simulation for flame hole dynamics is carried out in two stages. First, a direct numerical simulation is performed for constant-density fuel-air channel mixing layer to obtain the turbulent flow and mixing fields, from which a time series of two dimensional scalar dissipation rate array is extracted at a fixed virtual flame surface horizontally extending from the end of split plate to the downstream. Then, the Lagrangian simulation of the flame hole random walk mapping projected to the scalar dissipation rate array yields temporally evolving turbulent extinction process and its statistics on partial quenching characteristics. The statistical results exhibit that the chance of partial quenching is strongly influenced by the crossover scalar dissipation rate while almost unaffected by the iteration number of the mapping that can be regarded as a flame-edge speed.
Partial quenching structure of diffusion flames in a turbulent mixing layer has been investigated by the method of flame hole dynamics in oder to develope a prediction model for the phenomenon of turbulent flame lift off. The present study is specifically aimed to remedy the shortcoming of the stiff transition of the conditioned partial burning probability across the crossover condition by employing the level-set method which enables us to include the effect of finite flame edge propagation speed. In light of the level-set simulation results with two models for the edge propagation speed, the stabilizing conditions for turbulent lifted flame are suggested. The flame hole dynamics combined with the level-set method yields a temporally evolving turbulent extinction process and its partial quenching characteristics is compared with the results of the previous model employing the flame-hole random walk mapping based on three critical scalar dissipation rates. The probability to encounter reacting state, conditioned with scalar dissipation rate, demonstrated that the conditional probability has a rather gradual transition across the crossover scalar dissipation rate. Such a smooth transition is attributed to the finite response of the flame edge propagation.
The dynamic mixed model (DMM) combined with a box filter of Zang et. al. (1993) has been generalized for passive scalar transport and applied to large eddy simulation of turbulent channel flows with Prandtl number up to 10. Results from a priori test showed that DMM is capable of predicting both subgrid-scale (SGS) scalar flux and dissipation rather accurately for the Prandtl numbers considered. This would suggest that the favorable feature of DMM, originally developed for the velocity field, works equally well for scalar transport problem. The validity of the DMM has also been tested a posteriori. The results of the large eddy simulation showed that DMM is superior to the dynamic Smagorinsky model in the prediction of scalar field and the model performance of DMM depends to a lesser degree on the ratio of test to grid filter widths, unlike in the a priori test.
The method of flame hole dynamics is demonstrated as a mean to simulate turbulent flame extinction. The core of the flame hole dynamics involves derivation of a random walk mapping for the flame holes, created by local quenching, between the burning and quenched states provided that the dynamic characteristics of flame edges is known. Then, the random walk mapping is projected to a background turbulent field. The numerical simulations are carried out with the further simplifications of flame string and unconditioned scalar dissipation rate. The simulation results show how the chance of partial quenching is influenced by the crossover scalar dissipation rate. Finally, a list of improvements, necessary to achieve more realistic turbulent flame quenching simulation, are discussed.
The method of flame hole dynamics is demonstrated as a mean to simulate turbulent flame extinction. The core of the flame hole dynamics involves derivation of a random walk mapping for the flame holes, created by local quenching, between burning and quenched states provided that the dynamic characteristics of flame edges is known. Then, the random walk mapping is projected to a background turbulent field. The numerical simulations are carried out with further simplifications of flame string and unconditioned scalar dissipation rate. The simulation results show how the chance of partial quenching is influenced by the crossover scalar dissipation rate. Finally, a list of improvements, necessary to achieve more realistic turbulent flame quenching simulation, are discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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