The propagation rates ($U_{edge}$) of various premixed edge-flames were measured as a function of global strain rate (${ \sigma}$), mixture strength, and Lewis number (Le). Using a counterflow slot-jet burner with electrical heaters at each end, both advancing (positive $U_{edge}$) and retreating (negative $U_{edge}$) edges can be studied as they propagate along the long dimension of the burner. Preliminary results are presented for single and twin premixed hydrocarbon edge-flames in terms of the effects on $U_{edge}$. A low-${\sigma}$ extinction limit has been discovered for all mixtures tested but further analysis is necessary for full characterization since sufficiently $high-{\sigma}$ leads to an apparent stability limit. Propagation rates clearly show a strong dependence on Le. Future work will focus on completing the premixed hydrocarbon edge-flame analysis and include investigations into non-premixed edge-flames and edge-flames composed of fuels such as hydrogen ($H_2$) with significantly lower Le.
Edge flames have been interested as a basic structure that is concerned to flame stabilization and re-ignition of non-premixed flames. The edge flame consists of a lean premixed flame, a rich premixed flame, and a diffusion flame. In order to investigate fundamental structures of the edge flames at the conditions near the flammability limits, edge flames were stabilized within a heated narrow channel. Highly diluted partially premixed methane was used, and the flow rates of air and the partially premixed mixture were controlled. Various flame behaviors, including a transition between ordinary edge flames and premixed flames, were observed. Flame stabilization characteristics were examined as well. All flame stabilization conditions in this study showed a similar trend: characteristic time scales were inversely proportional to the equivalence ratio defined at the burner inlet. Finally, an interesting flame structure having a weak diffusion branch enveloped by a closed premixed branch was found near the flammability limits even in a fuel-air mixing layer. This structure was named as a "flame-drop" and the importance of this structure was first suggested.
A turbulent combustion model, based on edge flame dynamics, is discussed in order to predict global extinction of turbulent flames. The model is applicable to the broken flamelet regime of turbulent combustion, in which global extinction of turbulent flame is achieved by gradual expansion of flame holes. The edge flame dynamics is the key mechanism to describe the flame hole expansion or contraction. For flames with Lewis numbers near unity, there is a $Damk{\ddot{o}}hler$ number, namely the crossover $Damk{\ddot{o}}hler$ number, at which edge flame changes its direction of propagation. The parametric region between the quasi-steady extinction condition and the edge-flame crossover condition is a metastable region, in that flames without edge can stay in their burning states while flames with edge have to retract to expand quenching holes. Using the above properties of edge flame, Hartley and Dold proposed a Lagrangian hole dynamics, which allows us to simulate transient variation of quenching holes. In their model, each stoichiometric surface is subjected to a random sequence of scalar dissipation rate compatible to the equilibrium turbulence. Then, each stoichiometric surface will evolve, according to the combustion map, dependent on the scalar dissipation rate and existence of flame edge, If all the burning surfaces are annihilated, the event can be declared as a global extinction. The consequence obtained from the above model also can be used as a subgrid model to determine local extinction occurring in a calculation grid.
The propagation rates of advancing and retreating non-premixed edge flames in a slot-jet counterflow were measured as a function of strain rate for varying jet spacing, mixture strength, stoichiometric mixture fractions $(Z_{st})$ and Lewis numbers (Le). Methane and propane fuels were tested and nitrogen and carbon dioxide were used as inerts. As results, we could identify igniting fronts, retreating fronts, two total extinction limits, and short-length edge flames. A burner separation affected to a low extinction limit only. Regimes for advancing and retreating edges together with total extinction were mapped in terms of normalized flame thickness and heat loss factor for $CH_4/O_2/N_2$ mixtures. Edge flames for $Z_{st}$ > 0.5 behaved like a stronger mixture while for $Z_{st}$ < 0.5 showed deteriorated feature, because of relative locations of a non-premixed flame and intermediate species such as CO and $H_2$. Furthermore, due to the relative importance of heat loss, propagating speeds of edge flames were significantly enhanced in $CH_4/O_2/CO_2$ mixtures (Le < 1) demonstrating increasing stability limits. However $C_3H_8/O_2/N_2$ mixtures (Le > 1) showed opposite result.
Propagation rates ($U_{edge}$) of various premixed, twin edge-flames were measured as a function of global strain rate ($\sigma$), mixture strength, and Lewis number (Le). Using a counterflow slot-jet burner with electrical heaters at each end, both advancing (positive $U_{edge}$) and retreating (negative $U_{edge}$) edge-flames can be studied as they propagate along the long dimension of the burner. Experimental results are presented for premixed methane/air twin flames in terms of the effects of $\sigma$ on $U_{edge}$. Both low-$\sigma$ and high-$\sigma$ extinction limits were discovered for all mixtures tested. As a result, the domain of edge-flame stability was obtained in terms of heat loss factor and normalized flame thickness, and comparison with the numerical result of other researchers was also made. For low ($CH_4/O_2/CO_2$) and high ($C_3H_8$/air) Lewis number cases, propagation rates clearly show a strong dependence on Le.
Propagation rates ($U_{edge}$) of various premixed, twin edge-flames were measured as a function of global strain rate ($\sigma$), mixture strength, and Lewis number (Le). Using a counterflow slot-jet burner with electrical heaters at each end, both advancing (positive $U_{edge}$) and retreating (negative $U_{edge}$) edge-flames can be studied as they propagate along the long dimension of the burner. Experimental results are presented for premixed methane/air twin flames in terms of the effects of $\sigma$ on $U_{edge}$. Both low-$\sigma$ and high-$\sigma$ extinction limits were discovered for all mixtures tested. As a result, the domain of edge-flame stability was obtained in terms of heat loss factor and normalized flame thickness, and comparison with the numerical result of other researchers was also made. For low ($CH_4/O_2/CO_2$) and high ($C_{3}H_{8}$/air) Lewis number cases, propagation rates clearly show a strong dependence on Le.
Experiments in methane-air low strain rate counterflow diffusion flames diluted with nitrogen have been conducted to study the behavior of flame extinction and edge flame oscillation in which flame length is less than the burner diameter and thus lateral conduction heat loss in addition to radiative heat loss could be remarkable at low global strain rates. Critical mole fraction at flame extinction is examined with velocity ratio and global strain rate. Onset conditions of edge flame oscillation and flame oscillation modes are also provided with global strain rate and added nitrogen mole fraction to fuel stream (fuel Lewis number). It is seen that flame length is closely relevant to lateral heat loss, and this affects flame extinction and edge flame oscillation considerably. Edge flame oscillations in low strain rate flames are experimentally described well and are categorized into three: a growing oscillation mode, a decaying oscillation mode, and a harmonic oscillation mode. The regime of flame oscillation is also provided at low strain rate flames. Important contribution of lateral heat loss even to edge flame oscillation is clarified.
The effect of electric fields on the propagation speed of tribrachial flames has been investigated in a coflow jet by observing the transient flame propagation behavior after ignition. Without having electric fields, the propagation speed of tribrachial flame edges showed a typical behavior by having an inverse proportionality to the mixture fraction gradient at the flame edge. The behavior of flame propagation with the electric fields was investigated by applying high voltage to the central fuel nozzle and the enhancement of propagation speed has been observed by varying the applied voltage and frequency for AC electric fields. The propagation speed of tribrachial flame was also investigated by applying negative and positive DC voltages to the nozzle and similar improvements of the propagation speed were also observed. The propagation speeds of tribrachial flames in both the AC and DC electric fields were correlated well with the electric field intensity, defined by the electric voltage divided by the distance between the nozzle electrode and the edge of tribrachial flames.
대향류확산화염의 화염소화에 있어서 에지화염 역할에 관한 실험적 연구가 진행되었다. 속도비, 버너직경, 그리고 버너간격을 변화시키며 수행된 실험에서 전체신장률에 따른 화염소화 임계질소몰분율의 그래프는 c-커브 형태로 나타났다. 고신장률화염에서는 화염소화 임계질소몰분율의 그래프가 하나의 곡선으로 일치하였으며, 화염이 일차원의 응답특성을 갖는 것을 확인하였다. 화염 소화는 바깥 에지화염이 반경방향으로의 진동 후에 화염 중심으로 수축하며 소화하는 영역, 진동 없이 화염중심으로 수축하며 소화하는 영역, 그리고 바깥 에지부분의 수축과 진동 없이 화염중심에 화염 구멍이 생기며 소화하는 영역으로 세 가지 모드로 나타났다. 화염 표면온도 측정과 에너지 방정식의 각항을 수치해석 한 결과를 토대로 에지화염부분에서의 반경방향 전도 열손실이 에지화염의 불안정을 야기한다는 것과 전도를 통한 열 공급뿐만 아니라 대류를 통한 열 공급도 바깥 에지화염의 안정화에 기여한다는 것을 보였다. 그리고 반경방향의 전도열손실이 수축하며 소화하는 메커니즘의 지배적인 역할을 함을 보였다.
한국가시화정보학회 2004년도 Proceedings of 2004 Korea-Japan Joint Seminar on Particle Image Velocimetry
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pp.147-155
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2004
Self-excited noise generation from laminar flames in thin annular jets of methane/air premixture has been investigated experimentally. Various flames were observed in this flow configuration, including conical shape flames, ring shape flames, steady crown shape flames, and oscillating crown shape flames. Self-excited noise with the total sound pressure level of about 70dB was generated from the oscillating crown shape flames for the equivalence ratio larger than 0.95. Sound pressure and $CH^*$ chemiluminescence were measured by using a microphone and a photomultiplier tube. The frequency of generated noise was measured as functions of equivalence ratio and premixture velocity. A frequency doubling phenomena have also been observed. The flame shape during flame oscillation was reconfirmed by a synchronized PIV experiment. The velocity and pressure field were obtained from PIV. The minimum pressure was formed near the edge of flame representing circulation. By comparing the results of sound pressure, flame luminosity and PIV, the noise source can be attributed to the flame front fluctuation near the edge of the oscillating crown-shape flames.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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