The axisymmetric methane-air counterflow flame in microgravity was simulated to investigate effects of the global strain rate on the flame structure. The flame shapes and profiles of temperature and the axial velocity for the mole fraction of methane in the methane-nitrogen fuel stream, Xm= 20, 50, $80\%$, and the global strain rate, ag= 20, 60, 90 $s^{-1}$ each mole fraction were compared. The profiles of the temperature and axial velocity of the axisymmetric simulations were in good agreement with those of OPPDIF, an one-dimensional flamelet code. It was confirmed that the flame is stretched more and the flame radius increases and the flame thickness decreases as the global strain rate increases.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.38
no.6
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pp.493-500
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2014
Nonlinear characteristics of cellular counterflow diffusion flame near the radiative extinction limit at large Damk$\ddot{o}$hler number are numerically investigated. Lewis number is assumed to be 0.5 and flame evolution is calculated by imposing an infinitesimal disturbance to a one-dimensional(1-D) steady state flame. The early stage of nonlinear development is very similar to that predicted in a linear stability analysis. The disturbance with the wavenumber of the fastest growing mode emerges and grows gradually. Eventual, an alternating pattern of reacting and quenching stripes is developed. The cellular flame temperature is higher than that of 1-D flame because of the gain of the total enthalpy. As the Damk$\ddot{o}$hler number is further increased, the shape of the cell becomes circular to increase the surface area per unit reacting volume. The cellular flames do not extinguish but survive even above the 1-D steady state extinction condition.
Park, Dae-Geun;Park, Jeong;Kim, Jeong-Soo;Bae, Dae-Suk
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2009.11a
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pp.197-201
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2009
Experiments were conducted to study the transition of shrinking flame disk to flame hole in counterflow diffusion flames. The studies of transition are well described by varying burner diameters, global strain rate and velocity ratio. It is experimentally verified that radial conduction heat loss is affected at even high strain rate flames for appropriately small burner diameters. It is also shown that flame extinction modes are grouped into three and particularly, hole or stripe is observed in sufficiently high strain rate flames. There exists critical radius according to burner diameter which divide flame extinction modes into three parts.
대향류 확산 화염의 매연 생성 특성에 대한 실험적 연구가 수행되었으며, 그 결과 에틸렌 ($C_2H_4$)-프로판($C_3H_8$) 혼합 연료의 경우 매연 생성 상승 효과 (synergistic effect)가 관측되었다. 프로판과 에틸렌의 PAH 생성 양상이 상이하게 나타났으며, 소량의 프로판을 에틸렌 확산 화염에 첨가할 경우 순수 연료에 비하여 매연 및 PAH (다중 고리 방향족 탄화수소; polycyclic aromatic hydrocarbon) 생성이 증대되었다. 단조적으로 변화하는 아세틸렌($C_2H_2$) 농도와 단열 화염 온도를 고려할 때, 이러한 결과는 HACA (H-abstraction-$C_2H_2$-addition) 반응만으로는 확산 화염에서의 매연 발생 및 성장을 설명할 수 없음을 의미한다. 수치해석과 실험 결과의 비교로부터 초기 PAH의 생성 과정을 규명하였으며 이 과정에서 C3 화학종의 재결합 반웅이 매우 중요함을 확인할 수 있었다. 또한, 이러한 C3 화학종과 C2 화학종의 상호 보완적인 역할에 의하여 에틸렌-프로판 혼합 연료에서 매연 생성이 증대됨을 밝혔다.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.36
no.8
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pp.849-855
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2012
The effect of electric fields on the response of diffusion flames in a counterflow has been investigated experimentally by varying the AC voltage and frequency. The result showed that the flame was stationary with high AC frequency above the threshold frequency, and it increased with the applied voltage and then leveled off at 35 Hz. Below the threshold frequency, however, the flame oscillated with a frequency that was synchronized with the applied AC frequency. This oscillation can be attributed to the ionic wind effect due to the generation of bulk flow, which arises from the momentum transfer by molecular collisions between neutral molecules and ions, where the ions in the reaction zone were accelerated by the Lorentz force.
Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety
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v.18
no.1
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pp.55-60
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2012
In order to investigate the effect of n-heptane mixing on PAH and soot formation, small amount of n-heptane has been mixed in counterflow ethylene diffusion flame. Laser-induced incandescene and laser-induced fluorescene techniques were employed to measure soot volume fraction and polycyclic aromatic hydrocarbon(PAH) concentration, respectively. Results showed that the mixing of n-heptane in ethylene diffusion flame produces more PAHs and soot than those of pure ethylene flame. However, signals of LIF for 20% n-heptane mixture flame were lower than that of pure ethylene flame. It can be considered that the enhancement of PAH and soot formation by the n-heptane mixing of ethylene can be explained by methyl($CH_3$) radical in the low temperature region. And it can be found that reaction rate of H radical for 10% n-heptane plays a crucial role for benzene formation.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.9
no.2
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pp.250-258
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1985
비균열 접선속도장에 기인한 화염스트레치 인자와 확산선호도가 예혼합화염의 전파속도에 미치는 영향을 연소가스와 예혼합기의 대향류 유동장을 모델로 하여 접합 전개 방법을 이용하여 일반 인 Lewis수 및 기체팽창을 고려하여 해석하였다. 이 결과 스트레치가 작은 경우에는 확산선호 도에 따라 화염특성이 급격히 변화하는데 이는 곡률을 가진 자유전파화염의 특성과 동일하며 스트레치가 큰 경우에는 확산선호도에 관계없이 화염전파속도는 감소하는 특성을 보여주었다. 또한, 화염스트레치의 실험적 측정 및 이론적 해석에 있어서의 정의 및 화염스트레치의 영향에 관한 현상적 설명에 대하여 재검토하였다.
A two-dimensional direct numerical simulation is 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 are adopted in this calculation. The results show that an initially flat stagnation plane, where an axial velocity is zero, is deformed into a complex-shaped plane, and an initial stagnation point is moved far away from vortex head when the counterflow field is perturbed by the vortex. It is noted that the movement of stagnation point can alter the mechanism of reactants (fuel and oxidizer) fluxes into the flame surface, and then can alter the flame structure.
WSGGM with gray gas regrouping is successfully applied to study the flame structure of counter flow flames including effect of radiative transfer. The statistical narrow band model is used to obtain the benchmark solutions. Results obtained by using the optically thin model are shown to overestimate the emission and to predict the flame structures inadequately especially for optically thick and low stretch rate flames. Computed results by using the WSGGM with 10 gray gases and SNB model show reasonable agreements with each other, and the required calculation time for the WSGGM is acceptable for engineering applications.
The effects of shield gas on the structure of methane-air nonpremixed counterflow flames were numerically investigated. The near extinction flame of a low global strain rate 20 $s^{-1}$ of 19% methane diluted by 81% nitrogen by volume and undiluted air was computed. The flame shape, centerline temperature and axial velocity profiles were compared for different velocity of the shield gas and with and without the shield gas. The effects of the velocity of the shield gas were negligible for $V_{S}/V_{F}{\leq}2$ in normal gravity. Under normal gravity conditions, the flame shape and its position with the shield gas were different from those of the flame without the shield gas, whereas no discernible effects of the shield gas along the centerline were observed in zero gravity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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