The axisymmetric methane-air counterflow flame was simulated to investigate changes in the flame structure due to the fuel concentration and to evaluate the numerical method. The global strain rates $a_g=20,\;60,\;90\;s^{-1}$ and the mole fractions of methane $x_m=20,\;50,\;80\%$ in the fuel stream were taken to be numerical parameters. The axisymmetric simulation was conducted by using the Fire Dynamics Simulator (FDS) which employed a mixture fraction combustion model, and the results were compared with those of OPPDIF, which is an one-dimensional flamelet code and includes detail chemical reactions. In all the cases tested, there was good agreement in the temperature and axial velocity profiles between the axisymmetric and one-dimensional simulations. It was shown that the flame thickness and peak flame temperature increase and the flame radius decreases as the fuel concentration increases.
Measurements with filaments and thermocouples and computations with Oppdif and FDS were carried out to investigate the impact of flame strain, agent addition, and buoyancy on the structure and extinction of nonpremixed counterflow flames. Measurements through 2.2 s drop tests in microgravity conditions and experiments in normal gravity conditions were compared with the results of computations. For the global strain rates 7 s$^{-1}$ through 100 s$^{-1}$ , the turning point behavior in the critical nitrogen concentration at O-g was confirmed. The effects of buoyancy, that is, changes in the flame curvature and thickness were also confirmed by the computations with FDS. There was agreement in the peak flame temperature and its position between the computations and the measurements in the near extinction methane/air diffusion flames in microgravity.
The structure of the nonpremixed methane-air counterflow flames in microgravity was investigated by axisymmetric simulation with Fire Dynamics Simulator (FDS) to evaluate the numerical method and to see the effects of strain rate and fuel concentration on the diffusion flame structure in microgravity. Results of FDS for the methane mole fractions, $X_m$=20, 50, and 80% in the fuel stream, and the global strain rates $a_g$=20, 50, and $90s^{-1}$ for each methane mole fraction were compared with those of OPPDIF, an one-dimensional flamelet code. There was good agreement in the temperature and axial velocity profiles between the axisymmetric and one-dimensional computations. It was shown that FDS is applicable to the counterflow flames in a wide range of strain rate and fuel concentration by predicting accurately the flame thickness, flame positions and stagnation points.
Park, Dae-Geun;Yun, Jin-Han;Park, Jeong;Keel, Sang-In
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.13
no.2
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pp.64-76
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2009
Experimental and numerical studies are conducted on the characteristics of flame extinction and edge flame oscillation in counterflow diffusion flames. The characteristics of flame extinction and edge flame oscillation are well described varying burner diameter, separation distance between two burners, global strain rate, and velocity ratio. It is verified numerically and experimentally that radial conduction heat loss significantly contributes to flame extinction and edge flame oscillation at low strain rate flames in zero- and micro-gravity. It is also shown that for appropriately small burner diameters flame extinction modes are grouped into four and these are significantly attributed to excessive radial conduction heat loss. The edge flame oscillation can be characterized well by one curve with Strouhal number and Peclet number.
OH radical and NO distributions have been measured in methane/air partially premixed counterflow flames(${\alpha}$=1.0, 0.8, 0.6) using PLIF technique. The results are discussed and compared with the numerical analysis results obtained under the same flame conditions. Measured OH and NO LIF signals agree with the computed concentration distributions. Both numerical and experimental results indicate that the structural change in a flame alters the NO formation characteristics of a partially premixed counterflow flame. The nitrogen dilution also changes flame structure, temperature and OH radical distributions and results in the decreased NO concentrations in a flame. The levels of decrease in NO concentrations, however, depends on the premixedness(${\alpha}$) of a flame. The larger change in the flame structure and NO concentrations have been observed in a premixed flame($\alpha$=1.0), which implies that the premixedness is likely to be a factor in the dilution effect on NO formation of a flame.
Park, June-Sung;Kim, Hyun-Pyo;Park, Jeong;Kim, Song-Cho;Kim, Jeong-Soo
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2006.11a
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pp.295-298
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2006
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 lateral conduction heat loss in addition to radiative heat loss could be remarkable at low global strain rates. Onset conditions of edge flame oscillation and flame oscillation modes are also provided with global strain rate. It is seen that flame length is closely relevant to lateral heat loss, and this affects flame extinction and edge flame oscillation. Edge flame oscillations in low strain rate flames 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.
To evaluate the numerical method in simulation of diffusion flames and to see the effects of strain rate and fuel concentration on the flame radius and thickness, the nonpremixed methane-air counterflow flames in microgravity were simulated axisymmetrically by using the MST Fire Dynamics Simulator (FDS). The $1000^{\circ}C$ based flame radius and thickness were investigated for the mole fraction of methane in the fuel stream, $X_m=20,\;50,\;and\;80\%$ and the global strain rates $a_g=20,\;60,\;and\;90s^{-1}$ for each mole fraction. The flame radius increased with the global strain rate while the flame thickness decreased linearly as the global strain rate increased. The flame radius decreased as the mole fraction increased, but it was not so sensitive to the mole fraction compared with the global strain rate. Since there was good agreement in the nondimensional flame thickness obtained with OPPDIF and FDS respectively, it was confirmed that FDS is capable of predicting well the counterflow flames in a wide range of strain rate and fuel concentration.
Unsteady behaviors of counterflow flame were studied experimentally in opposing jet counterflow burner using diluted methane. To generate the unsteadiness on the flame, the counterflow diffusion flame was perturbed by velocity changes made by the pistons installed on both sides of the air and fuel stream. The velocity changes were measured by Hot wire and Laser Doppler Velocimetry, and the flame behaviors were observed by High speed ICCD and ICCD. In this investigation, the spatial irregularity of the strain rate caused the flame to extinguish from the outside to the axis during the extinction, and we found the following unsteady phenomena. First, the extinction strain rates of unsteady cases are much larger than those of the steady ones. Second, the extinction strain rates become larger as the slope of the change of the strain rate increases. Third, the unsteady extinction strain rates become smaller with the increase of the initial strain rate.
A near extinction nonpremixed counterflow flame of 19% methane diluted by 81% nitrogen by volume and undiluted air at a low global strain rate, 20 s-1, was computed. Investigations were focused on effects of the duct thickness and velocity boundary conditions on the flame structure in normal and zero gravity conditions. The results showed that, under normal gravity conditions, the effects of the duct thickness and velocity boundary conditions were significant by shifting the flame position, but negligible in zero gravity. The differences in flame structure were caused by buoyancy, and hence should be considered in the measurements in normal gravity.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.34
no.9
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pp.859-866
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2010
Nonlinear dynamics of pulsating instability-diffusional-thermal instability with Lewis numbers sufficiently higher than unity-in counterflow diffusion flames, is numerically investigated by imposing a Damkohler number perturbation. The flame evolution exhibits three types of nonlinear behaviors, namely, decaying pulsating behavior, diverging behavior (which leads to extinction), and stable limit-cycle behavior. The stable limit-cycle behavior is observed in counterflow diffusion flames, but not in diffusion flames with a stagnant mixing layer. The critical value of the perturbed Damkohler number, which indicates the region where the three different flame behaviors can be observed, is obtained. A stable simple limit cycle, in which two supercritical Hopf bifurcations exist, is found in a narrow range of Damkohler numbers. As the flame temperature is increased, the stable simple limit cycle disappears and an unstable limit cycle corresponding to subcritical Hopf bifurcation appears. The period-doubling bifurcation is found to occur in a certain range of Damkohler numbers and temperatures, which leads to extend the lower boundary of supercritical Hopf bifurcation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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