An experimental and numerical analysis were conducted to investigate the transient temperature distribution and flame propagation characteristics over an inline polystyrene spheres under microgravity. From the experimental, a self-ignition temperature of polystyrene bead was 872 K under gravity. Flame spread rates were 4.7-5.1 mm/s with ambient gas N$_2$and 2.3-2.5 mm/s with ambient gas CO$_2$, respectively. Flame radius diameters were 17 mm with ambient gas N$_2$and 9.6 mm with ambient gas CO$_2$, respectively. These results suggest that the flame propagation speed could be affected in the Diesel engine and the boiler combustor by EGR. In terms of the flame spread rate and the transient temperature profile, numerical results have the qualitative agreement with the experiment.
화재는 인류가 우주 여행을 하거나 우주에서 체류하고자 할 경우, 특히 조심해서 신경을 써야 할 부분이다. 지구상에서와는 달리, 우주에서는 화재를 피하여 외부로 도망을 칠 수도 없고, 진화를 위해 소방서에 도움을 요청할 수도 없다. 따라서 최선책은 화재를 미연에 방지하는 것이 될 것이다. 그러나, 우주에서는 화재가 발생하였을 때, 그 화염의 행태가 지구상에서와는 다른 양상을 띄게 된다. 그 이유는, 지구상에 있는 모든 물질에 작용하는 중력이 우주에서는 없거나 작기 때문이다. 본 논문에서는 미소 중력하에서의 화염의 행태에 대하여 중요한 부분의 연구 결과를 소개하고, 이에 근거하여 유인 우주 탐사선과 우주 정거장 등에서 화염을 방지, 감지, 진화하는 연구에 대하여 미국 NASA의 FPDS 프로그램을 바탕으로 하여 소개하였다.
The propagation speed of tribrachial flame in laminar propane jets has been investigated experimentally under normal and micro gravity conditions. The displacement speed was found to vary nonlinearly with axial distance because flow velocity along stoichiometric contour was comparable to the propagation speed of tribrachial flame for the present experiment. Approximate solutions for velocity and concentration accounting density difference and virtual origins have been used in determining the propagation speeds of tribrachial flame. Under micro gravity condition, the results showed that propagation speed of tribrachial flame is largely affected by the mixture fraction gradients, in agreement with previous studies. The limiting maximum value. of propagation speeds under micro gravity conditions are in good agreement with the theoretical prediction, that is, the ratio of maximum propagation speed to the stoichiometric laminar burning velocity is proportional to the square root of the density ratio of unburned to burnt mixture.
The transient soot distributions within the region bounded by the droplet surface and the flame were measured using a full-filed light extinction technique and subsequent tomographic inversion using Abel transforms. The soot volume fraction results for n-heptane droplets represent the first quantitative assessment of the degree of sooting for isolated droplets burning under microgravity condition. The absence of buoyancy(which produces longer residence times) and the effects of thermophoresis produce a situation in which a significant concentration of soot is produced and accumulated into a soot-cloud. Results indicate that indeed the soot concentration within the microgravity droplet flames(with maximum soot volume fractions as high as ~60ppm) are significantly higher than corresponding values that are reports for normal-gravity flames. This increase in likely due to longer residence times and thermophoretic effects that manifested under microgravity conditions.
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.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제30권3호
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pp.403-412
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2006
The effect of a wall temperature 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. The fuel for the flames was an ethylene ($C_2H_4$). The surrounding oxygen concentration was 35% with surrounding air temperatures of $T_a=600K$. In the study, three different wall temperatures. $T_w$=300, 600, 800K, were selected as major test conditions. Laser extinction was adopted to determine the soot volume fraction distribution between the flame and burner wall. The experimental results showed that the maximum soot volume fractions at $T_w$=300, 800 K were $8.8{\times}10^{-6},\;9.2{\times}10^{-6}$, respectively. However, amount of soot deposition on wall surface was decreased because of lower temperature gradient near the wall with increasing wall temperature. 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 from the numerical simulation successfully predicted the differences in the motion of soot particles by different wall temperature near the burner surface and are in good agreement with observed soot behavior that is, the 'soot line', in microgravity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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