The burning characteristics of interacting droplets with internal circulation in a convective flow are numerically investigated at various Reynolds numbers. The transient combustion of 2-dimensionally arranged droplets, both the fixed droplet distances of 5 radii to 40 radii horizontally and 4 radii to 24 radii vertically, is studied. The results obtained from the present numerical analysis reveal that the transient flame configuration and retardation of droplet internal motion with the horizontal or vertical droplet spacing substantially influence lifetime of interacting droplets. At a low Reynolds number, lifetime of the two droplets with decreasing horizontal droplet spacing increases monotonically, whereas their lifetime with decreasing vertical droplet spacing decreases due to flow acceleration. This flow acceleration effect is reversed when the vertical droplet spacing is smaller than 5 radii in which decreasing flame penetration depth causes the reduction of heat transfer from flame to droplets. At a high Reynolds number, however, lifetime of the first droplet is hardly affected by either the horizontal droplet spacing or flow acceleration effect. Lifetime with decreasing vertical droplet spacing increases due to reduction of flame penetration depth. Lifetime of interacting droplets exhibits a strong dependence on Reynolds number, the horizontal droplet spacing and the vertical droplet spacing and can be con-elated well with these conditions to that of single burning droplet.
Experimental investigation on flame spread of blended fuel droplet arrays has been conducted for droplet diameters of 1.0mm and 0.75mm using high-speed chemiluminescence images of OH radical. The flame spread rate is measured with blended fuel composition, droplet diameter, and droplet spacing. Flame spread is categorized into two: a continuous mode and an intermittent one. There exist a limit droplet spacing, above which flame does not spread, and a droplet spacing of maximum flame spread, which is closely related to flame diameter. It is seen that flame spread rate is mainly dependent upon the relative position of flame zone within a droplet spacing. In case of large droplet, the increase of % volume of Heptane induces the shift of limit droplet spacing to a larger spacing since volatile Heptane plays a role of an enhancer of flame spread rate. In case of small droplet, the increase of % volume of Heptane leads to the shift of limit droplet spacing to a smaller droplet spacing. This is so because of the delayed chemical reaction time by the rapid increase of mass flux of fuel vapor for small droplet.
The burning characteristics of interacting spherical droplet in a turbulent flow are numerically investigated. The transient combustion of 3-dimensionally arranged droplets, both the fixed streamwise droplet distances of 3 radii and 10 radii and different turbulence intensities, is studied. The results obtained from the present numerical analysis show that droplet vaporization rate for heptane droplet is insensitive to turbulence intensity, and that the transient flame configuration and retardation of droplet surface temperature augmentation with streamwise droplet spacing substantially influence vaporization process of interacting droplets. Single flame mode in which individual flames are merged into single flame, with decreasing streamwise droplet spacing, becomes faster. Therefore, vaporization rate of the second droplet with decreasing streamwise droplet spacing decreases remarkably with flame movement.
The objective of present study is to understand the interaction of burning droplets in air stream for various droplet arrangement. The unsteady combustion of linearly arranged droplets with a convective flow has been studied numerically. The droplets with spacing of $5R_0\;to\;40R_0$ horizontally and with spacing of $4R_0\;to\;16R_0$ vertically are studied. The effects of Reynolds number, horizontal spacing, and vertical spacing on the interaction of burning droplets are examined. The results indicate that the droplet burning behavior is influenced by Reynolds number and relative location of droplets in the array. The interaction of droplets is increased for arrays with smaller droplet spacing. The vaporization of droplets in the array is varied with both horizontal and vertical spacing exponentially.
The objective of this work is to elucidate the details of two key factors dominating the droplet buring behavior in sprays : droplet-droplet interaction and convective flow. The combustion of a one-dimensional linear droplet array with a convective flow has been studied. A one-step, second order model was employed to simulate the chemical reaction in the combustion process. Results for droplet arrays burning at two Reynolds numbers, 50 and 100, two horizontal droplet spacings, 5 and 11 radii, and two vertical droplet spacing, 2 and 4 radii, were obtained. The results indicate the droplet burning behavior is affected by Reynolds number, droplet-droplet spacing, and the relative location of droplets in the array. Droplet-droplet interaction was found to be strong for arrays with smaller droplet spacing.
Experimental investigations on flame spread in droplet arrays have been conducted under supercritical ambient pressures of fuel droplet. Flame spread rates are measured for n-Decane droplet of diameters of 0.75 and 1.0mm, using high speed images of OH chemiluminescence up to 3.0MPa. The pattern of flame spread is categorized into two: a continuous mode and an intermittent one. There exists a limit droplet spacing, above which flame spread does not occur. Flame spread rate with the decrease of droplet spacing increases and then decreases after takin& a maximum. It is also seen that there exists a limit ambient pressure, above which flame spread does not occur. Flame spread rate decreases monotonically with the increase of ambient pressure. Exceptionally, In the case of a small droplet spacing, flame spread with the increase of ambient pressure is extended to supercritical pressures of fuel droplet. This is caused by enhanced vaporization with the increase of ambient pressure. Consequently, in flame spread with droplet droplet spacing, the relative position of flame to droplet spacing plays an important role. The monotonic decrease with ambient pressure is mainly related to the reduction of flame radius in subcritical pressures and the extension to supercritical pressures of flame spread is caused by the reduction of ignition time of unburnt droplet due to the enhanced vaporization at supercritical pressures.
The burning characteristics of interacting droplets with internal circulation in a convective flow are numerically investigated at various particle arrangement and size difference. In this simulation some conditions are fixed, surround gas temperature is 1250K, pressure is 10 atm and drolet's initial temperature is 300K. The transient combustion of arranged droplets, the fixed droplet distances of 4 radii to 20 radii horizontally, is studied. And the range of size of droplet is 75${\mu}m$ to 100${\mu}m$. The results obtained from the present numerical analysis reveal that the transient flame configuration and retardation of droplet internal motion with the horizontal spacing substantially influence lifetime of interacting droplets. At a Reynolds number 10, lifetime of the three droplets with decreasing horizontal droplet spacing increases monotonically. But when droplet spacing decreases further to 4radii, Lifetime of interacting droplets are increase. So Lifetime of interacting droplets exhibits a strong dependence on the horizontal droplet spacing and size difference. It can be investigated well with these conditions to that of single burning droplet.
In this study, it was attempted to obtain the fundamental data for the formation and oxidation of soot from a diesel engine. Combustion of spray injected into a cylinder is complex phenomenon having physical and chemical processes, and these processes affect each other. There are many factors in the mechanism of the formation and oxidization of soot and it is necessary to observe spray combustion microscopically. In order to observe with that view, free fuel droplet array was used as an experimental object and the droplet array was injected into an atmospheric combustion chamber with high temperature. Ambient temperature of the combustion chamber, interdroplet spacing, and droplet diameter were selected as parameters, which affect the formation and oxidation of soot. In this study, it was found that the parameters also affect ignition delay of droplet. The ambient temperature especially affected the ignition delay of droplet as well as the flame temperature after self-ignition. As the interdroplet spacing that means the local equivalence ratio in a combustion chamber was narrow, formation of soot was increased. As diameter of droplet was large, surface area of the droplet was also broad, and hence evaporation of the droplet was more active than that of a droplet with relative small diameter.
Experiments on flame spread in an one-dimensional droplet array up to supercritical pressures of fuel droplet have been conducted In normal gravity and microgravity. Evaporating process around unburnt droplet is observed through high-speed Schlieren and direct visualizations in detail, and flame spread rate is measured using high speed chemiluminescence images of OH radical. Flame spread behaviors are categorized into three: flame spread is continuous at low pressures and is regularly intermittent up to the critical pressure of fuel. flame spread is irregularly intermittent and zig-zag at supercritical pressures of fuel. At atmospheric pressure, the limit droplet spacing and the droplet spacing of maximum flame spread rate in microgravity are larger than those in normal gravity. In microgravity, the flame spread rate with the increase of ambient pressure decreases initially, takes a minimum, and then decreases after taking maximum. This is so because the flame spread time is determined by competing effects between the increased transfer time of thermal boundary layer due to reduced flame diameter and the reduced ignition delay time in terms of the increase of ambient pressure. Consequently, it is found that flame spread behaviors in microgravity are considerably different from those in normal gravity due to the absence of natural convection.
Experimental investigation on flame spread along suspended droplet arrays have been conducted with various droplet spacings and ambient air velocities. Especially, an opposed air stream is introduced to simulate fundamental flame spread behaviors in spray combustion. High-speed chemiluminescence imaging technique of OH radicals has been adopted to measure flame spread rates and to observe various flame spread behaviors. The fuel used is n-Decane and the air velocity varies from 0 to 17cm/s. The pattern of flame spread is grouped into two: a continuous mode and an intermittent one. It is found that there exists droplet spcings, above which flame spread does not occur. The increase of ambient air velocity causes the limit droplet spacing of flame spread to become small due to the increase of apparent flame stretch. As the ambient air velocity decreases, flame spread rate increases and then decreases after taking a maximum flame spread rate. This suggests that there exists a moderate air flowing to give a maximum flame spread rate due to enhanced chemical reaction by the increase of oxidizer concentration.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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