Experiments on corresponding jet flames with stagnant point diffusion flames have been carried out in initial injection periods. A compensated measurement of maximum flame temperature, which is based on the ion signal, has been employed to inspect flame responses to time-varying strain rates. The flame responses are obtained at two conditions for the slowly time-varying strain rate and the case of flame extinction, and analyzed to confirm similarity between a stagnant point diffusion flame and an evolving jet diffusion flame. Nonsteady effects are addressed via the comparison between several time scales. The time variation with low strain rates, in which illustrates the flame behavior of the upper branch far from extinction in the well-known S-curve, is confirmed to produce a quasi-steady flame response through the nonsteady experiments. The time variation with strain rates in the case of flame extinction indicates an unsteady effect of flame response. It is therefore found that the flame responses near jet tip depend on time histories of characterized strain rates in the developing process.
Steady-state structure and acoustic pressure responses of GH$_2$-LOx diffusion flames in stagnation-point flow configuration have been studied numerically with a detailed chemistry to investigate the acoustic instabilities. The Rayleigh criterion is adopted to judge the instability of the GH$_2$-LOx flames from amplification and attenuation responses at various acoustic pressure oscillation conditions for near-equilibrium to near-extinction regimes. Steady state flame structure showed that the chain branching zone is embedded in surrounding two recombination zones. The acoustic responses of GH$_2$-LOx flame showed that the responses in near-extinction regime always have amplification effect regardless of realistic acoustic frequency. That is, GH$_2$-LOx flame near-extinction is much sensitive to pressure perturbation because of the strong effect of a finite-chemistry.
The extinction behavior and the unsteady response of augmented reduced mechanism(ARM) have been investigated by adopting an OPPDIF code and a numerical solver for the flamelet equations. By comparing the performance of the ARM based on Miller and Bowman's mechanism(MB-ARM) with that of the ARM based on GRI-Mech 3.0(GRI-3.0-ARM), it is identified that the MB-ARM is more suitable for the unsteady calculation because it is relatively less stiff than GRI-3.0-ARM during an ignition process. The steady results using the MB-ARM, which is modified to predict reasonably the extinction point of experiment, are in excellent agreement with those from full mechanism. Under the sinusoidal transient disturbances of scalar dissipation rate, the unsteady responses of the flame temperature and species concentrations using a modified MB-ARM show in very close agreement with those from full mechanism. It is presumed that above modified MB-ARM is very suitable for the unsteady simulation of turbulent flames because it gives not only a low computational cost but also a good prediction performance for flame structure, extinction point and unsteady response.
대향류 비예혼합 연료-공기 유동장에서 고온연료의 점화특성과 형성된 화염의 소화특성에 미치는 복사효과에 대해 수치계산을 통해 검토하였다. 화학반응의 계산을 위해 GRI-v3.0의 상세화학반응기구를 사용하였으며, 단열계산과 광학적으로 얇은 복사모델을 적용하여 계산을 수행하였다. 대향류 유동장의 점화와 소화점을 정확히 찾기 위하여 화염제어 연속계산법을 적용하였다. 결과를 통해 스트레인율 변화에 대해 최고 온도보다는 최고 H 라디칼 농도가 점화와 소화거동을 이해하는데 더 적합하다는 것을 확인하였다. 최고 H 라디칼 농도변화 거동을 통해 기존에 알려진 S-곡선, C-곡선 및 O-곡선 등을 확인하였다. 복사열손실 분율($f_r$)과 공간에 대해 적분된 열발생률(IHRR)을 통해 $f_r$이 가장 큰 점에서 복사효과에 의한 소화가 발생하였으며, 화염신장 소화점에서는 IHRR이 가장 높지만 화염에서의 전도에 의한 열손실로 인해 소화가 되는 것을 확인하였다. 복사는 화염신장 소화점에는 거의 영향이 없지만 복사 소화점과 점화점에는 큰 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 또한 연료의 온도가 높아질수록 복사에 의한 소화점의 스트레인율과 화염신장에 의한 스트레인율 사이의 영역이 넓어지게 되어 화염 안정성이 향상되고 있음을 알 수 있었다.
Flame structure and extinction mechanism of counterflow methane/air non-premixed flame diluted with nitrogen are studied by NASA 2.2 s drop tower experiments and two-dimensional numerical simulations with finite rate chemistry and transport properties. Extinction mechanism at low strain rate is examined through the comparison among results of microgravity experiment, 1D and 2D simulations with a finite burner diameter. A two-dimensional simulation in counterflow flame especially with a finite burner diameter is shown to be very important in explaining the importance of multidimensional effects and lateral heat loss in flame extinction, effects that cannot be understood using a one-dimensional flamelet model. Extinction mechanism at low strain rate is quite different from that at high strain rate. Low strain rate flame is extinguished initially at the outer flame edge, the flame shrinks inward, and finally is extinguished at the center. It is clarified from the overall fractional contribution by each term in energy equation to heat release rate that the contribution of radiation fraction with 1D and 2D simulations does not change so much and the overall fractional contribution is decisively attributed to radial conduction ('lateral heat loss'). The experiments by Maruta et at. can be only completely understood if multi-dimensional heat loss effects are considered. It is, as a result, verified that the turning point, which is caused only by pure radiation heat loss, has to be shifted towards much lower global strain rate in microgravity flame.
Extinction characteristics of hydrogen-air diffusion flames at various pressures are investigated numerically by adopting counterflow flame configuration as a model flamelet. Especially, effect of radiative heat loss on flame extinction is emphasized. Only gas-phase radiation is considered here and it is assumed that $H_2O$ is the only radiating species. Radiation term depends on flame thickness, temperature, $H_2O$ concentration, and pressure. From the calculated flame structures at various pressures, flame thickness decreases with pressure, but its gradient decreases at high pressure. Flame temperature and mole fraction of $H_2O$ increase slightly with pressure. Accordingly, as pressure increases, radiative heat loss becomes dominant. When radiative heat loss is considered, radiation-induced extinction is observed at low strain rate in addition to transport-induced extinction. As pressure increases, flammable region, where flame is sustained, shifts to the high-temperature region and then, shrunk to the point on the coordinate plane of flame temperature and strain rate. The present numerical results show that radiative heat loss can reduce the operating range of a combustor significantly.
The effects of strain rate and preferential diffusion of $H_2$ on flame extinction are numerically studied in interacting premixed syngas-air flames with fuel compositions of 50% $H_2$ + 50% CO and 30% $H_2$ + 70% CO. Flame stability diagrams mapping lower and upper limit fuel concentrations at flame extinction as a function of strain rate are examined. Increasing strain rate reduces the boundaries of both flammable lean and rich fuel concentrations and produces a flammable island and subsequently even a point, implying that there exists a limit strain rate over which interacting flame cannot be sustained anymore. Even if effective Lewis numbers are slightly larger than unity on extinction boundaries, the shape of the lean extinction boundary is slanted even at low strain rate, i.e. $a_g=30s^{-1}$ and is more slanted in further increase of strain rate, implying that flame interaction on lean extinction boundary is strong and thus hydrogen (as a deficient reactant) Lewis number much less than unity plays an important role of flame interaction. It is also shown that effects of preferential diffusion of $H_2$ cause flame interaction to be stronger on lean extinction boundaries and weaker on rich extinction boundaries. Detailed analyses are made through the comparison between flame structures with and without the restriction of the diffusivities of $H_2$ and H in symmetric and asymmetric fuel compositions. The reduction of flammable fuel compositions in increase of strain rate suggests that the mechanism of flame extinction is significant conductive heat loss from the stronger flame to ambience.
Nonlinear dynamics of pulsating instability in radiating counterflow diffusion flames is numerically investigated by imposing Damk$\ddot{o}$hler number perturbation. Stable limit-cycle solutions occur in small ranges of Damk$\ddot{o}$hler numbers past bifurcation point of instability. Period doubling cascade and chaotic behaviors appear just before dynamic extinction occurs. Nonlinear dynamics is also studied when large disturbances are imposed to flames. For weak steady flames, the dynamic extinction range shrinks as the magnitudes of disturbances are increased. However, strong steady flames can overcome relatively large disturbances, thereby the dynamic extinction range extending. Stable limit-cycle behaviors reappears prior to dynamic extinction when the steady flames are strong enough.
The extinction of premixed flames under the influence of stretch is studied numerically. A wide range of fuel (hydrogen, ethylene, acetylene, methane, propane and methanol) and air mixtures are established in an opposed jet and their flame properties such as flame speed, flame thickness, thermal diffusivity, and stretch rate at extinction are computed. Computations are made using several chemical kinetic mechanism (Smooke, Kee et al. and Peters). The major result is that, in contrast to the various previous claims of extinction Karlovitz number varying over three orders of magnitude, it is found to be constant around two for all of the mixtures tested. That is, premixed flames are extinguished when the physical flow time decreases (due to increased stretch rate) to the point where it approximately equals the chemical reaction time. Here the relevant chemical reaction time is not the one computed using the one-dimensional flame properties as originally suggested in the formulation of Karlovitz number, but rather it is the one obtained using the stretched flame properties which fully reflect the effect of straining on the flame structure.
Experiments are conducted to elucidate effects of counterflow burner diameter on flame extinction behaviors in C-curve. Present experimental results with burner diameters of 18, 26, and 50 mm in normal-gravity are compared with the numerical result of Oppdif code as well as the previous experimental results in micro-gravity. The turning point migrates to a higher global strain rate as burner diameter decreases. It is shown that the C-curve with the burner diameter of 50mm is best-fitted to the numerical result of Oppdif code and the previous micro-gravity results also excurse to the numerical result. This suggests that the precise C-curve can be obtained only with an appreciably large burner. The main reason why these differences appear is shown to be attributed to the transition of shrinking flame disk to flame hole due to strong effects of radial conduction heat loss, which is the typical extinction characteristics of low strain rate flames with a finite burner diameter in a counterflow diffusion flame.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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