Meso-scale combustion is defined as combustion phenomena within limited characteristic length scales that are comparable with the laminar flame length scales. In the laminar flame theory, four representative length scales have been involved; i.e., a reaction layer thickness, a thermal layer thickness, a quenching distance, and a Markstein length. When the effects of these length scales on the flame characteristics are understood, the laminar flame theories can be clarified. Therefore, a study on the meso-scale combustion phenomena should not be thought as just a specific phenomena occurring in an exceptional combustion condition. Instead, all combustion phenomena within meso-scale spaces need to be explained by our knowledge. During this challenge, our understanding on laminar flame structures can be extended. Considering that most turbulent combustion phenomena in engineering application are still have local laminar flame structures, studies on laminar flame structures need to be re-visited especially in academic aspects.
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.
Structure of the counterflow nonpremixed flames were investigated by using Fire Dynamics Simulator(FDS) and OPPDIF to evaluate FDS for simulations of the diffusion flame. FDS, employed a mixture fraction formulation, were applied to the diluted axisymmetric methane-air nonpremixed counterflow flames. Fuel concentration in the mixture of methane and nitrogen was considered as a numerical parameter in the range from 20% to 100% increasing by 10% by volume at the global strain rates of $a_g = 20S^{-l} and 80S^{-1}$ respectively. In all the computations, the gravity was set to zero since OPPDIF is not able to compute the buoyancy effects. It was shown by the axisymmetric simulation of the flames with FDS that increasing fuel concentration increases the flame thickness and decreases the flame radius. The centerline temperature and axial velocity, and the peek flame temperature showed good agreement between the both methods.
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.32
no.5
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pp.351-358
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2008
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.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.4
no.4
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pp.78-86
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2000
The objective of this research is to understand the characteristics of a nonpremixed, turbulent, hydrogen jet flame which is stabilized in Mach 1.8 coflowing air flows. In order to investigate the flame structure, flame lengths and fuel trajectories were measured by using direct photography, acetone PLIF, Mie scattering techniques, and numerical simulation. Effect of increasing air velocity was investigated when fuel velocity is fixed. The subsonic flame length was decreased drastically, however the supersonic flame length was increased slowly Then the change of flame blow out characteristics was observed as varying fuel nozzle lip thickness. The flame stability can be increased when fuel nozzle lip thickness was increased, which indicates that the minimum fuel lip thickness ratio is required for the stable supersonic flames. Also, it is found that fuel jet is blocked by high pressure zone and low scattering zone is made. Then the fuel that was moving along the recirculation zone had longer residence time within the supersonic flames, which made partially premixed zone.
An, Hee Sung;Lee, Byeong Jun;Park, Chul-Woung;Park, Seung-Nam
한국연소학회:학술대회논문집
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2014.11a
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pp.357-358
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2014
Coherent anti-Stokes Raman spectroscopy is one of the best tools to measure temperature distributions in the flame. Since it does not disturb the flow field, it could be used to study anchoring mechanism especially in the lifted flame. However, the length of probe volume is, normally, much greater than flame thickness. This weak point was overcome with lens combination in this study. It was found out that no peculiar temperature changes was happened near tribrachial point and heat transfer to the upstream was minimal near the flame anchoring position.
The behaviors of flame propagation and quenching in a pipe were investigated to make a design criteria of flame arrester. The effects of sealing condition of pipe end, pipe diameter and lengh were studied, and also the effects of thickness of ceramic honycomb monolith on the quenching ability were discussed. Experimental results showed that the flame velocity in case of closed pipe was increased about twenty times faster than that of opened and the sealing coditions of pipe end and length showed significant effects on it. The quenching ability of ceramic honycomb monolith was Increased with thickness and coincided well with Palmer's equation.
Park, I.H.;Kim, M.K.;Won, S.H.;Cha, M.S.;Chung, S.H.
한국연소학회:학술대회논문집
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2006.10a
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pp.253-259
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2006
The effect of DC electric fields on the flame extinction was investigated experimentally in counterflow configurations for the methane/oxygen/nitrogen diffusion flame. The electric fields was applied by connecting the high voltage and ground terminals to the upper and lower burners, respectively. In case of having electric fields, several modes of flame extinction was observed according to the electric field intensity and strain rate defined by the exit velocity. To visualize and characterize the flame structure and intensity, planar LIF technique was adopted for OH radicals. Consequently, several length scales, including the flame width, thickness, and height from the burner tip, were introduced to explain the various flame behaviors and to characterize the flame extinctions. It was found that the variation of flame width and the chemical reaction are strongly related to a critical electric field intensity, thus the various modes of diffusion flame extinction could be observed due to the electric fields.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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