Experimental investigations are performed on the stability and the structure of bluff-body stabilized hydrogen flames. The velocities of coflow air are varied from subsonic to supersonic velocity of Mach 1.8 and OH PLIF images and Schilieren images are used for analysis. Three characteristic flame modes are classified into three regimes with the variation of fuel-air velocity ratio; a jet like flame, a central-jet dominated flame and a recirculation zone flame. Stability curves are drawn to find the blowout regimes and to show that flame stability is improved by increasing the lip thickness of fuel nozzle that works as bluff-body. $Damk{\ddot{o}hler$ number is adopted in order to scale the blowout curves of each flame obtained at different sizes of the bluff-body and all blowout curves are scaled successfully regardless of its bluff-body size.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.31
no.5
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pp.491-498
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2007
Flame characteristics of a methane-air premixed flame stabilized in a heat-regenerative small combustor were investigated experimentally. A small combustor having two counter-current shallow channels and a combustion space at one side was developed. In which the channel-gap was less the ordinary quenching distance of a stoichiometric methane-air premixed flame. Two design parameters of channel gap and thickness of the middle wall, which is located between two channels for unburned and burned gases, were varied. Flame stabilization conditions and characteristic flame behaviors were experimentally examined. Conclusively, Blowout conditions were governed mostly by the scale of the combustion space, and flashback conditions into the channel are dominated by the channel gap. Surface temperatures of the combustor were between 100 to 500$^{\circ}C$. Additionally, two distinctive flame stabilization modes of radiation and well-stirred?reaction were observed and their applicability was discussed.
Proceedings of the Korea Institute of Fire Science and Engineering Conference
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1997.11a
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pp.154-161
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1997
Several studies have developed upward flame spread models which use somewhat different features. However, the models have not considered the transient effects of the igniter and the burning rate. Thus, the objective of this study is to examine a generalized upward flame spread model which includes these effects. We shall compare the results with results from simpler models used in the past in order to examine the importance of the simplifying assumptions. We compare these results using PMMA, and we also include experimental results for comparison. The results of the comparison indicate that flame velocity depends on the thermal properties of a material, the specific model for flame length and transient burning rate, as well as other variables including the heat flux by igniter and flame itself. The results from the generalized upward flame spread model can provide a prediction of flame velocity, flame and pyrolysis height, burnout time and position, and rate of energy output as a function of time.
Proceedings of the Korea Institute of Fire Science and Engineering Conference
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2008.11a
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pp.17-20
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2008
Numerical simulations were performed for the prediction of the flame structure of a hydrocarbon flame interacting with a hydrogen flame. Methane was used as a hydrocarbon fuel in this study. The interaction of two 1D premixed flames established in counterflow geometry was investigated. The temperature of the flame interacting with each other was much higher and the flame thickness was wider at a global strain of $1000\;s^{-1}$ than normal methane flame.
Stability of laminar premixed planar flames inclined in gravitational field which generate vorticity is asymptotically examined. The flame structure is resolved by a large activation energy asymptotics and a long wave approximation. The coupling between hydrodynamics and diffusion processes is included and near-unity Lewis number is assumed. The results show that as the flame is more inclined from the horizontal plane it becomes more unstable due to not only the decrease of stabilizing effect of gravity but also the increase of destabilizing effect of rotational flow. The obtained dispersion relation involves the Prandtl number and shows the destabilizing effect of viscosity. The analysis predicts that the phase velocity of unstable flame wave depends on not only the flame angle but also the Lewis number. For relatively short wave disturbances, still much larger than flame thickness, the most unstable wavelength is nearly independent on the flame angle and the flame can be stabilized by gravity and diffusion mechanism.
Stability of laminar premixed planar flames inclined in the gravitational field is asymptotically examined. The flame structure is resolved by a large activation energy asymptotics and a long wave approximation. The coupling between hydrodynamics and diffusion processes is included and near-unity Lewis number is assumed. The results show that as the flame is more inclined from the horizontal plane it becomes more unstable due to not only the decrease of stabilizing effect of gravity but also the increase of destabilizing effect of rotational flow. The obtained dispersion relation involves the Prandtl number and shows the destabilizing effect of viscosity. The analysis predicts that the phase velocity of unstable flame wave depends on not only the flame angle but also the Lewis number. For relatively short wave disturbances, still much larger than flame thickness, the most unstable wavelength is nearly independent on the flame angle and the flame can be stabilized by gravity and diffusion mechanism.
The effect of adding carbon dioxide to methane-air flame was investigated experimentally. Measurements included extinction limits, flame temperature and photographic investigation of flame. A diffusion flame was stabilized between counterflowing streams of methane diluted with carbon dioxide and air diluted with carbon dioxide. Extinction limits and temperature for such flames were measured over a wide parametric range and were compared with those for other flames that fuel or oxidant was diluted with nitrogen or argon. The experimental results indicate that extinction phenomena can be explained by thermal effect and as an amount of carbon dioxide in fuel or oxidant increases, greatly as compared with other flames flame-temperature falls and flame-thickness is reduced.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.3
no.6
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pp.78-86
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1995
The structure of premixed turbulent flames in a constant-volume vessel was investigated using a microprobe method. The flame potential signal having one to eight peaks was detected in the case of turbulent flames, each of them being regarded as a flamelet existing in the flame zone. Based on this consideration, the flame propagation speed, the thickness of the flame zone, the number of flamelets and the separation distance between adjacent flamelets in the flame zone were measured. The experimental resuits of this work suggest the existence of "reactant islands" behind the flame front when the turbulence was intensified to some extent. The critical(lowest) ratio of turbulence intensity to the laminar burning velocity being found to be about 0.7 for the formation of reactant islands in this experiment.
The detachment stability characteristics of syngas $H_2$/CO jet attached flames were studied. The flame stability was observed while varying the syngas fuel composition, coaxial nozzle diameter and fuel nozzle rim thickness. The detachment stability limit of the syngas single jet flame was found to decrease with increasing mole fraction of carbon monoxide in the fuel. In hydrogen jet flames with coaxial air, the flame detachment stability was found to be independent of the coaxial nozzle diameter. However, velocities of appearance of liftoff and blowout velocities of lifted flames have dependence. At lower fuel velocity range, the critical coaxial air velocity leading to flame detachment increases with increasing fuel jet velocity, whereas at higher fuel velocity range, it decreases. This increasing-decreasing non-monotonic trend appears for all $H_2$/CO syngas compositions (50/50~100/0% $H_2$/CO). To qualitatively understand the flame behavior near the nozzle rim, $OH^*$ chemiluminescence imaging was performed near the detachment limit conditions. For all fuel compositions, local extinction on the rim is observed at lower fuel velocities(increasing stability region), while local flame extinction downstream of the rim is observed at higher fuel velocities(decreasing stability region). Maximum values of the non-monotonic trends appear to be identical when the fuel jet velocity is normalized by the critical fuel velocity obtained in the single jet cases.
Numerical simulations were performed for the prediction of the flame structure during the interaction between hydrogen and hydrocarbon flames. A counterflow flow geometry was introduced to establish the interacting two flames. Methane was used as a representative hydrocarbon fuel in this study. A well-known numerical code for the counterflow flame, OPPDIF, was used for the simulations. The detailed chemistry was adopted to predict the flame structure reasonably. The interaction of two one-dimensional premixed flames established in counterflow burner was investigated with the global strain rate and velocity ratio. It was found that the maximum temperature located near the methane flame surface while the heat release rate of methane was lower than hydrogen flame. The flame thickness become narrow with increasing the velocity ratio while the global strain rate was fixed. The local strain rate and heat release rate at the methane flame surface were correlated with the global strain rate, while those at the hydrogen flame were not correlated with the global strain rate. However, the maximum temperature of the interacting flames was correlated with the global strain rate.
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