Park, Jin Wook;Park, Jeong;Yun, Jin-Han;Keel, Sang-In
한국연소학회:학술대회논문집
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2014.11a
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pp.81-84
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2014
A Experimental study on flame extinction behavior was investigated using He curtain flow with counter triple co-flow burner. Buoyancy force was suppressed up to a microgravity level of $10^{-2}-10^{-3}g$ by using He curtain flow. The stability maps were provided with a functional dependency of diluent mole fraction and global strain rate to clarify the differences in flame extinction behavior. The flame extinction curves had C-shapes at various global strain rates. The oscillation and extinction modes were different each other in terms of the global strain rate, and the flames extinction modes could be classified into five modes such as (I) and (II): an extinction through the shrinkage of the outmost edge flame forward the flame center after self-excitation and without self-excitation, respectively, (III): an extinction through rapid advancement of a flame hole while the outmost edge flame is stationary, (IV): self-excitation occurs in the outermost edge flame and the center edge flame and then a donut shaped flame is formed and/or the flame is entirely extinguished, (V): shrinkage of the outermost edge flame without self-excitation followed by shrinkage or survival of the center flame. These oscillation and extinction modes could be identified well to the behavior of edge flame. The result also showed that the edge flame was influenced significantly by the conductive heat losses to the flame center or ambient He curtain flow.
A turbulent combustion model, based on edge flame dynamics, is discussed in order to predict global extinction of turbulent flames. The model is applicable to the broken flamelet regime of turbulent combustion, in which global extinction of turbulent flame is achieved by gradual expansion of flame holes. The edge flame dynamics is the key mechanism to describe the flame hole expansion or contraction. For flames with Lewis numbers near unity, there is a $Damk{\ddot{o}}hler$ number, namely the crossover $Damk{\ddot{o}}hler$ number, at which edge flame changes its direction of propagation. The parametric region between the quasi-steady extinction condition and the edge-flame crossover condition is a metastable region, in that flames without edge can stay in their burning states while flames with edge have to retract to expand quenching holes. Using the above properties of edge flame, Hartley and Dold proposed a Lagrangian hole dynamics, which allows us to simulate transient variation of quenching holes. In their model, each stoichiometric surface is subjected to a random sequence of scalar dissipation rate compatible to the equilibrium turbulence. Then, each stoichiometric surface will evolve, according to the combustion map, dependent on the scalar dissipation rate and existence of flame edge, If all the burning surfaces are annihilated, the event can be declared as a global extinction. The consequence obtained from the above model also can be used as a subgrid model to determine local extinction occurring in a calculation grid.
Edge flames have been interested as a basic structure that is concerned to flame stabilization and re-ignition of non-premixed flames. The edge flame consists of a lean premixed flame, a rich premixed flame, and a diffusion flame. In order to investigate fundamental structures of the edge flames at the conditions near the flammability limits, edge flames were stabilized within a heated narrow channel. Highly diluted partially premixed methane was used, and the flow rates of air and the partially premixed mixture were controlled. Various flame behaviors, including a transition between ordinary edge flames and premixed flames, were observed. Flame stabilization characteristics were examined as well. All flame stabilization conditions in this study showed a similar trend: characteristic time scales were inversely proportional to the equivalence ratio defined at the burner inlet. Finally, an interesting flame structure having a weak diffusion branch enveloped by a closed premixed branch was found near the flammability limits even in a fuel-air mixing layer. This structure was named as a "flame-drop" and the importance of this structure was first suggested.
Park, June-Sung;Park, Jeong;Lee, Kee-Man;Kim, Jeong-Soo;Kim, Sung-Cho
한국연소학회:학술대회논문집
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2007.05a
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pp.145-152
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2007
The dynamic behaviors of counterflow non-premixed flame have been investigated experimentally to study effects of heat losses on edge flame oscillation, which result from the advancing and retreating edge flame motion of outer flame edge at low strain rate flame. For low strain rate flame, lateral conduction heat loss in addition to radiation heat loss could be more remarkable than the others. Oscillatory instabilities appear at fuel Lewis number greater than unity. But excessive lateral conduction heat loss causes edge flame instability even at fuel Lewis number less than unity. The dramatic change of burner diameters in which flame length is an indicator of lateral conduction heat loss was applied to examine the onset condition of edge flame oscillation and flame oscillation modes. Especially, extinction behaviors quite different from the previous study were observed.
Park, June-Sung;Kim, Hyun-Pyo;Park, Jeong;Kim, Jeong-Soo;Keel, Sang-In
한국연소학회:학술대회논문집
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2006.10a
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pp.65-72
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2006
Experiments in methane-air low strain rate counterflow diffusion flames diluted with nitrogen have been conducted to study the behavior of flame extinction and edge flame oscillation in which flame length is less than the burner diameter and thus lateral conduction heat loss in addition to radiative heat loss could be remarkable at low global strain rates. Critical mole fraction at flame extinction is examined with velocity ratio and global strain rate. Onset conditions of edge flame oscillation and flame oscillation modes are also provided with global strain rate and added nitrogen mole fraction to fuel stream (fuel Lewis number). It is seen that flame length is closely relevant to lateral heat loss, and this affects flame extinction and edge flame oscillation considerably. Edge flame oscillations in low strain rate flames are experimentally described well and are categorized into three: a growing oscillation mode, a decaying oscillation mode, and a harmonic oscillation mode. The regime of flame oscillation is also provided at low strain rate flames. Important contribution of lateral heat loss even to edge flame oscillation is clarified.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.30
no.9
s.252
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pp.905-912
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2006
Experiments in low strain rate methane-air counterflow diffusion flames diluted with $CO_2$ have been conducted to investigate the flame extinction behavior and edge flame oscillation in which flame length is less than the burner diameter and thus lateral conductive heat loss in addition to radiative loss could be remarkable at low global strain rates. The critical mole fraction at flame extinction is examined in terms of velocity ratio and global strain rate. It is seen that flame length is closely relevant to lateral heat loss, and this sheets flame extinction and edge flame oscillation considerably. Lateral heat loss causes flame oscillation even at fuel Lewis number less than unity. Edge flame oscillations are categorized into three: a growing-, a harmonic- and a decaying-oscillation mode. Onset conditions of the edge flame oscillation and the relevant modes are examined with global strain rate and $CO_2$ mole fraction in fuel stream. A flame stability map based on the flame oscillation modes is also provided at low strain rate flames.
Leading front of a lifted diffusion flame in turbulent mixing layer was investigated in order to find a appropriate definition of the turbulent edge propagation speed. The turbulent lifted diffusion flame was simulated by employing the flame hole dynamics combined with level-set method which yields a temporally evolving turbulent extinction process. By tracing the leading front locations of the temporal flame edges, temporal variations of the liftoff height, local flow velocity, and edge propagation speed at the leading front were investigated and they demonstrated the flame-stabilization condition of the turbulent lifted flame. Finally, a turbulent edge propagation speed was defined and its temporal variation from the simulation was discussed.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.36
no.2
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pp.181-188
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2012
The present study on nitrogen-diluted non-premixed counterflow flames with finite burner diameters experimentally investigates the important role of the outer edge flame in flame extinction. Flame stability diagrams mapping the flame extinction response of nitrogen-diluted non-premixed counterflow flames to varying global strain rates in terms of the burner diameter, burner gap, and velocity ratio are explored. There exists a critical nitrogen mole fraction beyond which the flame cannot be sustained, and also the curves of the critical nitrogen mole fraction versus the global strain rate have C-shapes in terms of burner diameter, burner gap, and velocity ratio. In flames with sufficiently high strain rates, the curves of the critical nitrogen mole fractions versus global strain rate collapse into one curve, and the flames can have the 1-D flame response of typical diffusion flames. Three flame extinction modes are identified: flame extinctions through the shrinkage of the outer edge flame with and without an oscillation of the outer edge flame prior to the extinction and flame extinction through a flame hole at the flame center. The measured flame surface temperature and a numerical evaluation of the fractional contribution of each term in the energy equation show that the radial conductive heat loss at the flame edge destabilizes the outer edge flame, and the conductive and convection heat addition to the outer edge from the trailing diffusion flame stabilizes the outer edge flame. The radial conductive heat loss at the flame edge is the dominant extinction mechanism acting through the shrinkage of the outer edge flame.
Experiment is conducted to grasp effects of flame curvature on flame behavior in laminar lifted-jet flames. Nozzle diameters of 0.1 and 1.0mm are used to vary flame curvature of edge flame. There exist three types of edge flame oscillation. These edge flame oscillations may be caused by radial heat loss at all flame conditions, by fuel Lewis numbers near or larger than unity with the help of appreciable radial conduction heat loss, and by buoyancy effects. These are confirmed by the analysis of oscillation frequencies. It is however seen that the change of lift-off height through edge-flame oscillation is mainly due to radial heat loss irrespective of Lewis number and buoyancy.
The dynamic behaviors of counterflow non-premixed flame have been investigated experimentally to study effects of heat losses and Lewis number on edge flame oscillation, which result from the advancing and retreating edge flame motion of outer flame edge at low strain rate flame. For low strain rate flame, lateral conduction heat loss in addition to radiation heat loss could be more remarkable than the others. Oscillatory instabilities appear at fuel Lewis number greater than unity. But excessive lateral conduction heat loss causes edge flame instability even at fuel Lewis number less than unity. The excessive heat loss caused by the smaller burner diameter in which the flame length is an indicator of lateral conduction heat loss extends the region of flame oscillation and accelerates oscillatory instability in comparison to the previous study with the burner diameter of 26mm. Extinction behaviors quite different from the previous study are also addressed.
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