Effects of ambient geometry on the liftoff characteristics are experimentally studied for nonpremixed turbulent jet flames. To clarify the inconsistency of the nozzle diameter effect on the liftoff height, the ambiences of finite and infinite domains are studied. For nonpremixed turbulent jet issuing from a straight nozzle to infinite domain, flame liftoff height increases linearly with nozzle exit mean velocity and is independent of nozzle diameter. With the circular plate installed on the upstream of nozzle exit, flame liftoff height is lower with plate at jet exit than without, but flame liftoff characteristics are similar to the case of infinite domain. For the confined jet having axisymmetric wall boundary, the ratio of the liftoff height and nozzle diameter is proportional to the nozzle exit mean velocity demonstrating the effect of the nozzle diameter on the liftoff height. The liftoff height increases with decreasing outer axisymmetric wall diameter. At blowout conditions, the blowout velocity decreases with decreasing outer axisymmetric wall diameter and liftoff heights at blowout are approximately 50 times of nozzle diameter.
When the fuel jet velocity is smaller than coflow velocity, the trend of decreasing liftoff height of highly diluted propane lifted flame with coflow velocity is observed experimentally. To investigate the mechanism of decreasing liftoff height with coflow velocity, lifted flames in propane jet has been studied numerically. Using one-step overall reaction mechanism the liftoff heights have been calculated for four cases of coflow velocity. The simulation agrees qualitatively with experimental observation that the liftoff height decreases with coflow velocity. As coflow velocity increases, the streamlines between nozzle and lifted flame diverge in radial direction due to the difference of momentum between coflow jet and fuel jet such that the local flow velocity ahead of lifted flame base decreases resulting in decrease of the liftoff height with coflow velocity.
High voltage AC electric field has been applied to turbulent propane jets to investigate the effect of electric field on liftoff characteristics. Liftoff velocity and liftoff height have been measured by varying the applied voltage and frequency. Liftoff velocities were delayed and liftoff heights were reduced by applying AC, not by DC. The electric effect became disappeared with further increasing jet velocities, which shows that the effect can be explained by the balance between inertia force and electric force. The flame stabilization effect was intensified as either applied voltage or frequency increased. Plasma streamers were generated between the flame and the jet under high voltage conditions. Liftoff velocity in the absence of plasma can be well correlated by the function of voltage and frequency.
Characteristics of lifted flame for highly diluted propane with nitrogen in high temperature coflowing air have been experimentally investigated, and the stabilization mechanism of lifted flame in high temperature air coflow have been proposed. As the coflow temperature increases, the liftoff height of flame decreased due to the increase of stoichiometry laminar burning velocity. At same coflow temperature, the difference of liftoff height between the fuel mole fractions has been disappeared by scaling the liftoff velocity with stoichiometry laminar burning velocity. It has been found that lifted flame can be stabilized for even smaller fuel velocity than stoichiometry laminar burning velocity. This can be attributed to buoyancy effect and the liftoff velocity characteristics for coflow temperature support it.
The enhancement of flame stability in coflow jets has been investigated experimentally by observing the liftoff behaviors of nonpremixed propane and methane flames in the electric fields. The liftoff or blowoff velocities has been measured in terms of the applied AC voltages and frequency. The experimental results showed that the liftoff velocity could be extended significantly just by applying the high voltage to the central fuel nozzle both for propane and methane. As increasing the applied voltage, the liftoff velocity increases almost linearly with the applied voltage and have its maximum value at certain applied voltage. After that, the liftoff velocity showed decrease with the applied voltage. Through the experimental observation, we found that the liftoff velocity could be correlated well with the applied voltage and frequency in the linearly increasing regime. And after having maximum in the liftoff velocity, it was observed that the liftoff velocity decreases with the applied voltage irrespective of AC frequencies. To visualize the change of flame structure with electric fields, planar laser induced fluorescence technique was adopted, and the enhancement of flame stability has been explained based on the flame structural change in electric fields.
부상화염에 대한 연소반응 유동 수치해석을 수행하여 부상높이에 대한 기존 연구 결과들과 비교를 통하여 수치해석 결과의 신뢰성을 검정하였다. 화염전파속도를 결정하는 유동방향변환점을 기존의 연구에서처럼 연료분출속도에 상관없이 일률적인 위치로 선정할 경우 많은 오차를 유발하기 때문에 본 연구에서는 부상화염에서 이론당량비선을 따라 유동속도와 스칼라 소산율 특성을 살펴보았고 화염전파속도를 선정하는 유동방향변환점을 타당하게 선정하는 방법을 정립하였다. 이를 토대로 화염전파속도와 스칼라소산율의 관계식을 도출하여 부상화염에서 화염전파속도 특성을 규명하였다.
We have presented characteristics of a transitional behavior from a premixed flame to a triple flame in a lifted flame according to the change of equivalence ratio. The experimental apparatus consisted of a slot burner and a contraction nozzle for a lifted flame. As concentration difference of the both side of slot burner increases, the shape of flame changed from a premixed flame to a triple flame, and the liftoff height decreased to the minimum value and then increased again. Around this minimum point, it is confirmed a transition regime from premixed flame to triple flame. Consequently, the experimental results of the liftoff height, flame curvature, and luminescence intensity showed that the stabilized laminar lifted flame regime is categorized by regimes of premixed flame, triple flame and critical flame.
To understand hydrogen jet liftoff height, the stabilization mechanism of turbulent lifted jet flames under non-premixed conditions was studied. The objectives were to determine flame stability mechanisms, to analyze coexistence of two different flame structure, and to characterize the lifted jet at the flame stabilization point. Hydrogen flow velocity varied from 100 to 300 m/s. Coaxial air velocity was changed from 12 to 20 m/s. Simultaneous velocity field and reaction zone measurements used, PIV/OH PLIF techniques with Nd:YAG lasers and CCD/ICCD cameras. Liftoff height decreased with the increase of fuel velocity. The flame stabilized in a lower velocity region next to the faster fuel jet due to the mixing effects of the coaxial air flow. The flame stabilization was related to turbulent intensity and strain rate assuming that combustion occurs where local flow velocity and turbulent flame propagation velocity are balanced. At the flame base, two different flame structures were found that was the partial premixed flames and premixed flame.
The effect of electric fields on the stability of non-premixed laminar lifted flame in coflow jets has been investigated by applying high voltage alternative current (AC) to the nozzle of propane fuel. The stable lifted flame which exist in far field of jets, the liftoff height was not effected by applied voltage. This implies that the cold jet between the nozzle and flame base can be analyzed with the previous cold jet theory. Flame liftoff and reattachment velocities were also measured as function of applied voltage and frequency. The fuel jet velocity at flame liftoff and reattachment increased with increasing voltage, implying that the range of flame srability can be extended with the AC charging. However the liftoff velocity increased with frequency of AC charging on nozzle, whereas the reattachment velocity decreases with frequency. The liftoff and reattachment velocities were correlated linearly with voltage considering the effects of frequency.
The effects of nozzle arrangements, nozzle distances and fuel flowrates on the flame stabilities such as flame length, liftoff height and blowout characteristics are investigated experimentally. Three nozzle arrangements - diamond 4 nozzle, linear 5 nozzle, cross 5 nozzle- are used. Flame interactions result in the increase of the blowout flowrates and constant turbulent liftoff heights. The flames separated about 10 nozzle diameters are sustained as nozzle attached flames to the higher fuel flowrates than the other separation cases. Normally flames are extinguished at the lifted states. Blowout flowrates are affected by the nozzle configuration, nozzle seperation distance. Blowout flowrates for the diamond- or cross- shaped nozzle arrangements are parabolic function of nozzle distances. Maximum blowout flowrates for the 5 nozzle configuration case except linear one is about 2.9 times that of single equivalent nozzle case. Turbulent liftoff heights are not function of flowrates for the interacting flames.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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