Three-dimensional numerical analysis of the turbulent premixed flame propagation in a constant volume combustion chamber is performed using the KIVA-3V code (Amsden et. al. 1997) by the flame surface density (FSD) model. A simple near-wall boundary condition is eaployed to describe the interaction between turbulent premixed flame and the wall. A mean stretch factor is introduced to include the stretch and curvature effects of turbulence. The results from the FSD model are compared with the experimental results of schlieren photos and pressure measurements. It is found that the burned mass rate and flame propagation by the FSD model are in reasonable agreement with the experimental results. The FSD combustion model proved to be effective for description of turbulent premixed flames.
The propagation speed of tribrachial flame in laminar propane jets has been investigated experimentally under normal and micro gravity conditions. The displacement speed was found to vary nonlinearly with axial distance because flow velocity along stoichiometric contour was comparable to the propagation speed of tribrachial flame for the present experiment. Approximate solutions for velocity and concentration accounting density difference and virtual origins have been used in determining the propagation speeds of tribrachial flame. Under micro gravity condition, the results showed that propagation speed of tribrachial flame is largely affected by the mixture fraction gradients, in agreement with previous studies. The limiting maximum value. of propagation speeds under micro gravity conditions are in good agreement with the theoretical prediction, that is, the ratio of maximum propagation speed to the stoichiometric laminar burning velocity is proportional to the square root of the density ratio of unburned to burnt mixture.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.34
no.2
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pp.250-258
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2010
A numerical analysis of reactive flow in a liftoff flame is accomplished to elucidate the characteristics of flame propagation velocity and volume integral of reaction rate with the variation of nozzle diameter and fuel injection flow rate in a liftoff flame consisted with fuel rich region, fuel lean region and diffusion flame region. The increase of fuel injection velocity enhances flame propagation velocity for the selected three nozzle diameter(d=0.25, 0.30, 0.35mm), but its effect on the flame propagation velocity is not much greater than 4.3%. The increase of fuel flow rate is directly and linearly related with the volume reaction rate and so the volume reaction rate, not the flame propagation velocity, might be considered to accommodate the variation of fuel flow rate in a liftoff flame.
Partial quenching structure of turbulent diffusion flames in a turbulent mixing layer is investigated by the method of flame hole dynamics to develope a prediction model for the turbulent lift off. The present study is specifically aimed to remedy the problem of the stiff transition of the conditioned partial burning probability across the crossover condition by adopting level-set method which describes propagating or retreating flame front with specified propagation speed. In light of the level-set simulations with two model problems for the propagation speed, the stabilizing conditions for a turbulent lifted flame are suggested. The flame hole dynamics combined with level-set method yields a temporally evolving turbulent extinction process and its partial quenching characteristics is compared with the results of the previous model employing the flame-hole random walk mapping. The probability to encounter reacting' state, conditioned with scalar dissipation rate, demonstrated that the conditional probability has a rather gradual transition across the crossover scalar dissipation rate in contrast to the stiff transition of resulted from the flame-hole random walk mapping and could be attributed to the finite response of the flame edge propagation.
Flame propagation in a four-valve spark-ignition optical engine was visualized under lean-bum conditions with A/F=18 at 2000rpm. The early flame development in a four-valve pentroof-chamber single-cylinder engine was examined with imaging of the laser-induced Mie scattered light using an image-intensified CCD camera. Flame profiles along the line-of-sight were also visualized through a quartz piston window. Two-dimensional flame structures were visualized with a Proxitronic HF-1 fast motion camera system by Mie scattering from titanium dioxide particles along a planar laser sheet generated by a copper vapor laser. The flame propagation images were subsequently analysed with an image processing programme to obtain information about the flame structure under different tumble flow conditions generated by sleeved and non-sleeved intake ports. This allowed enhancement of the flame images and calculation of the enflamed area, and the displacement of its center, as a function of the tumble flow induced by the pentroof-chamber in the vicinity of spark plug. Image processing of the early flame development quantified the correlation between flame and flow characteristics near the spark plug at the time of ignition which has been known to be one of the most important factors in cyclic combustion variations in lean-burn engines. The results were also compared with direct flame images obtained from the natural flame luminosity of the lean mixture.
Partial quenching structure of diffusion flames in a turbulent mixing layer has been investigated by the method of flame hole dynamics in oder to develope a prediction model for the phenomenon of turbulent flame lift off. The present study is specifically aimed to remedy the shortcoming of the stiff transition of the conditioned partial burning probability across the crossover condition by employing the level-set method which enables us to include the effect of finite flame edge propagation speed. In light of the level-set simulation results with two models for the edge propagation speed, the stabilizing conditions for turbulent lifted flame are suggested. The flame hole dynamics combined with the level-set method yields a temporally evolving turbulent extinction process and its partial quenching characteristics is compared with the results of the previous model employing the flame-hole random walk mapping based on three critical scalar dissipation rates. The probability to encounter reacting state, conditioned with scalar dissipation rate, demonstrated that the conditional probability has a rather gradual transition across the crossover scalar dissipation rate. Such a smooth transition is attributed to the finite response of the flame edge propagation.
Propagation characteristics of tribrachial flames have been investigated experimentally in both two-dimensional and axisymmetric counterflows. Mixture fraction gradient at stoichiometric location is controlled by varying equivalence ratios at the two nozzles, one of which maintains rich while the other lean premixture. Tribrachial flames propagating through these mixtures are investigated. The propagation speed of tribrachial flames in two-dimensional counterflow decreases with fuel concentration gradient and has much higher speed than the maximum speed predicted previously in two-dimensional mixing layers. From an analogy with premixed flame propagation, this excessively large propagation speed can be attributed to the tribrachial flame propagating with respect to burnt gas. Corresponding maximum speed in the limit of small mixture fraction gradient is estimated and extrapolated experimental results substantiate this limiting speed. As mixture fraction gradient approaches zero, a transition in propagation characteristics occurs, such that the propagation speed of tribrachial flame approaches stoichiometric laminar burning velocity with respect to burnt gas. Similar behavior has been obtained for tribrachial flames propagating in axisymmetric counterflow.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.3
no.2
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pp.136-145
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1995
The aim of this study is to gain a better understanding of the effect of a flow motion on the flame development by means of an optically-accessible constant-volume combustion chamber and the visualization technique of a combustion flame. At first, the characteristics of a flame propagation are investigated in the combustion field of the two kinds of flow conditions such as a quiescent and a flowing condition, and methane-air mixture is used as fuel. Then the same investigation is performed in two flow configurations : bulk flow motion type and turbulence generating type. In this study, the combustion phenomena are analyzed by measuring the combustion pressure, flame propagation speed, mean velocity, turbulent intensity, and mass fraction burned.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.19
no.6
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pp.1510-1517
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1995
A theoretical method is described to simulate the propagation of turbulent premixed flames in a closed vessel. The objective is to develop and test an efficient technique to predict the propagation speed of flame as well as the geometric structure of the flame surfaces. Flame is advected by the statistically generated turbulent flow field and propagates as a wave by solving twodimensional Hamilton-Jacobi equation. In the simulation of the unburned gas flow field, following turbulence properties were satisfied: mean velocity field, turbulence intensities, spatial and temporal correlations of velocity fluctuations. It is assumed that these properties are not affected by the expansion of the burned gas region. Predictions were compared with existing experimental data for flames propagating in a closed vessel charged with hydrogen/air mixture with various turbulence intensities and Reynolds numbers. Comparisons were made in flame radius growth rate, rms flame radius fluctuations, and average perimeter and fractal dimensions of the flame boundaries. Two dimensional time dependent simulation resulted in correct trends of the measured flame data. The reasonable behavior and high efficiency proves the usefulness of this method in difficult problems of flame propagation such as in internal combustion engines.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.16
no.6
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pp.1-8
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2012
An experimental study has been conducted to scrutinize into the influence of ultrasonic standing wave on the propagating behavior and structural stabilization of propane/air premixed flame at various equivalence ratios in half-open rectangular duct. Evolutionary features of the flame fronts are caught by high-speed images, and the variation of flame structure and local flame velocities along the propagation are analyzed. It is revealed that the propagation velocity agitated by the ultrasonic standing wave is greater than that without the agitation: the velocity enhancement diminishes as the equivalence ratio approaches the stoichiometric. Influence of standing wave on the flame overwhelms that of the buoyancy which slants the flame front towards top of the duct, and thus the standing wave contributes to the structural stabilization of propane/air premixed flame.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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