Characteristics of lifted flames for highly diluted propane and methane with nitrogen in coflowing air is experimentally investigated. In case of propane, for various fuel mole fractions and jet velocities, three distinctive types of flames are observed; nozzle attached flames, stationary lifted flames, and oscillating lifted flames. When fuel jet velocity is much smaller than coflow velocity, the base of nozzle attached flame has a tribrachial structure unlike usual coflow difusion flames. Based on the balance mechanism of the propagation speed of tribrachial flame with flow velocity, jet velocity is scaled with stoichiometric laminar burning velocity. Results show that there exists two distinctive lifted flame stabilization; stabilization in the developing region and in the developed region of jets depending on initial fuel mole fraction. It has been found that lifted flame can be stabilized for fuel velocity even smaller than stoichiometric laminar burning velocity. This can be attributed to the buoyancy effect and flow visualization supports it. Lifted flames are also observed for methane diluted with nitrogen. The lifted flames only exist in the developing region of jet.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.24
no.12
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pp.1662-1669
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2000
Various flame types are observed in a double concentric burner by varying equivalence ratio and flow rates in each tube. Observed flame types include bunsen-type flame, ring-shaped flame, outer lifted flame, inner lifted flame, and oscillatory lifted flame, The doman of existence of various flames is mapped with equivalence ratio and annular jet velocity. Each flame is investigated through direct photography and OH PLIF. As central air velocity increase, the blowout region is diminished and lifted oscillating flames are observed. Inner lifted flames are observed from bunsen flames or rich shaped flames by increasing central air velocity. For inner lifted flames, annular jet velocity, at flame liftoff decreases with increasing central air jet velocity. Axial velocity profile and temperature fie이 using LDV and CRS, respectively, for a typical inner lifted flame are also measured through which the role of tribrachial flame for stabilization in emphasized.
The lifted oscillating flame has been studied using experiments of inverse diffusion flames that the air jet injected into a methane background. To find out the characteristics of inverse diffusion flames, fundamentally flame stabilized diagram is investigated with various air and fuel jet velocities. It has five regions - flame extinction, stable attached flame, anchored flame, liftoff flame and blow off region. In inverse diffusion flame, lifted flames were observed near the blow off region. As long as flames lift off, flames oscillate by periods. In this oscillating lifted flame region, the frequency of 1 and under were observed in various air and methane jet velocities. Characteristics of lifted flames are also examined by using the ICCD direct image. And intensity of flame chemiluminescence is very different in rising and falling period from photographs. For the present, it is predicted that the changes of flame structure are related with flame oscillation, but more experiments will be needed to make clear the phenomenon.
Flame characteristics in a double concentric burner has been studied experimentally. Air is supplied through a central nozzle, methane/air premixture is supplied in a inner annular part, and coflowing shield air is supplied to minimize outside disturbances. Depending on flow rate and concentration, various flame shapes can be observed. As the flow rate difference between central air jet and annular premixed jet is varied, several distinctive flames are observed. Conditions of partially premixed flames are further investigated; nozzle attached rich premixed flame, inner lifted flame, and outer lifted flame. Using the Abel transformation of digitized images of flames, cross- sectional images of flames can be obtained, from which overall structure of flames can be identified. PLIF measurement of OR radical was also conducted. OR radicals were mainly distributed in diffusion flame region. From the difference of OR distribution between nozzle attached and lifted flames, similarity of OR distribution between tribrachial flame and lifted flames in this study are observed.
This study has numerically modeled the combustion processes of the turbulent swirling premixed lifted syngas flames in the low-swirl burner (LSB). In these turbulent swirling premixed flames, the four tangentially-injected air jets induce the turbulent swirling flow which plays the crucial role of stabilizing the turbulent lifted flames. In the present approach, the turbulence-chemistry interaction is represented by the level-set based flamelet model. Numerical results indicate clearly that the present level-set based flamelet approach has realistically simulated the structure and stabilization mechanism of the turbulent swirling premixed lifted flames in the low-swirl burner. Computations are made for the wide range of the syngas chemical composition and the dilution level at two pressure conditions (1.0, 5.0 bar). Numerical results indicate that the lifted height in the LSB is increased by decreasing the H2 percentage and increasing the dilution level at the given equivalence ratio. It is also found that the flashback is occurred for the hydrogen composition higher than 80% at the equivalence ratio, 0.8. However, at the syngas composition range in the IGCC system, the stable lean-premixed lifted flames are formed at the low-swirl burner.
Sapkal, Narayan P.;Lee, Won June;Park, Jeong;Kwon, Oh Boong
Journal of the Korean Society of Combustion
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v.20
no.3
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pp.1-7
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2015
The laminar lifted jet flames for methane diluted with helium and nitrogen in co-flow air have been investigated experimentally. Such jet flames could be lifted in both buoyancy-dominated and jet momentum dominated regimes (even at nozzle exit velocities much higher than stoichiometric laminar flame speed) despite the Schmidt number less than unity. Chemiluminescence intensities of $OH^*$ radical (good indicators of heat release rate) and the radius of curvature for tri-brachial flame were measured using an intensified charge coupled device (ICCD) camera and digital video camera at various conditions. It was shown that, an increase in $OH^*$ concentration causes increase of edge flame speed via enhanced chemical reaction in buoyancy dominated regime. In jet momentum dominated regime, an increase in radius of curvature in addition to the increased $OH^*$ concentration stabilizes such lifted flames. Stabilization of such lifted flames is discussed based on the stabilization mechanism.
Sapkal, Narayan P.;Lee, Won June;Park, Jeong;Lee, Byeong Jun;Kwon, Oh Boong
한국연소학회:학술대회논문집
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2015.12a
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pp.83-86
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2015
The Laminar lifted methane jet flames diluted with helium and nitrogen in co-flow air have been investigated experimentally. The chemiluminescence intensities of $OH^{\ast}$ and $CH_2O^{\ast}$ radicals and the radius of curvature for tri-brachial flame were measured using an intensified charge coupled device (ICCD) camera, monochromator and digital video camera. The product of $OH^{\ast}$ and $CH_2O^{\ast}$ is used as a excellent proxy of heat release rate. These methane jet flames could be lifted in buoyancy and jet dominated regimes despite the Schmidt number less than unity. Lifted flames were stabilized due to buoyancy induced convection in buoyancy-dominated regime. It was confirmed that increased $OH^{\ast}$ and $CH_2O^{\ast}$ concentration caused an increase of edge flame speed via enhanced chemical reaction in buoyancy dominated regime. In jet momentum dominated regime lifted flames were observed even for nozzle exit velocities much higher than stoichiometric laminar flame speed. An increase in radius of curvature in addition to the increased $OH^{\ast}$ and $CH_2O^{\ast}$ concentration stabilizes such lifted flames.
Kim, Kil-Nam;Won, Sang-Hee;Cha, Min-Suk;Chung, Suk-Ho
Journal of the Korean Society of Combustion
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v.7
no.2
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pp.1-6
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2002
Characteristics of laminar lifted flames of propane highly-diluted with nitrogen have been investigated at various temperatures of coflow air. At various fuel mole fractions, the base of laminar lifted flames has the structure of tribrachial (or triple) flame. The liftoff heights are correlated well with the stoichiometric laminar burning velocity considering initial temperature at a given coflow velocity. It shows that lifted flames are stabilized on the basis of the balance mechanism between local flow velocity and the propagation speed of tribrachial flame, regardless of the temperature of coflow and fuel mole fraction. Lifted flames exist for a jet velocity even smaller than the stoichiometric laminar burning velocity, and liftoff velocity increases more rapidly than stoichiometric laminar burning velocity as coflow temperature increases. These can be attributed to the buoyancy effect due to the density difference.
This study has numerically modelled the combustion processes of the turbulent swirling premixed lifted flames in the low-swirl burner (LSB). In these turbulent swirling premixed flames, the four tangentially-injected air jets induce the turbulent swirling flow which plays the crucial role to stabilize the turbulent lifted flame. In the present approach, the turbulence-chemistry interaction is represented by the level-set based flamelet model. Two-dimensional and three-dimensional computations are made for the various swirl numbers and nozzle length. In terms of the centerline velocity profiles and flame liftoff heights, numerical results are compared with experimental data The three-dimensional approach yields the much better conformity with agreements with measurements without any analytic assumptions on the inlet swirl profiles, compared to the two-dimensional approach. Numerical clearly results indicate that the present level-set based flamelet approach has realistically simulated the structure and stabilization mechanism of the turbulent swirling stoichiometric and lean-premixed lifted flames in the low-swirl burner.
Stabilization mechanism of lifted flame in the near field of coflow jets has been investigated experimentally and numerically for methane fuel diluted with nitrogen. Lifted flames were observed only in the near field of coflow jets until blowout occurred in the normal gravity condition. To elucidate the stabilization mechanism for the stationary lifted flames in the near field of coflow jets for the diluted methane having the Schmidt number smaller than unity, the behaviors of the stationary lifted flame in microgravity and unsteady propagation phenomena were investigated numerically at various conditions of jet velocity. It has been founded that the buoyancy plays an important role for flame stabilization of lifted flame in normal gravity and the stabilization mechanism is due to the significant variation of the propagation speed of lifted flame edge compared to the local flow velocity at the edge.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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