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.
Propagation speeds of turbulent premixed flames have been measured in a pulsed-flame flow reactor which generates flames propagating in nearly isotropic turbulent flow field with U'/$S_L$ ranging from 1.2 to 5.3. The measurement involved a high-speed digital imaging at 1000 frames/second to capture the flame propagation motion. In addition to the flame speed measurements, flame perimeter ratio was measured for comparison. The observed flame propagation speed is high ranging from 5 to 20 times the laminar flame speed for the range of U'/$S_L$. The flames observed at extreme equivalence ratios exhibit intermittent propagation in that only a small fraction of ignited flame kernel resulted in full propagation of the flame. Also, at low equivalence ratios the flame speed decreased substantially even at high turbulence intensities.
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.
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.
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.
The study of nitrogen dilution effect on the flame stability was experimentally investigated in a non-premixed turbulent lifted hydrogen jet with coaxial air. Hydrogen gas was used as a fuel and coaxial air was used to make flame liftoff. Each of hydrogen and air were injected through axisymetric inner and outer nozzles ($d_F=3.65\;mm$ and $d_A=14.1\;mm$). And both fuel jet and coaxial air velocity were fixed as $u_F=200\;m/s$ and $u_A=16\;m/s$, while the mole fraction of nitrogen diluents gas was varied from 0.0 to 0.2 with 0.1 step. For the analysis of flame structure and the flame stabilization mechanism, the simultaneous measurement of PIV/OH PLIF laser diagnostics had been performed. The stabilization point was selected in the most upstream region of the flame base and defined as the point where the turbulent flame propagation velocity was equal to the axial component of local flow velocity. We found that the turbulent flame propagation velocity increased with the decrease of nitrogen mole fraction. We concluded that the turbulent flame propagation velocity was expressed as a function of turbulent intensity and axial strain rate, even though nitrogen diluents mole fraction was changed.
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.
Large eddy simulation of turbulent premixed flame in turbulent channel flow is studied by using G-equation. A flamelet model for the premixed flame is combined with a dynamic subgrid combustion model for the filtered propagation flame speed. The objective of this work is to investigate the validity of the dynamic subgrid G-equation model to a complex turbulent premixed flame. The effect of model parameters of the dynamic sub grid G-equation on the turbulent flame speed is investigated. In order to consider quenching of laminar flames on the wall, wall-quenching damping function is employed in this calculation. In the present study, a constant density turbulent channel flow is used. The calculation results are evaluated by comparing with the DNS results of Bruneaux et al.
In this study, three turbulent flame propagation models are compared using experimentally measured data of a 4 valves/cylinder spark-ignition engine. First two conventional models are B.K model and GESIM combustion model. The burning rates calculated from the two models are compared with the burning rates calculated from measured pressure data using the one-zone heat release analysis. GESIM combustion model predicts burning rates closer to the data acquired from the experiment in wide operating ranges than B-K model does. The third model is refined based on GESIM combustion model by including the effect of flame stretch, turbulent length scale band pass filter and a variable that considers flame size and the area of flame contacting the cylinder wall surface. The refined combustion model predicts burning rates closer to experimental results than GESIM combustion model does. Also, the refined combustion model predicts flame radius close to the experimental result measured by using optical fiber technique.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제29권4호
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pp.391-398
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2005
In this investigation, turbulent premixed combustion and flame front propagation in a gas turbine combustion chamber is studied. Direct numerical simulation of turbulent reacting flows demands extremely high computational resources, especially in more complicated geometry. The alternative choice may be left for Large Eddy Simulation (LES) by which only large scales are solved directly. In combustion problems, capturing the large scales' behavior without solving the details of small scales is a difficult task. Using a transport equation for description of the flame front propagation and therefore avoiding the calculation of inner flame structure is the basic idea of this study. For this purpose. the so-called G-equation has been used by which any iso-level of the G variable provides the flame location. A comparison with the experiment indicates that the present method can predict a turbulent velocity field and also capture a instantaneous 3-dimensional flame structure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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