Experimental investigations are performed on the stability and the structure of bluff-body stabilized hydrogen flames. The velocities of coflow air are varied from subsonic to supersonic velocity of Mach 1.8 and OH PLIF images and Schilieren images are used for analysis. Three characteristic flame modes are classified into three regimes with the variation of fuel-air velocity ratio; a jet like flame, a central-jet dominated flame and a recirculation zone flame. Stability curves are drawn to find the blowout regimes and to show that flame stability is improved by increasing the lip thickness of fuel nozzle that works as bluff-body. $Damk{\ddot{o}hler$ number is adopted in order to scale the blowout curves of each flame obtained at different sizes of the bluff-body and all blowout curves are scaled successfully regardless of its bluff-body size.
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 experimental study on flow characteristic in various laminar coflow diffusion flame has been conducted with a particular focus on the buoyancy force exerted from gaseous hydrocarbon fuels. Methane ($CH_4$), Ethylene ($C_2H_4$) and n-Butane ($C_4H_{10}$) were used as fuels. Coflow burner and Schlieren technique were used to observe the fuel flow field near nozzle exit and flow characteristics in flames. The result showed that the vortices in n-Butane with density heavier than air were appeared near the nozzle exit with the strong negative buoyancy on the fuel stream. As Reynolds number increases by the control of velocity, the vortices were greater and the vortices tips were moved up from the nozzle exit. In addition, it can be found that the heated nozzle can affect to the flow fields of fuel stream near the nozzle exit.
Characteristics of methane jet diffusion flames using pure oxygen with recirculating $CO_{2}$ as an oxidizer were investigated experimentally. A coflow burner was considered, and the diameter of confinement was larger than that of the coflow. No stabilized flame could be observed over 75% of $CO_{2}$ volume percent. A comparison between air and $O_{2}/CO_{2}$ mixture was made in terms of liftoff velocity, flame liftoff height, and blowout conditions. As results, more stable flame could be observed with $O_{2}/CO_{2}$ mixture for the case of having similar flame temperature.
A study on laminar coflow jet flames diluted with helium and nitrogen has been conducted to investigate self-excitations. The stability map was provided with a function of nozzle exit velocity and fuel mole fractions of propane or methane. The results show that there exist three types of self-excitations; (1) buoyancy-driven self-excitation (BDSE), (2) Lewis number induced self-excitation coupled with buoyancy (LCB) and (3) Lewis number induced self-excitation (LISE).
A study on laminar coflow jet flames diluted with helium and nitrogen has been conducted to investigate self-excitations. The stability map was provided with a function of nozzle exit velocity and fuel mole fractions of propane or methane. The results show that there exist three types of self-excitations; (1) buoyancy-driven self-excitation (BDSE), (2) Lewis number induced self-excitation coupled with buoyancy (LCB) and (3) Lewis number induced self-excitation (LISE).
To reveal the newly found liftoff height behavior of hydrogen jet, we have experimentally studied the stabilization mechanism of turbulent, lifted jet flames in a non-premixed condition. The objectives of the present research are to report the phenomenon of a liftoff height decreasing as increasing fuel velocity, to analyse the flame structure and behavior of the lifted jet, and to explain the mechanisms of flame stability in hydrogen turbulent non-premixed jet flames. The velocity of hydrogen was varied from 100 to 300m/s and a coaxial air velocity was fixed at 16m/s with a coflow air less than 0.1m/s. For the simultaneous measurement of velocity field and reaction zone. PIV and OH PLIF technique was used with two Nd:Yag lasers and CCD cameras. As results, it has been found that the stabilization of lifted hydrogen diffusion flames is related with a turbulent intensity, which means that combustion occurs where the local flow velocity is valanced with the turbulent flame propagation velocity.
$CO_2$ is well known greenhouse gas which is the major source of global warming. Reducing $CO_2$ emission in combustion process can be achieved by increasing combustion efficiency, oxygen enriched combustion and recirculation of the emitted $CO_2$ gas. Stability of non-premixed flame in oxygen enriched environment will be affected by the amount of oxygen, kind of diluents and fuel exit velocity. The effects of these parameters on flame liftoff and blowout are studied experimentally oxidizer coflowing burner. Experiments were divided into three cases according as where $CO_2$gas was supplied. - 1) to coflowing air, 2) to fuel with 0$_2$-$N_2$ coflow, 3) to coflowing oxygen. Flame in air coflowing case was lifted in turbulent region. Flame lift and blowout in laminar region with the increase in $CO_2$ volume fraction in $CO_2$-Air mixture makes flame lift and blowout in laminar region. Increase in oxygen volume fraction makes flame stable-i.e. flame liftoff and blowout occur at higher fuel flowrates. Liftoff height was non-linear function of nozzle exit velocity and affected by the $O_2$ volume fraction. It was found that the flame in $O_2$-$N_2$ coflow case was more stable than $O_2$-$CO_2$ case, Liftoff heights vs (nozzle exit velocity/laminar burning velocity)$^{3.8}$ has a good correlation in $O_2$-$CO_2$ oxidizer case.
The stabilization mechanism of turbulent, lifted jet flames in a non-premixed condition has been studied experimentally. The objectives are to explain the phenomenon of a liftoff height decreasing as increasing fuel velocity and to reveal the mechanisms of flame stability Hydrogen was varied from 100 to 300 m/s and a coaxial air was fixed at 16 m/s with a coflow air less than 0.1 m/s. The technique of PIV and OH PLIF was used simultaneously with CCD and ICCD cameras. It was found that the liftoff height of the jet decreased with an increased fuel jet exit velocity. The leading edge at the flame base was moving along the stoichiometric line. Finally we confirmed that the stabilization of lifted hydrogen diffusion flames is related with a turbulent intensity, which means combustion is occurred where the local flow velocity is equal to the turbulent flame propagation velocity.
The reattachment characteristics of propane lifted flames in laminar coflow jets influenced by AC electric fields have been investigated experimentally in low AC frequency range. The reattachment velocity and height have been measured by varying the applied AC voltage and frequency. The results showed that the reattachment of lifted flame occurred at relatively higher jet velocity with AC electric fields, comparing to that without having AC electric fields. The effect of AC electric fields became more effective at higher voltage and lower frequency in the AC frequency range larger than 30 Hz. However, in the low frequency range below 30 Hz, the reattachment velocity decreased with decreasing frequency. Consequently, there existed a transition regime, for the frequency smaller than about 30 Hz. Also, when the AC voltage was applied to the fuel nozzle at very low frequency, the reattachment process exhibited an oscillatory behavior, synchronized with the applied AC frequency.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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