Acoustic pressure response and NO formation of hydrogen-air diffusion flames at various pressures are numerically studied by employing counterflow diffusion flame as a model flame let in turbulent flames in combustion chambers. The numerical results show that extinction strain rate increases linearly with pressure and then decreases, and increases again at high pressures. Thus, flames are classified into three pressure regimes. Such non-monotonic behavior is caused by the change in chemical kinetic behavior as pressure rises. Acoustic pressure response in each regime is investigated based on the Rayleigh criterion. At low pressures, pressure-rise causes the increase in flame temperature and chain branching/recombination reaction rates, resulting in increased heat release. Therefore, amplification in pressure oscillation is predicted. Similar phenomena are predicted at high pressures. At moderate pressures, weak amplification is predicted. Emission index of NO shows similar behaviors as to the peak-temperature variation with pressure.
Nonlinear dynamics of pulsating instability in radiating counterflow diffusion flames is numerically investigated by imposing Damk$\ddot{o}$hler number perturbation. Stable limit-cycle solutions occur in small ranges of Damk$\ddot{o}$hler numbers past bifurcation point of instability. Period doubling cascade and chaotic behaviors appear just before dynamic extinction occurs. Nonlinear dynamics is also studied when large disturbances are imposed to flames. For weak steady flames, the dynamic extinction range shrinks as the magnitudes of disturbances are increased. However, strong steady flames can overcome relatively large disturbances, thereby the dynamic extinction range extending. Stable limit-cycle behaviors reappears prior to dynamic extinction when the steady flames are strong enough.
Computational experiments on fundamental un stretched laminar burning velocities and flame response to stretch (represented by the Markstein number) of hydrogen-air flames at high temperatures and pressures were conducted in order to understand the dynamics of the flames including hydrogen as an attractive energy carrier in conditions encountered in practical applications such as internal combustion engines. Outwardly propagating spherical premixed flames were considered for a fuel-equivalence ratio of 0.6, pressures of 5 to 50 atm, and temperatures of 298 to 1000 K. For these conditions, ratios of unstretched-to-stretched laminar burning velocities varied linearly with flame stretch (represented by the Karlovitz number), similar to the flames at normal temperature and normal to moderately elevated pressures, implying that the "local conditions" hypothesis can be extended to the practical conditions. Increasing temperatures tended to reduce tendencies toward preferential-diffusion instability behavior (increasing the Markstein number) whereas increasing pressures tended to increase tendencies toward preferential-diffusion instability behavior (decreasing the Markstein number).
A new technique utilizing LII signal for the measurement of flow velocities of laminar diffusion flames has been investigated. Soot particles in ethylene diffusion flames are heated by a modulated Ar-ion laser beam. LII signals and their phase angles are measured using a lock-in amplifier at the different flame heights and the axial flow velocity are obtained from the measured phase angle delay. The measured velocities are similar to those from LDV measurements under the same operating conditions. The effects of laser power, LII signal wavelength, and modulation frequency are not sensitive to the velocity measurement. However, the choice of an optical chopper blade type could affect the measurement result. The use of a 6/5 chopper blade showed the better result that is possibly due to the square shape of modulated laser beam. This study successfully demonstrated that axial flow velocities of laminar diffusion flames can be measured by a new technique utilizing LII signal, which does not need particle seeding unlikely to LDV or PIV techniques.
Flammability limits of opposed flow diffusion flame in a narrow channel was investigated experimentally and theoretically. There were three different extinction modes corresponding to high strain rate (HSR), low strain rate (LSR) and dilution ratio (DR) limits. To investigate these limits, a theoretical study was followed by focusing on flow and heat transfer characteristics. Consequently, a dead space concept that has been used for premixed flames was important to reveal the heat loss mechanism in a narrow channel especially for LSR conditions even in the case of diffusion flames.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.20
no.1
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pp.377-383
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1996
Interaction of flames in a lean-rich concentration field is studied numerically adopting a counterflow as a model problem. Detailed kinetic mechanism is adopted in analyzing the structure of various type of flames which can be found in lean-rich interaction. Flow field is simplified to quasi one-dimensional by using boundary layer approximation and similarity formulation. Triple flames are identified and its structure shows that a diffusion flame is located in the middle of two premixed flames. Such a diffusion flame is formed by $H_2$ and CO generated from the rich premixed flame and $O_2$ leaked from the lean premixed flame. The flame position can be identified either from the hydrogen production rate or the heat release rate. Transition from single diffusion flame to triple flame is observed as degree of premixing is increased.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.21
no.11
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pp.1527-1537
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1997
Extinction characteristics and acoustic response of hydrogen-air diffusion flames at various pressures are numerically studied by employing counterflow diffusion flame as a model flamelet in turbulent flames in combustion chambers. The numerical results show that extinction strain rate increases linearly with pressure and then decreases, and increases again at high pressures. Thus, flames are classified into three pressure regimes. Such nonmonotonic behavior is caused by the change in chemical kinetic behavior as pressure rises. The investigation of acoustic-pressure response in each regime, for better understanding of combustion instability, shows different characteristics depending on pressure. At low pressures, pressure-rise causes the increase in flame temperature and chain branching/recombination reaction rates, resulting in increased heat release. Therefore, amplification in pressure oscillation is predicted. Similar phenomena are predicted at high pressures. At moderate pressures, weak amplification is predicted since flame temperature and chain branching reaction rate decreases as pressure rises. This acoustic response can be predicted properly only with detailed chemistry or proper reduced chemistry.
In this study, soot formation characteristics on the instability of laminar diffusion flames were investigated experimentally using a concentric co-flow burner. When a small amount of air was supplied through an inner nozzle, a stable propane laminar diffusion flame became unstable and began to oscillate mainly due to the dilution effect. The increase of air flow rate transformed an oscillating non-sooting flame into a stable nonsooting flame. When the air flow rate was continuously increased an inner flame was formed and the flame was changed to an oscillating sooting flame, an oscillating non-sooting flame and finally a stable non-sooting hollow flame. When the air flow rate was decreased, a non-sooting hollow flame was eventually changed back to a stable non-sooting flame. The presence of an inner flame, however, altered the soot formation characteristics of a flame. More soot production was observed with the presence of an inner flame. The increased or decreased soot formation/oxidation rates, the radiation heat loss, and the heating effect of inner flames are most likely to be responsible for the observed instability of laminar diffusion flames.
The soot and OH radical distributions have been experimentally studied in ethylene and propane laminar diffusion flames. The integrated soot volume fraction was measured along the centerline of a flame using a laser light extinction method. Planar laser light scattering and PLIF techniques are employed for the soot and OH radical distribution measurements utilizing Nd:YAG laser and OPO, FDO system. The concentration of OH radical is rapidly decreased at the edge of sooting region, which implies the importance of OH radical species on the soot oxidation process. For ethylene flames, the addition of air in fuel moves the OH radical distribution towards the center line of a flame at the soot oxidation region, while the concentration of OH radical remains relatively high at the soot formation region. The interaction between soot particles and OH radicals becomes more active with fuel-air at the soot oxidation region. For propane flames, however, any indication of the increased interaction between soot particles and OH radicals with fuel-air was not noticed.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.33
no.3
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pp.378-386
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2009
The effect of fuel mixing on soot structure with methane, ethane, and propane to ethylene-base counterflow diffusion flames has been investigated by measuring the volume fraction, number density, and particle size of soot by adopting the light extinction/scattering techniques. The experimental result showed that the mixing of ethane and propane in ethylene diffusion flame increased soot volume fraction while the mixing of methane decreased. As compare to the ethylene-base flame, the diameters of soot particles for mixture flames are slightly smaller. While the soot number densities for the mixture flames are much higher. Thus, the increase in the soot volume fraction can be attributed to the appreciably increased soot number density by the fuel mixing.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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