Experimental and numerical investigation of premixed flame propagation with distorted tulip shape in a closed duct

2012 ◽  
Vol 159 (4) ◽  
pp. 1523-1538 ◽  
Author(s):  
Huahua Xiao ◽  
Dmitriy Makarov ◽  
Jinhua Sun ◽  
Vladimir Molkov
Keyword(s):  
Numerical Investigation ◽  
Flame Propagation ◽  
Premixed Flame

scholarly journals Numerical investigation of premixed flame propagation

2015 ◽  
Author(s):  
Γεώργιος Γιαννακόπουλος
Keyword(s):  
Numerical Investigation ◽  
Flame Propagation ◽  
Hydrodynamic Instability ◽  
Premixed Flame

Στόχος της διατριβής είναι η υπολογιστική διερεύνηση της μετάδοσης φλόγας προανάμιξης σε μίγμα αέρα-καυσίμου που βρίσκεται σε ηρεμία και χαρακτηρίζεται από στρωτή ροή, αλλά και υπό την παρουσία τύρβης. Η μελέτη των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα κατά τη διάδοση του μετώπου της φλόγας παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον, τόσο στα πλαίσια της βασικής έρευνας με στόχο τη βαθύτερη κατανόηση της θερμορευστομηχανικής, όσο και στα πλαίσια βιομηχανικών εφαρμογών, όπως η διάδοση φλόγας προανάμιξης σε κινητήρες έναυσης με σπινθηριστή (Otto), αλλά και σε κινητήρες έναυσης με συμπίεση ομογενοποιημένου (HCCI) ή στρωματοποιημένου (SCCI) μίγματος. Η διερεύνηση πραγματοποιήθηκε με τη μεθοδολογία της απευθείας επίλυσης των εξισώσεων διατήρησης (DNS), δηλαδή χωρίς τη χρήση μοντέλων. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη μελέτη της ταχύτητας διάδοσης του μετώπου της φλόγας, καθώς και στην εξάρτησή της από τη διάταση (stretch) στην οποία αυτό υπόκειται λόγω της σφαιρικής γεωμετρίας, αλλά και εξαιτίας της αλληλεπίδρασης με το τυρβώδες ροϊκό πεδίο. Διενεργήθηκε μεγάλος αριθμός προσομοιώσεων στρωτής φλόγας προανάμιξης με στόχο την πλήρη κατανόηση της προαναφερθείσας εξάρτησης, χρησιμοποιώντας απλοποιημένη και λεπτομερή περιγραφή των χημικών αντιδράσεων. Ακολούθησε συστηματική σύγκριση των αριθμητικών αποτελεσμάτων με αυτά που προέκυψαν από την εφαρμογή της ασυμπτωτικής θεωρίας για φλόγες προανάμιξης υπό διάταση, σε μεγάλο εύρος συνθηκών άκαυστου μίγματος προπανίου-αέρα (πίεση, θερμοκρασία, λόγος ισοδυναμίας). Επίσης, αναγνωρίστηκε η ισο-επιφάνεια στο εσωτερικό της φλόγας, η οποία είναι καταλληλότερη για την περιγραφή των αεροδυναμικών χαρακτηριστικών της. Έχοντας κατανοήσει πλήρως την επίδραση της διάτασης στην ταχύτητα διάδοσης του στρωτού, απόλυτα σφαιρικού μετώπου της φλόγας, στη συνέχεια διενεργήθηκαν προσομοιώσεις σταδιακά αυξανόμενης πολυπλοκότητας. Στόχος αρχικά ήταν η μελέτη της συμπεριφοράς της ταχύτητας και άλλων σημαντικών χαρακτηριστικών της φλόγας υπό την παρουσία φαινομένων υδροδυναμικής αστάθειας (hydrodynamic instability), τα οποία προκαλούνται λόγω της ανομοιογένειας στο ροϊκό πεδίο που επιφέρει η παρουσία εξώθερμων χημικών αντιδράσεων και η συνεπαγόμενη απότομη αύξηση της θερμοκρασίας. Αξιολογήθηκαν οι διάφοροι τρόποι έκφρασης της ταχύτητας της φλόγας και ποσοτικοποιήθηκαν οι διαφορές τους.Τέλος, πραγματοποιήθηκε μια πολυ-παραμετρική ανάλυση μέσω υπολογισμών μεγάλης κλίμακας, για τη μελέτη της αλληλεπίδρασης μεταξύ του μετώπου της φλόγας και του τυρβώδους ροϊκού πεδίου, σε κυκλικές και σφαιρικές γεωμετρίες. Ως κάυσιμο χρησιμοποιήθηκε το αέριο σύνθεσης (syngas), τα χαρακτηρηστικά της καύσης του οποίου δεν είναι ακόμη ευρέως γνωστά. Οι μεταβαλόμενες παράμετροι ήταν η σύσταση του μίγματος (λόγος ισοδυναμίας φ, λόγος CO/H2), αλλά και τα χαρακτηριστικά του τυρβώδους ροϊκού πεδίου (ολοκληρωτική κλίμακα μήκους και ένταση τύρβης). Οι συνήκες που επιλέχθηκαν είναι όμοιες με αυτές που συναντώνται στο Άνω Νεκρό Σημείο (ΑΝΣ) ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης. Παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση του ρυθμού καύσης για αυξανόμενες τιμές έντασης της τύρβης, μέσω της δημιουργίας πτυχώσεων στην επιφάνεια της φλόγας, ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης μεταξύ φλόγας και δινών του ροϊκού πεδίου. Ο μηχανισμός αυτός βρέθηκε να υπερισχύει των τοπικών μεταβολών στην ταχύτητα, που μπορούν να επιφέρουν οι αλλαγές στη σύσταση και στη στοιχειομετρία του μίγματος.

Numerical Simulation of Premixed Propane/Air Flame Propagation Using a Dynamically Thickened Flame Approach

2013 ◽  
Vol 444-445 ◽  
pp. 1574-1578 ◽  
Author(s):  
Hua Hua Xiao ◽  
Zhan Li Mao ◽  
Wei Guang An ◽  
Qing Song Wang ◽  
Jin Hua Sun
Keyword(s):  
Numerical Simulation ◽  
Flame Propagation ◽  
Numerical Study ◽  
Vortex Motion ◽  
Combustion Process ◽  
Single Step ◽  
Premixed Combustion ◽  
Premixed Flame ◽  
Flame Surface ◽  
Arrhenius Kinetics

A numerical study of premixed propane/air flame propagation in a closed duct is presented. A dynamically thickened flame (TF) method is applied to model the premixed combustion. The reaction of propane in air is taken into account using a single-step global Arrhenius kinetics. It is shown that the premixed flame undergoes four stages of dynamics in the propagation. The formation of tulip flame phenomenon is observed. The pressure during the combustion process grows exponentially at the finger-shape flame stage and then slows down until the formation of tulip shape. After tulip formation the pressure increases quickly again with the increase of the flame surface area. The vortex motion behind the flame front advects the flame into tulip shape. The study indicates that the TF model is quite reliable for the investigation of premixed propane/air flame propagation.

Turbulent premixed flame propagation in a cylindrical vessel

1996 ◽  
Vol 26 (1) ◽  
pp. 365-371 ◽  
Author(s):  
M. Fairweather ◽  
S.S. Ibrahim ◽  
H. Jaggers ◽  
D.G. Walker
Keyword(s):  
Flame Propagation ◽  
Cylindrical Vessel ◽  
Premixed Flame ◽  
Turbulent Premixed Flame ◽  
Turbulent Premixed

Fuel wall film effects on premixed flame propagation, quenching and emission

2018 ◽  
Vol 21 (6) ◽  
pp. 1055-1066 ◽  
Author(s):  
Mingyuan Tao ◽  
Haiwen Ge ◽  
Brad VanDerWege ◽  
Peng Zhao
Keyword(s):  
Flame Propagation ◽  
Direct Injection ◽  
Flame Structure ◽  
Three Dimensional ◽  
Premixed Flame ◽  
Practical Significance ◽  
Detailed Chemistry ◽  
Rich Mixture ◽  
Wall Film ◽  
Flame Quenching

The formation of fuel wall film is a primary cause for efficiency loss and emissions of unburnt hydrocarbons and particulate matters in direct injection engines, especially during cold start. When a premixed flame propagates toward a wall film of liquid fuel, flame structure and propagation could be fundamentally affected by the vaporization flux and the induced thermal and concentration stratifications. It is, therefore, of both fundamental and practical significance to investigate the consequent effect of a wall film on flame quenching. In this work, the interaction of a laminar premixed flame and a fuel wall film has been studied based on one-dimensional direct numerical simulation with detailed chemistry and transport. The mass and energy balance at the wall film interface have been implemented as boundary condition to resolve vaporization. Parametric studies are further conducted with various initial temperatures of 600–800 K, pressures of 7–15 atm, fuel film and wall temperatures of 300–400 K. By comparing the cases with an isothermal dry wall, it is found that the existence of a wall film always promotes flame quenching and causes more emissions. Although quenching distance can vary significantly among conditions, the local equivalence ratio at quenching is largely constant, suggesting the dominant effects of rich mixture and rich flammability limit. By further comparing constant volume and constant pressure conditions, it is observed that pressure and boiling point variation dominate the vaporization boundary layer development and flame quenching, which further suggests that increased pressure during compression stroke in engines can significantly suppress film vaporization. Emissions of unburnt hydrocarbon, soot precursor and low-temperature products before and after flame quenching are also investigated in detail. The results lead to useful insights on the interaction of flame propagation and wall film in well-controlled simplified configurations and shed light on the development of wall film models in three-dimensional in-cylinder combustion simulation.

On scalar dissipation and partially premixed flame propagation

2003 ◽  
Vol 175 (4) ◽  
pp. 649-664 ◽  
Author(s):  
K.A. Watson ◽  
K.M. Lyons ◽  
J.M. Donbar ◽  
C.D. Carter
Keyword(s):  
Flame Propagation ◽  
Premixed Flame ◽  
Scalar Dissipation ◽  
Partially Premixed ◽  
Partially Premixed Flame
Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document