تحقیقات موتور

تحقیقات موتور

خاموشی آکوستیکی شعلة جریان متقابل در روش‏ اختلاط پیش‌آمیختة ‌جزئی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران
چکیده
در موتورهای جرقه‌ای، پس از غیرفعال شدن جرقه‌زن، تحت شرایط خاصی ممکن است خاموشی محلی یا خاموشی کلی شعله رخ بدهد. شناسایی و پیش‌بینی این پدیده، در رفع ناپایداری احتراق موتورهای جرقه‌ای، نقش مهمی دارد. در این پژوهش، پدیدة خاموشی آکوستیک یک شعلة جریان متقابل متان-هوا در روش‏ اختلاط پیش‌آمیخته جزئی، به روش تجربی بررسی شده است. اثر نحوه اختلاط سوخت و هوا بر برهمکنش شعله با امواج آکوستیک، به طور خاص توجه شده و به کمک روش غیرتداخلی نورتابی شیمیایی رادیکال CH* اثرات تحریک آکوستیکی بر ساختار شعله مطالعه شده است. برای مطالعه تفاوت‌های ساختار شعله در روش‏‌های اختلاطی پیش‌آمیخته، پیش‌آمیخته جزئی و غیرپیش‌آمیخته، شبیه‌سازی یک‌بعدی پایا شعله به همراه نتایج نورتابی شیمیایی و طیف‌سنجی شعله استفاده شده است. نقطة سکون میدان جریان شعله، وابسته به نسبت ممنتوم جریان‌های واکنش‌دهنده‌های بالا و پایین است؛ اما توزیع حرارت و توزیع رادیکال CH* تحت اثر اختلاط تغییر پیدا می‌کنند. نتایج تجربی نشان داد، در بسامد‌های پایین (حدود 20 هرتز) شعلة غیرپیش‌آمیخته، به‌دلیل حضور مقیاس زمانی اختلاط، پایداری کمتری نسبت به دو شعله دیگر دارد و در دامنه فشار آکوستیکی ضعیفتری خاموش می‌شود. اثرات اختلاط بر پدیدة خاموشی تا بسامد 55 هرتز مشهود است و در بسامد‌های بالاتر، نحوة اختلاط، اثری بر دامنة امواج آکوستیکی لازم برای خاموشی شعله ندارد. بررسی نورتابی شیمیایی رادیکال CH* شعلة جریان متقابل پیش‌آمیختة ‌جزئی نشان داد، در بسامد پایین شعلة تحریک شده نسبت به شعلة پایا و بدون تحریک، ضخامت، سطح و نرخ آزادسازی حرارت میانگین کمتری دارد. با افزایش بسامد ضخامت، سطح و نرخ آزادسازی میانگین شعله از شعله پایا بیشتر می‌شود؛ اما افزایش دامنه امواج آکوستیکی در بسامد‌های نسبتاً بالا تأثیر محسوسی بر ساختار شعله نخواهد داشت.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Acoustic extintion of partially premixed counterflow flame

نویسندگان English

Mohammad Ali Akhtardanesh
Mohammad Javad Hosseinkhani
Mohammad Farshchi
Aerospace Engineering Faculty, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

In spark ignition engines, local or global flame extinction may occur after the ignition spark deactivates, posing challenges to engine stability. Identifying and predicting this phenomenon is crucial for addressing combustion instability. This study investigates the acoustic extinction of a partially premixed methane-air counterflow flame. The focus is on the impact of fuel-air mixing on flame behavior under acoustic waves, using non-intrusive CH* chemiluminescence. One-dimensional steady flame simulations, alongside flame chemiluminescence and spectrometry, are employed to discern differences in flame structure among various mixing regimes. The stagnation point of the reactant jet varies with the momentum flux ratio of upper and lower nozzle flows while mixing effects alter temperature and CH* radical distributions. Experimental results reveal that at low frequencies (~20 Hz), the non-premixed flame, due to its mixing time scale, exhibits lower stability and extinguishes at lower acoustic pressure levels compared to the other flames. Mixing effects on extinction are notable up to 55 Hz, beyond which they become negligible. CH* chemiluminescence analysis of the partially premixed flame shows reduced thickness, area, and average heat release rate at low frequencies compared to the steady-state flame. With increasing frequency, these parameters increase compared to the steady-state flame; however, higher-frequency acoustic waves have minimal impact on flame structure.

کلیدواژه‌ها English

Acoustic Extinction
Partially Premixed
Counterflow
CH* Chemiluminescence
Spectrometry
[1]   Zong R, Kang R, Liu C, Zhang Z, Zhi Y. Analysis of flame extinguishment and height in low frequency acoustically excited methane jet diffusion flame. Microgravity Science and Technology. 2018 May;30:237-42. doi: 10.1007/s12217-017-9590-5
[2]   Lieuwen TC, Yang V, editors. Combustion instabilities in gas turbine engines: operational experience, fundamental mechanisms, and modeling. American Institute of Aeronautics and Astronautics; 2005 Sep 30. doi: 10.2514/4.866807
[3]   Wandel AP. Identification of local extinction and prediction of reignition in a spark-ignited sparse spray flame using data mining. Combustion and Flame. 2018 Dec 1;198:342-55. doi: 10.1016/j.combustflame.2018.09.028
[4]   Fansler TD, Reuss DL, Sick V, Dahms RN. Invited Review: Combustion instability in spray-guided stratified-charge engines: A review. International Journal of Engine Research. 2015 Apr;16(3):260-305. doi: 10.1177/1468087414565675
[5]   Klos D, Kokjohn SL. Investigation of the sources of combustion instability in low-temperature combustion engines using response surface models. International Journal of Engine Research. 2015 Apr;16(3):419-40. doi: 10.1177/1468087414556135
[6]   Wagner RM, Drallmeier JA, Daw CS. Characterization of lean combustion instability in premixed charge spark ignition engines. International Journal of Engine Research. 2000 Aug 1;1(4):301-20. doi: 10.1243/1468087001545209
[7]   Kimura K, Mori S, Kawauchi M, Shimizu R. An investigation for reducing combustion instability under cold-start condition of a direct injection gasoline engine. International Journal of Engine Research. 2019 Apr;20(4):470-9. doi: 10.1177/1468087418766924
[8]   Akhtardanesh MA, Khadem Alrezaeian M, Hosseinkhani MJ, Farshchi M. An experimental study on Bunsen flame acoustic extinction,” in The 21st International Conference of Iranian Aeropace Association, Tehran, 2022. [In Persian]
[9]   Birbaud AL, Durox D, Ducruix S, Candel S. Dynamics of confined premixed flames submitted to upstream acoustic modulations. Proceedings of the Combustion Institute. 2007 Jan 1;31(1):1257-65. doi: 10.1016/j.proci.2006.07.122
[10] Takita K, Yamazaki H, Uchida T, Masuya G. Extinction Karlovitz numbers of premixed counterflow flames under various pressures. Combustion science and technology. 2006 Sep 1;178(9):1649-68. doi: 10.1080/00102200600582384
[11] Chung SH, Chung DH, Fu C, Cho P. Local extinction Karlovitz number for premixed flames. Combustion and flame. 1996 Sep 1;106(4):515-20. doi: 10.1016/0010-2180(96)00109-5
[12] Vu TM, Cha MS, Lee BJ, Chung SH. Tip opening of premixed bunsen flames: Extinction with negative stretch and local Karlovitz number. Combustion and Flame. 2015 Apr 1;162(4):1614-21. doi: 10.1016/j.combustflame.2014.11.022
[13] Niegodajew P, Łukasiak K, Radomiak H, Musiał D, Zajemska M, Poskart A, Gruszka K. Application of acoustic oscillations in quenching of gas burner flame. Combustion and Flame. 2018 Aug 1;194:245-9. doi: 10.1016/j.combustflame.2018.05.007
[14] Alipour E, Akhtardanesh MA, Malaek SM. Application of Machine Learning to Bring Efficiency to Costly Experiments ; Case of Flame-Extinction. in Fuel and Combustion (20), Tehran: Iranian Society of Fuel and Combustion, 2024.
[15] Hirschberg A, Rienstra SW. An introduction to aeroacoustics. Eindhoven university of technology. 2004 Jul 18;31.
[16] Price RB, Hurle IR, Sugden TM. Optical studies of the generation of noise in turbulent flames. InSymposium (international) on combustion 1969 Jan 1 (Vol. 12, No. 1, pp. 1093-1102). Elsevier. doi: 10.1016/S0082-0784(69)80487-X
[17] Guyot D, Guethe F, Schuermans B, Lacarelle A, Paschereit CO. CH*/OH* chemiluminescence response of an atmospheric premixed flame under varying operating conditions. InTurbo expo: Power for land, sea, and air 2010 Oct 10 (Vol. 43970, pp. 933-944). doi: 10.1115/GT2010-23135
[18] Akhtardanesh, MA, Khadem Alrezaeian M, Farshchi M. Interaction of acoustic waves with a laminar counterflow flame. in 9th National Conference of Acoustical Society of Iran, Tehran: Acoustical Society of Iran, 2023. [In Persian]
[19] Brown T, Pitz R. Experimental investigation of counterflow diffusion flames with oscillatory stretch. In34th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit 1996 Jan (p. 214). doi: 10.2514/6.1996-214
[20] Kee RJ. A Fortran Chemical Kinetics Pacage for the Analysis of Gas Phase Chemical Kinetics. SANDIA REPORT, SAND89-8009B, UC-706. 1993.
[21] Frenklach M, Wang H, Goldenberg M, Smith GP, Golden DM. Gri-mech: An optimized detailed chemical reaction mechanism for methane combustion. topical report, september 1992-august 1995. SRI International, Menlo Park, CA (United States); 1995 Nov 1.
[22] Ravikrishna RV, Laurendeau NM. Laser-induced fluorescence measurements and modeling of nitric oxide in counterflow partially premixed flames. Combustion and flame. 2000 Sep 1;122(4):474-82. doi: 10.1016/S0010-2180(00)00136-X
[23] Akhtardanesh MA, Hosseinkhani MJ, Farshchi M. The Effects of Hydrogen Addition on the Acoustic Response of a Methane-Air Partially Premixed Counterflow Flame. in Fuel and Combustion (20), Tehran: Iranian Society of Fuel and Combustion, 2024. [in Persian]
[24] Saitoh T, Otsuka Y. Unsteady behavior of diffusion flames and premixed flames for counter flow geometry. Combustion Science and Technology. 1976 Apr 1;12(4-6):135-46. doi: 10.1080/00102207608946713
[25] Naha S, Aggarwal SK. Fuel effects on NOx emissions in partially premixed flames. Combustion and flame. 2004 Oct 1;139(1-2):90-105. doi: 10.1016/j.combustflame.2004.07.006
[26] Ravikrishna RV, Sahu AB. Advances in understanding combustion phenomena using non-premixed and partially premixed counterflow flames: A review. International Journal of Spray and Combustion Dynamics. 2018 Mar;10(1):38-71. doi: 10.1177/1756827717738168
[27] Nori V, Seitzman J. Evaluation of chemiluminescence as a combustion diagnostic under varying operating conditions. In46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit 2008 Jan (p. 953). doi: 10.2514/6.2008-953
[28]  Sung CJ, Law CK. Dominant chemistry and physical factors affecting NO formation and control in oxy-fuel burning. InSymposium (International) on Combustion 1998 Jan 1 (Vol. 27, No. 1, pp. 1411-1418). Elsevier.  doi: 10.1016/S0082-0784(98)80547-X
دوره 70، شماره 3 - شماره پیاپی 72
مقالات برتر بیستمین کنفرانس دینامیک شاره ها
پاییز 1402
صفحه 39-52

  • تاریخ دریافت 12 فروردین 1403
  • تاریخ بازنگری 19 فروردین 1403
  • تاریخ پذیرش 15 اردیبهشت 1403