Hydrodynamic Instability of a Premixed Flame Under Confinement

AbstractDirect numerical simulations are performed to investigate the transient upstream propagation (flashback) of premixed hydrogen–air flames in the boundary layer of a fully developed turbulent channel flow. Results show that the well-known near-wall velocity fluctuations pattern found in turbulent boundary layers triggers wrinkling of the initially flat flame sheet as it starts propagating against the main flow direction, and that the structure of the characteristic streaks of the turbulent boundary layer ultimately has an important impact on the resulting flame shape and on its propagation mechanism. It is observed that the leading edges of the upstream-propagating premixed flame are always located in the near-wall region of the channel and assume the shape of several smooth, curved bulges propagating upstream side by side in the spanwise direction and convex towards the reactant side of the flame. These leading-edge flame bulges are separated by thin regions of spiky flame cusps pointing towards the product side at the trailing edges of the flame. Analysis of the instantaneous velocity fields clearly reveals the existence, on the reactant side of the flame sheet, of backflow pockets that extend well above the wall-quenching distance. There is a strong correspondence between each of the backflow pockets and a leading edge convex flame bulge. Likewise, high-speed streaks of fast flowing fluid are found to be always colocated with the spiky flame cusps pointing towards the product side of the flame. It is suggested that the origin of the formation of the backflow pockets, along with the subsequent mutual feedback mechanism, is due to the interaction of the approaching streaky turbulent flow pattern with the Darrieus–Landau hydrodynamic instability and pressure fluctuations triggered by the flame sheet. Moreover, the presence of the backflow pockets, coupled with the associated hydrodynamic instability and pressure–flow field interaction, greatly facilitate flame propagation in turbulent boundary layers and ultimately results in high flashback velocities that increase proportionately with pressure.

Download Full-text

Numerical investigation of premixed flame propagation

10.12681/eadd/36306 ◽

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.

Download Full-text