Turbulent mixing and reacting flow characteristics of axisymmetric bluff-body stabilized propane-air flames, under inlet mixture stratification and preheat

Abstract

The isothermal and reacting time mean and fluctuating flow fields along with the mixing characteristics in the near wake region of a premixer/disk stabilizing arrangement, have been investigated and analyzed for a variety of inlet mixture compositions and preheating temperatures. The burner consists of three concentric disks that form two premixing cavities. Fuel (propane) is injected in the first cavity and is partially premixed with air flowing through the cavity system, resulting into a stratified equivalence ratio profile at the inlet of the stabilization region. Four levels of preheat temperatures, of the incoming reactants, ranging from 300 to 743 , for lean and ultra-lean mixtures have been studied. The employed preheated and stratified mixture burner is capable of anchoring flames at very lean mixtures, expanding the lean flammability limits and promoting flame stabilization at global equivalence ratio values, as low as Φ=0.13 at 743 . This study has been motivated by the fact that bluff body flame stabilization characteristics under both inlet mixture stratification and preheat have not been documented extensively so far.For the non-reacting cases, Particle Image Velocimetry (PIV) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) analysis have been performed to evaluate the flow and mixing fields developing in the downstream near wake. The impact of preheat on the developing disk wake topology and mixing performance has been examined and its operational parameters have been evaluated. Further the study has helped to elucidate the effects of inlet mixture stratification alone or in combination with preheat on the performance characteristics of the disk stabilizer and to identify parameters controlling the recirculation zone mixture placement. For the reacting cases, the time mean and fluctuating reacting velocity fields, developing in the downstream near wake, have been evaluated with Particle Image Velocimetry (PIV) analysis, while OH* Chemiluminescence emissions and exhaust gas measurements have been obtained to evaluate the impact of preheat on the flame topology characteristics, emissions performance and combustion efficiency. Moreover, flame properties such as inlet mixture reactivity, 2D aerodynamic strain rates, Damköhler and Karlovitz numbers, flame brush thicknesses and turbulent flame speeds, at various locations along the flame edge, have been estimated and analyzed to elucidate the effects of turbulence, inlet preheat and mixture composition on flame structure topology and anchoring characteristics.

Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν και αναλύθηκαν τα ισόθερμα και αντιδρώντα, χρονικά μέσα και διακυμαινόμενα, πεδία ροής καθώς και τα χαρακτηρίστηκα ανάμειξης στην περιοχή κατάντη ενός προ-αναμείκτη καυστήρα, για μια σειρά μειγμάτων καυσίμου-αέρα και επίπεδων προθέρμανσης των αντιδρώντων. Ο καυστήρας αποτελείται από τρείς ομοαξονικούς δίσκους οι οποίοι δημιουργούν δύο κοιλότητες. Το καύσιμο (προπάνιο) παροχετεύεται στην πρώτη κοιλότητα και αναμειγνύεται μερικώς με τον αέρα, καταλήγοντας σε μια διαστρωματωμένη κατανομή σχετικού λόγου καυσίμου αέρα στην είσοδο της περιοχής σταθεροποίησης. Μελετήθηκαν τέσσερα επίπεδα προθέρμανσης των αντιδρώντων τα οποία κυμαίνονται από 300 έως 743Κ, για πτωχά και υπέρ-πτωχα μείγματα. Ο συγκεκριμένος καυστήρας, προθέρμανσης και διαστρωμάτωσης των αντιδρώντων, επιτρέπει τη σταθεροποίηση φλόγας για πολύ πτωχά μείγματα, διευρύνοντας τα πτωχά όρια απόσβεσης και προωθώντας την σταθεροποίηση σε ολικούς σχετικούς λόγους καυσίμου αέρα της τάξης του Φ=0.13 στους 743Κ. Βασικό κίνητρο για την συγκεκριμένη μελέτη ήταν ότι τα χαρακτηριστικά σταθεροποίησης φλογών, σε σταθεροποιητικό σώμα, υπό την επίδραση διαστρωμάτωσης και προθέρμανσης των αντιδρώντων δεν έχουν, ακόμη, εκτενώς καταγραφεί. Για τις ισόθερμες (μη-αντιδρώσες) περιπτώσεις, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις Απεικόνισης Ταχυμετρίας Σωματιδίων (PIV) και Φασματοσκοπίας Υπέρυθρου με Μετασχηματισμό Fourier (FT-IR) για την αξιολόγηση των πεδίων ροής και ανάμειξης που αναπτύσσονται στην περιοχή της κατάντη ανακυκλοφορίας. Επίσης μελετήθηκε η επίδραση της προθέρμανσης του αντιδρώντος μείγματος στα χαρακτηριστικά ανάμειξης και αξιολογήθηκαν τα χαρακτηριστικά λειτουργείας του καυστήρα. Επιπλέον η παρούσα μελέτη βοήθησε στο να διευκρινιστεί η επίδραση της διαστρωμάτωσης του μείγματος, μόνη της ή σε συνδυασμό με την προθέρμανση, στα χαρακτηριστικά απόδοσης του φλογοσταθεροποιητή, καθώς και να αναγνωριστούν παράμετροι ελέγχου της τοπολογίας του μείγματος στην περιοχή της ανακυκλοφορίας.Για τις αντιδρώσες περιπτώσεις, πραγματοποιήθηκαν επίσης μετρήσεις Απεικόνισης Ταχυμετρίας Σωματιδίων (PIV) για το μέσο και διακυμαινόμενο πεδίο ταχυτήτων, μετρήσεις εκπομπών χημειοφωταυγαζώντων ριζικών OH* καθώς και μετρήσεις των εκπεμπόμενων ρύπων με σκοπό να αξιολογηθεί η επίδραση της προθέρμανσης των αντιδρώντων στην τοπολογία της φλόγας, στις εκπομπές ρύπων και στην απόδοση της καύσης. Επιπλέον, εκτιμήθηκαν και αναλύθηκαν ιδιότητες της φλόγας όπως οι διδιάστατες αεροδυναμικές τάσεις που επιδρούν σε αυτήν, οι αριθμοί Damköhler και Karlovitz, το μέσο πάχος του τυρβώδους μετώπου της φλόγας και οι ταχύτητα διάδοσης του τυρβώδους μετώπου, σε διάφορες θέσεις πάνω στο μέτωπο της φλόγας, με σκοπό να διευκρινιστεί η επίδραση της τύρβης καθώς και της προθέρμανσης και σύστασης του μείγματος στην δομή της φλόγας και στα χαρακτηριστικά σταθεροποίησής της.