Investigation of the stabilization characteristics of liquid-fueled flames under inlet mixture stratification

Abstract

Inhomogeneously premixed combustion is a key operational mode in modern turbulent combustion systems, such as gas turbines and internal combustion engines, where fuel/air mixture stratification can enhance flame stabilization, broaden flammability limits, and reduce pollutant emissions. The present work explores the dynamics of stratified, turbulent propane/air and prevaporised n-heptane/air flames, stabilized in a bluff-body burner under globally ultra-lean conditions (ϕ = 0.09–0.1). These flames are examined experimentally and numerically to elucidate the influence of mixture inhomogeneity on flame anchoring, structure, and the diagnostic capabilities of chemiluminescence as a heat release rate marker in flames exhibiting mixture gradients. Three distinct stratification scenarios were investigated for each fuel: rich-to-lean, stoichiometric-to-lean, and stronger-lean to weaker-lean gradients. These cases were selected to explore the directional sensitivity of flame propagation relative to stoichiometry, a parameter known to influence flame speed and reactivity due to effects such as radical and enthalpy enrichment from richer upstream mixtures—often referred to as the “back-support” effect. Propane and n-heptane were chosen as representative fuels to encompass the behavior of both lighter gaseous and heavier liquid hydrocarbons exhibiting strong preferential diffusion effects. The experimental campaign utilized a combination of diagnostic techniques including 2D-2C Particle Image Velocimetry, Mie scattering, infrared spectroscopy, and line-of-sight chemiluminescence imaging of OH* and CH* to capture flow fields and flame topology. These measurements aimed to characterize how stratification affects flame stabilization in the recirculation zone of a conical bluff body and to provide benchmark data for numerical validation. Complementing the experiments, Large Eddy Simulations (LES) with a Dynamically Thickened Flame (DTF) model were performed, employing reduced chemical mechanisms for both propane and n-heptane combustion. Flame characteristics were analyzed through derived quantities such as flame index, alignment angle, and Chemically Explosive Mode Analysis (CEMA), enabling the identification of local burning regimes and their response to mixture gradients. Another key component in this study is the evaluation of chemiluminescent species, OH*, CH*, and CO2*, as topological markers for heat release rate (HRR) in flames propagating through stratified mixtures. Under the quasi-steady-state assumption, their concentrations were extracted via an algebraic model and correlated with HRR fields obtained from LES. Two comparative metrics were used; the Pearson correlation coefficient and benchmarking against well-established HRR indicators such as PLIF-HCO and the OH×CH2O product. Results indicate that chemiluminescence exhibits useful qualitative agreement with HRR for both fuels under investigation, however the effect of depth of field in counterpart experimental measurements can quickly deteriorate the predictive ability of those markers. The flame index was further employed to categorize local flame types and examine their contribution to chemiluminescence-HRR correlation. This study provides novel insights into the behavior of ultra-lean stratified hydrocarbon flames and assesses the feasibility of employing chemiluminescence as a practical diagnostic in complex combustion scenarios. The findings have implications for the design and monitoring of advanced low-emission combustors and support the targeted development of robust diagnostics in turbulent stratified combustion.

Η μερικώς προαναμειγμένη καύση αποτελεί βασικό λειτουργικό χαρακτηριστικό σε σύγχρονα συστήματα τυρβώδους καύσης, όπως οι αεριοστρόβιλοι και οι κινητήρες εσωτερικής καύσης, όπου η διαστρωμάτωση του μείγματος καυσίμου/αέρα μπορεί να ενισχύσει τη σταθεροποίηση της φλόγας, να διευρύνει τα όρια ευφλεκτότητας και να μειώσει τις εκπομπές ρύπων. Η παρούσα εργασία εξετάζει τη δυναμική συμπεριφορά διαστρωματωμένων, τυρβωδών φλογών προπανίου/αέρα και προεξατμισμένου ν-επτανίου/αέρα, σταθεροποιημένων σε καυστήρα με χρήση σταθεροποιητικού σώματος (bluff body), υπό συνθήκες συνολικά υπερ-φτωχής καύσης (ϕ = 0.09–0.1). Οι φλόγες αυτές μελετώνται τόσο πειραματικά όσο και υπολογιστικά, με στόχο τη διερεύνηση της επίδρασης της ανομοιογένειας του μείγματος στη σταθεροποίηση της φλόγας, στη δομή της, καθώς και στην ικανότητα της χημειοφωταύγειας να χρησιμοποιηθεί ως διαγνωστικός δείκτης του ρυθμού έκλυσης θερμότητας σε φλόγες με χωρικές και χρονικές διαβαθμίσεις στο λόγο ισοδυναμίας του μείγματος των αντιδρώντων. Τρεις διαφορετικές περιπτώσεις διαστρωμάτωσης με βάση το λόγο ισοδυναμίας εξετάστηκαν για κάθε καύσιμο: από πλούσιο προς φτωχό, από στοιχειομετρικό προς φτωχό, και από ισχυρά φτωχό προς ασθενέστερα φτωχό μείγμα. Οι περιπτώσεις αυτές επιλέχθηκαν ώστε να αναδειχθεί η κατευθυντική ευαισθησία της διάδοσης της φλόγας σε σχέση με τη στοιχειομετρία – ένας παράγοντας που είναι γνωστός ότι επηρεάζει την ταχύτητα φλόγας και την αντιδραστικότητα, λόγω φαινομένων όπως ο εμπλουτισμός με ρίζικά και ενθαλπία από τα πλουσιότερα ανάντη καιόμενα μείγματα, γνωστός και ως “back-support” effect. Το προπάνιο και το ν-επτάνιο επιλέχθηκαν ως αντιπροσωπευτικά καύσιμα, ώστε να καλύψουν τη συμπεριφορά τόσο ελαφρών αερίων όσο και βαρύτερων υγρών υδρογονανθράκων με έμτονα φαινόμενα επιλεκτικής μοριακής διάχυσης (preferential diffusion effects). Η πειραματική μελέτη αξιοποίησε συνδυασμό διαγνωστικών τεχνικών, συμπεριλαμβάνοντας δισδιάστατή Ταχυμετρία Σωματιδίων δύο συνιστωσών (Particle Image Velocimetry, PIV), σκέδαση Mie, υπέρυθρη φασματοσκοπία και απεικόνιση χημειοφωταύγειας (OH*, CH*), για την καταγραφή των πεδίων ροής και της τοπολογίας της φλόγας. Οι μετρήσεις αποσκοπούσαν στην κατανόηση της επίδρασης της διαστρωμάτωσης στη σταθεροποίηση της φλόγας στη ζώνη ανακυκλοφορίας ενός κωνικού στερεού σώματος και παρείχαν δεδομένα αναφοράς για τον έλεγχο των υπολιγιστικών μοντέλων που θα χρησιμοποιούνταν για περαιτέρω ανάλυση. Συμπληρωματικά προς την πειραματική διερεύνσηση, πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις με χρήση του Μοντέλου των Μεγάλων Δινών (Large Eddy Simulations, LES) με χρήση του χημικοκινητικού μοντέλου Δυναμικής Πάχυνσης του Μετώπου Φλόγας (Dynamically Thickened Flame model, DTF) και μειωμένα χημικά σχήματα για το προπάνιο και το ν-επτάνιο. Τα χαρακτηριστικά των φλογών αναλύθηκαν μέσω εξαχθέντων μεγεθών όπως ο δείκτης φλόγας (Flame Index), η γωνία ευθυγράμμισης των βαθμίδων καυσίμου και οξειδωτικού (Alignment Angle) και η Ανάλυση Χημικά Εκρηκτικών Μορφών (Chemically – Explosive Mode Analysis, CEMA), ώστε να προσδιοριστούν τοπικές μορφές καύσης και η απόκρισή αυτών στις διαβαθμίσεις του λόγου ισοδυναμίας του μείγματος. Κεντρικό σκέλος της παρούσας μελέτης αποτελεί επίσης η αξιολόγηση των διεγερμένων συστατικών OH*, CH* και CO2* ως τοπολογικών δεικτών του ρυθμού έκλυσης θερμότητας (Heat Release Rate, HRR) σε φλόγες με διαστρωμάτωση. Υπό την παραδοχή της ψευδοστατικής κατάστασης, οι συγκεντρώσεις των ειδών αυτών εξήχθησαν μέσω αλγεβρικού μοντέλου και συσχετίστηκαν με τα πεδία του ρυθμού έκλυσης θερμότητας από τις LES προσομοιώσεις. Χρησιμοποιήθηκαν δύο κριτήρια σύγκρισης: ο συντελεστής συσχέτισης Pearson και η σύγκριση με καθιερωμένους δείκτες της τοπολογίας του ρυθμού έκλυσης θερμότητας από τη βιβλιογραφία, όπως το σήμα PLIF του HCO και το γινόμενο των σημάτων PLIF OH×CH2O. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η χημειοφωταύγεια παρουσιάζει ποιοτική συμφωνία με την τοπολογία του ρυθμού έκλυσης θερμότητας για τα καύσιμα υπό μελέτη, ωστόσο η επίδραση του βάθους πεδίου στις πειραματικές μετρήσεις μπορεί να μειώσει σημαντικά την προβλεπτική της ικανότητα. Ο δείκτης φλόγας χρησιμοποιήθηκε περαιτέρω για την ταξινόμηση των τοπικών τύπων φλόγας και την ανάλυση της επίδρασής τους στη συσχέτιση χημειοφωταύγειας και τοπολογίας του ρυθμού έκλυσης θερμότητας. Η παρούσα εργασία προσφέρει νέες γνώσεις σχετικά με τη συμπεριφορά υπερ-πτωχών, διαστρωματωμένων φλογών υδρογονανθράκων και αξιολογεί την καταλληλότητα της χημειοφωταύγειας ως πρακτικού διαγνωστικού εργαλείου σε πολύπλοκες διατάξεις καύσης. Τα ευρήματα έχουν εφαρμογή στον σχεδιασμό και την παρακολούθηση προηγμένων, καυστήρων χαμηλών εκπομπών ρύπων και στηρίζουν την ανάπτυξη αξιόπιστων διαγνωστικών τεχνικών σε διαστρωματωμένες, τυρβώδεις φλόγες.