Laminar premixed flame stabilized inside a honeycomb ceramicFlamme laminaire en premelange stabilisee dans une ceramique en nid d'abeilleStabilisierung einer laminar vorgemischten flamme in einer wabenförmigen keramikstrukturЛaминapнoe плaми гopючeй cмecи, cTaБилизиpoбaннoe внyTpи ячeиcToй кepaмики

https://doi.org/10.1016/0017-9310(91)90255-DGet rights and content

Abstract

A laminar premixed flame inside a honeycomb ceramic is investigated experimentally and theoretically to provide the detailed data for computational approaches and to further the physical understanding of the mechanisms of heat transfer involved, particularly internal heat recirculation. The ranges of flammability and flame stability are substantially extended without any external heating. Two types of stable flame are observed; one is nearly one-dimensional in the combustor, and the other highly two-dimensional. These are also clearly distinguished by the soot lines observed in the cross-section of the combustor, and correspond to the upper and lower solutions of the theoretical analysis. Temperature measurements show a higher gas temperature than the adiabatic flame temperature, which is attributed to the internal heat recirculation. The analysis based on the one-dimensional flame theory reproduces reasonably the experimental temperature profiles and flame behaviours, and reveals that heat is recirculated to the unburned mixture both by the conduction and the radiation of the solid phase. The stable flame is also predicted in the downstream region of the combustor, but not observed in the experiment presumably due to the two-dimensional effects of heat loss. A noticeable result of this work is the existence of the flame of low burning velocity and low temperature, which is different from the excess enthalpy flame.

Résumé

Une flamme laminaire prémélangée dans une céramique en nid d'abeille est étudiée expérimentalement et théoriquement pour fournir des données détaillées pour des approches numériques et pour comprendre mieux les mécanismes de transfert thermique et en particulier la recirculation thermique interne. Les domaines d'inflammation et de stabilité sont sensiblement élargis sans aucun chauffage externe. On observe deux types de flamme stable: 1'un est presque monodimensionnel dans le combusteur et 1'autre fortement bidimensionnel. Ceci est clairement visible par les lignes de suie dans la section droite du combusteur et ça correspond aux solutions supérieure et inférieure de 1'analyse théorique. Des mesures de température montrent une température de gaz supérieure à la température adiabatique de flamme, ce qui est attribuable à une recirculation interne de chaleur. L'analyse basée sur une théorie monodimensionnelle de flamme reproduit raisonnablement les profils de température expérimentaux et les comportements de la flamme, et elle révèle que la chaleur est recirculée au mélange imbrûlé à la fois par conduction et par rayonnement de la phase solide. La flamme stable est aussi prédite dans la région en aval du combusteur, mais elle n'est pas observée dans 1'expérimentation, probablement à cause des effets bidimensionnels de perte thermique. Un résultat important de ce travail est 1'existence de la flamme à faible vitesse et à basse température, ce qui est différent de 1'exc̀es d'enthalpie de la flamme.

Zusammenfassung

Um detaillierte Werte für Berechnungsansätze zu erhalten und das Verständnis der Wärmeübertragungsmechanismen—speziell der internen Rückzirkulation von Wärme—zu verbessern, wurde eine laminar vorgemischte Flamme in einer wabenförmigen keramischen Struktur theoretisch und experimentell untersucht. Die Bereiche der Flammenfront und Flammenstabilität werden ohne äuβere Wärmezufuhr beträchtlich erweitert. Es werden zwei Arten von stabilen Flammen beobachtet: die eine ist im Brenner annähernd eindimensional, die andere im hohen Grade zweidimensional. Die beiden Flammenarten können auch eindeutig durch die Ruβlinienspuren, die im Brennerquerschnitt beobachtet werden, unterschieden werden. Sie korrespondieren mit den gröβten und kleinsten Lösungen der theoretischen Berechnungen. Temperaturmessungen zeigen eine höhere Gastemperatur im Vergleich zur adiabaten Flammentemperatur. Dies wird auf eine interne Rückzirkulation von Wärme zurückgeführt. Die Berechnung, die auf der eindimensionalen Flammentheorie beruht, ergibt in etwa die Werte, die dem experimentell ermittelten Temperaturprofil und Flammenverhalten entsprechen. Sie zeigt auβerdem, daβ Wärme zur nichtverbrannten Brennstoffmischung hin zurückzirkuliert wird. Dieser Transport geschieht sowohl durch Leitung als auch durch Strahlung. Auch für die stromabwärts gelegenen Zonen des Brenners wurde eine stabile Flamme berechnet, die jedoch im Experiment nicht beobachtet wurde, was wahrscheinlich auf die zweidimensionalen Effekte der Wärmeverluste zurückzuführen ist. Ein bemerkenswertes Ergebnis dieser Arbeit ist die Existenz einer Flamme mit niedriger Brenngeschwindigkeit und niedriger Temperatur, die sich von einer Flamme mit Enthalpieüberschuβ unterscheidet.

Реферат

ЭкcпepимeнTaльнo и TeopeTичecки иccлeдyeTcя лaминapнoe плaмя внyTpи ячeиcToй кepaмикн c цeлью пoлyчeния пoдpoбныч дaнныч для pacчeToв и бoлee глyбoкoгo физичecкoгo пoнимaння мeчaнизмoв Teплoпepeнoea, в чacTнocTн, внyTpeннeй peциpкyляции Teплa. Бeз пpимeнeния внeщнeгo нaгpeвa cyщecTвeннo pacшиpeны диaиaзoны вocплaмeияeмocTи и ycToйчивocTи плaмeни. ПaблюдaюTcя двa видa ycToйчнвocTи плaмeни: oдии явяeTcя пoчTи oднoмepньм в кaмepe cгopaния, вTopoй—eyщecTвeннo двyмepным. ЭTи виды чeTкo paзличaюTcя пo cлeдaм кoпoTи, нaблюдaeмым в пoпepeчиoм ceчeнии кaмepы cгopaния, н cooTвeTcTвyюT вepчнeмy и нижнeмy peшeниям TeopeTичecкoгo aнaлизa. Пзмepeния пoкaзывaюT, чTo TeмпepaTypa гaзa пpeвыщaeT aдиaбaTичecкyю TeмпepaTypy плaмeни, чTo oбьяcняeTcя внyTpeннeй peциpкyляциeй Teплa. aнaлиз нa ocнoвe Teopии oднoмepнoгo плaмeнн yдoвлeTвopиTeльнo вocпppoизвoдиT зкcпepимeиTaльныe TeмпepaTypныe пpoфили и пoвeдeниe плaмeни и пoкaзывaeT, чTo Teплo пepeдaeTcя к нeгopящeй cмecи зa cчeT TeплoпpoвoднocTи и излyчeния Tвepдoй фaзы. Teopия пpeдcкaзывaeT Taкжe cyщecTвoвaниe ycToйчивoгo плaмeни в oблacTи вниз пo Teчeнию, oднaкo зкcпepимeнTaльнo oнo нe нaблюдaeTcя, пo-видимoмy, из-зa двyмepныч зффeкToв Teплoвыч пoTepь. cyщecTвeнным peзyльTaToм paбoTы являeTcя oбнapyжeниe плaмeни c низкиq́mи cкopocTью гopeиия и TeмпepaTypoй, в oTличиe oT плaмeни c избыToчнoй знTaльпиeй.

References (18)

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Cited by (69)

  • Heat recirculating reactors: Fundamental research and applications

    2019, Progress in Energy and Combustion Science
  • Multiscale thermal nonequilibria for record superadiabatic-radiant-burner efficiency: Experiment and analyses

    2017, International Journal of Heat and Mass Transfer
    Citation Excerpt :

    The premixed combustion in porous media often becomes a superadiabatic combustion which is also known as “excess enthalpy” burning caused by an internal heat recirculation [1–12].

  • Experimental and theoretical study of excess enthalpy flames stabilized in a radial multi-channel as a model cylindrical porous medium burner

    2016, Combustion and Flame
    Citation Excerpt :

    In wide practical applications PM burners have been used for maximizing the amount of fuel burning in a given combustion volume, extending the flammability limits, enhancing radiation emission or increasing system efficiency [4,5]. During the past several decades, much experimental [6–8] and theoretical [9–15] researches have been devoted to understanding the characteristics of flame stabilization affected not only by mixture conditions but also by solid properties. Since the excess-enthalpy burning in PM is the result of gas-solid thermal interaction, a reaction–diffusion wave in gas should be accompanied by a heat diffusion wave in solid.

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