Narzędzia help

Preferencje help
Polish version English version Język
Widoczny [Schowaj] Abstrakt
Liczba wyników
first last
cannonical link button

http://yadda.icm.edu.pl:80/baztech/element/bwmeta1.element.baztech-article-LOD6-0005-0006

Czasopismo

Zeszyty Naukowe. Rozprawy Naukowe / Politechnika Łódzka

Tytuł artykułu

Badanie rozprzestrzeniania się i gaszenia płomienia podczas spalania mieszanki w polu dużych sił odśrodkowych

Autorzy Gorczakowski, A. 
Treść / Zawartość
Warianty tytułu
EN The investigations of flame propagation and extinction for mixture combustion in a field of high centrifugal forces
Języki publikacji PL
Abstrakty
PL Tematem pracy są zjawiska towarzyszące spalaniu jednorodnej mieszanki, a w szczególności rozprzestrzenianiu się płomienia w ładunku zawirowanym. Praca dotyczy związku ilościowego między parametrami płomienia a parametrami ruchu wirowego, zależności ilościowej między gaszeniem płomieni a składem mieszanki i prędkościami obwodowymi wiru. Opisuje także wielkości składające się na bilans cieplny komory spalania i mechanizm gaszenia płomienia w polu sił odśrodkowych. Badania prowadzono w zbiornikach cylindrycznych (wykonanych ze szkła organicznego - polimetakrylan metylu - "plexiglas"), o średnicach wewnętrznych 90 i 140 mm, szerokościach od 20 do 100 mm, o poziomej osi wirowania. Prędkości wirowania zmieniały się od 0 do 628 s-1, (CH-6000 obr/min). Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że osiowosymetryczne rozprzestrzenianie się płomieni zachodzi przy prędkościach kątowych powyżej w = 30 s-1 (ok. 300 obr/min). W komorach spalano mieszanki gazowe metanu z powietrzem o składach 5.6^10% CH4 i propanu z powietrzem o składach 3-4% C3H8. Przebieg eksperymentu był sterowany układem komputerowym inicjującym powstanie iskry i umożliwiającym rejestrację danych, a obraz rejestrowano kamerą wideo. Eksperymenty prowadzono przy założeniu wstępnego modelu wirowania ładunku zamkniętego w komorze spalania jako ciała sztywnego. Sytuacja taka występuje na początku eksperymentu w czasie wirowania. Słuszność tego założenia zweryfikowano przez wykonane pomiary eksperymentalne. Potwierdzenie uzyskano przez zarejestrowanie szybką kamerą wideo trajektorii świecących cząstek poruszających się prostopadle do osi wirowania komory spalania, a także przez pomiar prędkości gazu w wirującej komorze względem jej cylindrycznej ścianki. Otrzymane wyniki dowiodły słuszności przyjętego założenia początkowego. Zapłon mieszanki, rozprzestrzeniający się płomień i powstałe cyrkulacje ochłodzonych spalin powodują przemieszczanie się gazów oddziałujących na płomień. Analizowano mechanizm rozprzestrzeniania się płomienia w stałej objętości zamkniętej komory spalania, dla różnych składów mieszanki metan-powietrze i różnych prędkości obrotowych komory. Dla tych zmiennych parametrów określono szybkość przyrostu ciśnienia w komorze spalania, promień i szerokość czoła płomienia. Stwierdzono również, że zwiększenie prędkości kątowej najpierw nieznacznie rozszerza, a następnie redukuje zakres granic palności. Płomienie w ubogich mieszankach, przy wysokich obrotach są szybko gaszone, co uniemożliwia spalenie całej objętości mieszanki. Rozpoczęcie procesu gaszenia płomienia zostaje przyspieszone, gdy mieszanka jest uboga lub prędkość obrotowa wyższa. W oparciu o uzyskane wyniki zestawiono bilans cieplny ładunku spalanego w wirującej cylindrycznej komorze o stałej objętości. Wyznaczono również straty ciepła do ścianki komory, a w oparciu o zmierzone na powierzchni ścianki czołowej rozkłady temperatury, analitycznie zlinearyzowane, obliczono gęstość strumienia ciepła wnikającego do ścianki (plexiglas) dla różnych prędkości obrotowych. Zaproponowano sposoby obliczania strat ciepła drogą przewodzenia, przejmowania i promieniowania. Przedstawiono model początkowego stadium rozprzestrzeniania się płomienia, dla którego uzyskano zadowalającą korelację z wynikami eksperymentalnymi. W trakcie realizacji prac przeprowadzono również pomiary miejscowej temperatury płomienia i spalin w wirującej komorze spalania. Celem tych pomiarów było wyznaczenie profilu temperatury rozprzestrzeniającego się płomienia oraz określenie promieniowego przemieszczania się czoła płomienia w połowie szerokości komory i spalin przy ściance. Otrzymane wyniki, tj. zarejestrowane profile temperatury, umożliwiły jakościową ocenę zachowania się czoła płomienia w wirującej komorze dla różnych składów mieszanki i różnych prędkości obrotowych. Stwierdzono, że grubość płomienia (określona na podstawie profilu temperatury) maleje przy wzroście prędkości obrotowej cylindrycznej komory spalania. Uzyskany rząd wielkości grubości czoła płomienia jest zbliżony do danych prezentowanych przez Andrewsa i Bradleya. W momencie zgaszenia płomienia spaliny "wyprzedzają" płomień, znajdują się na większym promieniu. Kolejnym etapem pracy były badania szybkości rozprzestrzeniania się i gaszenia płomienia w komorze otwartej, przy stałym ciśnieniu i różnych prędkościach kątowych, dla mieszanki metan-powietrze o koncentracji bliskiej stechiometrycznej, oraz dla mieszanek propan-powietrze o różnych składach - od mieszanki skrajnie ubogiej do stechiometrycznej. Na podstawie tych eksperymentów określono wpływ przyspieszenia promieniowego na prędkość spalania laminarnego. Analiza wyników doświadczalnych wskazuje, że dla danego składu mieszanki krytyczne bezwymiarowe przyspieszenie kątowe jest liniową funkcją prędkości kątowej, a iloczyn prędkości kątowej i promienia krytycznego, na którym rozpoczyna się gaszenie płomienia, jest stały dla danego składu mieszanki. Płomień jest gaszony przy określonej szybkości obwodowej. Oprócz płomieni inicjowanych centralnie w osi komory badano również mechanizm rozprzestrzeniania się płomienia w wirującej komorze spalania przy zapłonie inicjowanym z dala od osi obrotu komory spalania, dla bogatych mieszanek propan-powietrze przy różnych prędkościach obrotowych, rejestrując obrazy szybką kamerą. Sfilmowane przebiegi wykorzystano do określenia położenia toru, po którym poruszał się geometryczny środek płomienia. Opisano mechanizmy gaszenia płomienia i zaniku płomienia, których słuszność potwierdziły symulacje komputerowe, a zastosowana metoda cieniowa zdjęć schlierenowskich potwierdziła przyjęty model procesu rozprzestrzeniania się i gaszenia płomienia w wirującej komorze spalania.
EN The phenomena accompanying homogeneous mixture combustion, in particular flame propagation structure in swirling load of a combustion chamber, are the subject of the paper. The work concerns a quantitative relationship between flame parameters and rotating motion parameters, a quantitative relation between flame quenching and both a mixture composition and centrifugal acceleration. The quantities (elements) involved in a thermal balance of a combustion chamber and in a flame quenching mechanism in a centrifugal forces field are also described. The experimental investigations were conducted in rotating cylindrical combustion chambers made of organic glass with horizontal axis of rotation. The combustion chambers with different inner diameters (90 and 140 mm) and different lengths (from 20 to 100 mm) were used at rotation rates of up to 6000rpm (from 0 to 628 s-1). Gaseous mixtures methane - air (5,6-10% of methane) and propane - air (3-4% of C3H8) were burned in the chambers. A special computer program was used to control an experimental procedure, to initiate a spark-over and to enable data recordings. The photographic records were made with a colour video camera. The experiments were conducted under the assumption of rigid - body rotation of the gas model. The legitimacy of the assumption was verified by experimental measurements. A confirmation was achieved by the recorded (with high-speed video camera) trajectories of radiant particles moving in radial direction in the section perpendicular to the axis of rotation of the cylindrical vessel, as well as gas velocity measurements inside a rotating chamber as regards its cylindrical wall. The achieved results proved the legitimacy of the assumption. A mixture ignition, propagating flame and arising circulation of cooled combustion gases cause gases interacting with the flame to move. During the experiments a propagation mechanism of flame combustion in a constant volume closed chamber was analyzed for different compositions of methane - air mixture and various rotation rates of the chamber. For above - mentioned varying parameters, the pressure increase rate in combustion chamber, as well as the radius and width of flame front, were determined. On the basis of the obtained results, the thermal balance of burned load in a rotating cylindrical vessel with constant volume was put together, as well as heat loss to the wall. Relaying on measured and linearized temperature profiles, heat flux density for heat penetrating cylindrical wall (wall material - organic glass, polymethacrylate methyl) was calculated. Relaying on the obtained results, it was found that axis-symmetrical propagation took place for angular velocities over w= 30 s-1. An angular velocity increase caused at first small extend of the flammability limits and then caused reduction of the flammability limits. Lean mixture flames, for high rotation rates, were quickly quenched, that was the reason of incomplete combustion of gas mixture. The beginning of flame quenching process was advanced, when the mixture was lean or a rotational speed was higher. The calculation methods of heat losses by the way of conduction, convection and radiation were proposed. The model of the initial flame propagation stage was presented, for which the satisfactory correlation with experimental data had been achieved. During the course of the experimental work local flame and combustion gases temperature measurements were done inside a rotating combustion chamber. One of the main purposes of the measurements was to determine temperature profile of propagating flame, as well as to characterize radial flame front propagation (at the half width of the chamber) and combustion gases propagation at the wall. The obtained results, recorded temperature profile (temperature increase rate), made possible a qualitative evaluation of flame front behaviour inside rotating chamber for various mixture contents and for different rotational velocities. A temperature profile was used to determine flame front thickness. It was found that the thickness of flame front decreased when a rotational rate of combustion chamber increased. Obtained order of magnitude for flame front thickness was very similar to the results presented by Andrews and Bradley. Investigations of flame propagation and quenching mechanism in an open vessel, under constant pressure and varying rotational rates, for methane - air mixture with concentration 8.45% and for propane - air mixtures with different compositions (from lean mixture to stoichometric one) were the next step in realization of the project. At the moment, when the flame was extinguished, the combustion gases "overtook" the flame and they were situated at the larger radius. On the basis of experiments done for open combustion chamber, the influence of radial acceleration on laminar combustion velocity was established. The experimental results analysis indicates, that for given mixture composition, critical dimensionless angular acceleration is a linear function of angular velocity, and the product of angular velocity and a quenching radius is constant for a given mixture composition. The flame is quenched at the specific rotational speed. Apart from the flames initiated in the centre of the combustion chamber axis, a flame propagation mechanism in a rotating chamber for ignition initiated far away from rotational axis of combustion vessel, for rich mixtures propane - air at various rotational rates was also investigated with use of recordings from highspeed video camera. The photographic records were used to determine the trajectory of the geometric centre of the flame. The mechanisms of flame quenching and flame disappearance were described. The legitimacy of them was confirmed by computer simulations and applied Schlieren method confirmed the proposed model of flame propagation and quenching in a rotating combustion chamber.
Słowa kluczowe
PL spalanie   paliwa  
EN cambustion   fuel  
Wydawca Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej
Czasopismo Zeszyty Naukowe. Rozprawy Naukowe / Politechnika Łódzka
Rocznik 2008
Tom Z. 375
Strony 3--127
Opis fizyczny Bibliogr. 73 poz., tab., wykr.
Twórcy
autor Gorczakowski, A.
  • Politechnika Łódzka. Instytut Techniki Cieplnej i Chłodnictwa
Bibliografia
[1] Kordylewski W., Spalanie i paliwa, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1999.
[2] Oppenheim A.K., Pulsed Jet Combustion - Its Past, Present, and Future, Archivum Combustionis, Vol. 11, No. 1-2, 1991, pp. 3-18.
[3] Wolanski P., Application of Pulsed Jet Combustion to Internal Combustion Engines, [in:] Dynamics of Exothermicity, J. Ray Bowen Ed., Gordon and Reach Publications, 1996, pp. 131-150.
[4] May M.S. and Spinnler F., Betriebserfahrungen Hochverdichteten Ottomotoren nach dem May Fireball-Verfahren, MTZ, No. 6,39: 243-246,1978.
[5] Overington M.T., Gasoline Engine Combustion - The High Ratio Compact Chamber, SAE Technical Paper Series 820166, 1982.
[6] Downs D., The Passenger Car Power Plant; Future Perspectives, paper presented at the XIX International FISITA Congress, Melbourne, Australia, 8-12 November 1982, Ricardi Report DP 82/2165.
[7] Jarosiński J., Łapucha R., Mazurkiewicz J. and Wójcicki S., Investigation of a Lean-Burn Piston Engine with Catalytic Prechamber, SAE Technical Paper Series 960083, 1996.
[8] Takagi T., A New Era in Spark-Ignition Engines Featuring High-Pressure Direct Injection, Twenty-Seventh Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, pp. 2055-2068, 1998.
[9] Kuwahara K., Ueda K. and Ando H., Mixing Control Strategy for Engine Performance Improvement in a Gasoline Direct Injection Engine, SAE Technical Paper 980158, 1998.
[10] Zhao F., Lai M.C., Harrington D.L., Automotive spark-ignited direct-injection gasoline engines, Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 25, No. 5, 1999, pp. 437-562.
[11] Moore N.P.W., Martin D.G., Flame propagation in vortex flow, Fuel, 32, pp. 393-394,1953.
[12] Beer J.M. and Chigier N.A., Combustion aerodynamics, Chapter 5. Swirling flows, Applied Science Publishers LTD, London 1972.
[13] McCormack P.D., Combustible vortex rings, Proc R Irish Acad. Sect A, 71(6),pp. 73-83, 1971.
[14] McCormack P.D., Scheller K., Mueller G., Tisher R., Flame propagation in a vortex core, Combust. Flame 19(2): pp. 297-303, 1972.
[15] Krivulin V.N., Lovachev L.A. and Makeev V.L, A study of combustion limits in large volumes. II. Propane-air mixture. Combustion and Explosion, pp. 296, Nauka, Moscow, 1972.
[16] Margolin A.D, Karpov V.P., Combustion of a rotating gas, Dokl. Acad. Nauk SSSR, 216, 346, pp. 1-9, 1974.
[17] Margolin A.D, Karpov V.P., Flame propagation in an eddy combustion chamber, Society of Automative Engineers. No. 741165, International Stratified Charge Engine Conference, Troy, Michigan, October 30 - November l, 1974.
[18] Lovachev L.A., On flame propagation in vortices, Combustion and Flame 27: pp. 125-127, 1976.
[19] Lovachev L.A., Flammability limits; a review, Combustion and Flame 29: pp. 204-209, 1979.
[20] Babkin V.S., Badalyan A.M., Borysenko A.V, Zamanshchikov V.V., Flame quenching in a rotating gas, Fizika Gorenija i Vzryva, 18: pp. 17-20, 1982.
[21] Hanson R.J. and Thomas A., Flame development in swirling flows in closed vessels, Combust. Flame, 55: pp. 255-277, 1984.
[22] Chomiak J., Dissipation fluctuations and the structure and propagation of turbulent flames in premixed gases at high Reynolds numbers, Proc. Combust. Inst. 16: pp. 1665-1673, 1977.
[23] Daneshyar H.D., Hill P.G., The structure of small scale turbulence and its effect on combustion in spark ignition engines, Prog. Energy Combust. Sci. 13: pp. 47-73, 1987.
[24] Sakai Y. and Ishizuka S., The phenomena of flame propagation in a rotating tube Twenty Sixth Symposium (International) on Combustion, The Combustion , Institute, pp. 847-853, 1996.
[25] Ishizuka S., Lifting mechanism of free jet diffusion flame, Twentieth Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, pp. 287-294, 1984.
[26] Sakai Y. and Ishizuka S., A comparison between experimental measurements and numerical calculations of the structure of premixed rotating counter flow methaneair flames, Twenty Fourth Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, pp. 153-159, 1992.
[27] Yamamoto K., Ishizuka S. and Hirano T., Effects of rotation on the stability and structure of tubular flame, Twenty Fifth Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, pp. 1399-1404, 1994.
[28] Ishizuka S., Murakami T., Hamasaki T., Koumura K., Hasegawa R., Flame speeds in combustion vortex rings, Combust. Flame, 513: pp. 542-553, 1998.
[29] Ishizuka S., Characteristics of tubular flames, Prog. Energy Combust. Sci. 19: pp. 187-226, 1993.
[30] Ishizuka S., On the flame propagation in a rotating flow field, Combust. Flame, 82: pp. 176-190, 1990.
[31] Ishizuka S., Flame propagation along a vortex axis, Progress in Energy and Combustion Science, 28: pp. 477-542, 2002.
[32] Chen Z.H., Liu G.E., Sohrab S.H., Premixed flames in counterflow jet under rigid body rotation, Combustion and Flame 51: pp. 39-50, 1987.
[33] Sivashinsky G.I., Sohrab S.H., The influence of rotation on premixed flames in flow, Combust. Sci. and Tech., 53: pp. 67-74, 1987.
[34] Umemura U., Tomita K., Rapid flame propagation in a vortex tube in perspective of vortex breakdown phenomena, Combust. Flame, 125: pp. 820-838, 2001.
[35] Hasegawa T., Nishikado K., Chomiak J., Flame propagation along a fine vortex tube, Combust. Sci. and Tech., 108: pp. 67-80, 1995.
[36] Hasegawa T., Michikami S., Nomura T., Gotom D., Sato T., Flame development along a straight vortex, Combust. Flame, 129: pp. 294-304, 2002.
[37] Ashurst Wm. T., Flame propagation along a vortex: the baroclinic push, Combust. Sci. and Tech., 112: pp. 175-185, 1996.
[38] Sivashinsky G.L, Rakib Z., Matalon M., Sohrab S.H., Flame propagation in a rotating gas, Combust. Sci. and Tech., 77: pp. 37-53,1988.
[39] Sheu W.J., Sohrab S.H., Sivashinsky G.I., Effect of rotation on Bunsen flame, Combust. Flame, 79: pp. 190-198, 1990.
[40] Cha J.M., Sohrab S.H., Stabilization of premixed flames rotating Bunsen burners, Combust. Flame, 106: pp. 467-477, 1996.
[41] Atobiloye R.Z. and Britter R.E., On flame propagation along vortex tubes, Combust. Flame, 98: pp. 220-230, 1994.
[42] Pischinger F., Taucar G., Der Mechanismus der Verbrennung im Germischwirbel, Motortechnische Zeitschrift (MTZ), No. 6, 34: pp. 67-74, 1987.
[43] Ricardo Co. Eng. Report No EPA-460/3-74-011, 1975.
[44] May M.S. and Spinnler F., Betriebserfahrungen Hochverdichteten Ottomotoren nach dem May Fireball-Verfahren, MTZ, No. 6, 39: pp. 243-246, 1978.
[45] Zawadzki A. and Jarosiński J., Laminarization of flame in rotating flow, Combust. Sci. and Tech., 35: pp. 1-13, 1983.
[46] Jarosiński J., Łapucha R., Mazurkiewicz J. and Wójcicki S., Investigation of a lean-burn piston engine with catalytic prechamber, SAE Technical Paper Series 960083, pp. 1-8, 1996.
[47] Jarosiński J., Łapucha R., Mazurkiewicz J. and Wójcicki S., Combustion System of a Lean-Burn Piston Engine with Catalytic Prechamber, SAE Technical Paper Series 2001-01-l 186, 2001.
[48] Gorczakowski A., Zawadzki A., Jarosiński J. i Veyssiere B., Combustion mechanism of flame propagation and extinction in a rotating cylindrical vessel, Combustion and Flame 120: pp. 359-371, 2000.
[49] Chomiak J., Gorczakowski A., Parra T. and Jarosiński J., Flame Kernel Growth in a Rotating Gas, Combustion Science and Technology, Volume 180 Issue 2, pp. 391-399,2008.
[50] Gorczakowski A. and Jarosiński J., The Phenomena of Flame Propagation in a Cylindrical Combustion Chamber with a Swirling Mixture. 2000 SAE Congress, Detroit 6-9, March 2000.
[51] Jarosiński J., Gorczakowski A., The Mechanism of Laminar Flame Quenching under the Action of Centrifugal Forces . Paper presented at the XVII International Symposium on Combustion Preocesses 2-5 September 2003, Ustroń Poland.
[52] Jarosiński J., Gorczakowski A., The Mechanism of Laminar Flame Quenching under the Action of Centrifugal Forces. Combustion Science and Technology, 178 (8), 1441-1456,2006.
[53] Shoshin Yu. and Gorczakowski A., Effect of Ignition Location on Premixed Flame Propagation in Rotating Vessel, Archivum Combustionis, (w druku 2008)
[54] Gorczakowski A., Jarosiński J., The Mechanism of Flame Propagation Extinction in a Rotating Vessel, The Twenty-Eight International Symposium on Combustion, Edinburg, Scotland, 30 July 4 August 2000.
[55] Jarosiński J., Gorczakowski A., The Mechanism of Flame Extinction in a Rotating Cylindrical Vessel, 17th International Colloqium on on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, July 25-30 1999 Heidelberg Germany, CD-ISBN 3-932217-01-2(173).
[56] Carslaw H.S. & Jaeger J.C., Conduction of heat in solids, Oxford University Press, Oxford 1959.
[57] Hall G.J. & Herzberg A., Recent advances in transient Temperature Thermometry, Jet Propulsion, 11, pp. 719-723, 1958.
[58] Jędrzejowski S., Numerical processing of the eroding thermocouple signals to heat transfer analysis in the reciprocating compressor, Proc. Heat Transfer '98, Cracow 1998.
[59] Marra F.S., Numerical Simulation of Whirl Premixed Flames, Advancement Report, Report of activities of contract No. 509847.
[60] Wiśniewski S., Wymiana ciepła, PWN, Warszawa 1988.
[61] Chomiak J., Jarosiński J., (w książce) Combustion Phenomena – Selected Mechanisms of Flame Formation, Propagation, and Extinction, CRC Press Taylor&Francis Group, (w druku 2008).
[62] Jarosiński J., Techniki czystego spalania, WNT, Warszawa 1996.
[63] Zeldowicz J.B., Tieorija gorenija I dietonacji gazów, Moskwa, Izdatielstwo Akademii Nauk SSSR, 1944.
[64] Gaydon A.G., i Wolfhard H.G., Flames - Their Structures, Radiation and Temperature, Chapman and Hall, London 1953.
[65] Spalding D.B., Some Fundamentals of Combustion, London 1955.
[66] Zhang Y., Ishizuka S., Zhu H., Kee R.J., The effect of rotation rate on the characteristics of premixed propane swirling tubular flame, Proceedings of the Combustion Institute 31 (2007), 1101-1107.
[67] Marra F.S., Analysis of Premixed Flame Propagation In a Rotating Closed Vessel by Numerical Simulation, Mediterranean Combustion Symposium, Manastir, Tunisia, September 2007.
[68] Andrews G.E. and Bradley D., The burning velocity of methane-air mixtures, Combustion and Flame, 19, 275-288, 1972.
[69] Zeldovich Ya.B., Structure and Stability of Steady Laminar Flame at Moderately Large Reynolds Numbers, Academy of Sciences SSSR, Tchernogolovka, 1979.
[70] Hobler T., Ruch ciepła i wymienniki, WNT, Warszawa 1979.
[71] Daou J. and Rogg B., Proc. Combust. Inst., 26: 1275-1281, 1996.
[72] Davies R.M. and Taylor G.I., Proc. R. Soc., A 200: 375,1950.
[73] Gorczakowski A. and Shoshin Yu. Effect of the Off-Axis Ignition on Flame Propagation in a Rotating Cylindrical Vessel. First Baltic Combustion Meeting 2005, Warszawa, Poland, November 27-29, 2005.
Kolekcja BazTech
Identyfikator YADDA bwmeta1.element.baztech-article-LOD6-0005-0006
Identyfikatory