Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie mécanique, Institut des sciences de l'énergie ISE

Experimental study of cellular instabilities in non-premixed flames

Lo Jacono, David ; Monkewitz, Peter Alexis (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3336.

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    Summary
    A systematic experimental study was performed to elucidate the conditions for which cellular patterns of diluted hydrogen diffusion flames near extinction were observed. The formation of cellular instabilities was studied for several burners: jet burners (axisymmetric jet and two-dimensional jet) and a novel one-dimensional burner. The fuel and oxidizer Lewis numbers and the initial mixture strength (fuel-to-oxygen concentration ratio normalized by the stoichiometric value) were identified as the key governing parameters. The formation of cellular flames occurs for low reactant Lewis numbers (less than one) and near the extinction limit. For the jet burners, the parameter space for cellularity was found to decrease with either decreasing initial mixture strength, either increasing the fuel jet velocity. For a given fuel mixture, the wavelength associated with the cellular instabilities was found to decrease with either decreasing oxygen concentration, or increasing the fuel jet velocity. To study the supression of hydrodynamic effects on the cellular instabilities, a unique burner was constructed to experimentally realize a onedimensional unstrained planar non-premixed flame, previously only considered in idealized theoretical models. The results shos that when the oxidizer diffuses against the bulk flow the propensity of cellular instabilities increases with decreasing the initial mixture strength which is in agreement with the theoretical predicitions for this type of burner as well as experimental results for jet diffusion flames.
    Résumé
    Ce travail consiste en une étude expérimentale systématique visant à élucider les conditions pour lesquelles on observe des formations cellulaires dans des flammes de diffusion de type hydrogène proche de l'extinction. La formation de ces instabilités cellulaires ont été étudiées avec plusieurs types de brûleurs, les brûleurs classiques dits "jet" (jet axisymétrique et jet bidimensionnel) et un nouveau brûleur unidimensionnel. Les principaux paramètres régissant ces instabilités cellulaires sont les nombres de Lewis du combustible et du comburant et la composition initiale de mélange (rapport entre la concentration de combustible et la concentration de comburant normalisé par le rapport stoechiométrique). La formation des flammes cellulaires est favorisée pour des nombres de Lewis relativement bas et proches de la limite d'extinction. Pour des brûleurs "jet", la zone d'instabilité cellulaire diminue soit en augmentant la composition initiale de mélange, soit en augmentant la vitesse de sortie du combustible. Pour un mélange particulier de combustible, les longueurs d'ondes associées aux instabilit és cellulaires se sont avérées diminuées pour des concentrations d'oxygène décroissantes et pour des vitesses de jet croissantes. Afin d'étudier les instabilités cellulaires dans des flammes de diffusion sans effet hydrodynamique, un nouveau brûleur a été développé dans le but de réaliser expérimentalement une flamme de diffusion plane unidimensionnelle non-étirée, précédemment uniquement considérée dans des modèles théoriques. Les zones d'instabilités cellulaires pour des flammes de type hydrogène sont en bon accord avec les prédictions théoriques et avec les expériences menés dans les brûleurs "jet" résultats du comportement d'une flamme de diffusion proche de l'extinction issu d'un tel dispositif sont comparables à ceux issu des brûleurs "jet".