The Effect of Nonuniform Wall Spacing on the Flame Transfer Function of a Turbulent Swirling Flame

Abstract

Eksperimentelle undersøkelser har blitt gjennomført for å studere effekten av varierende veggavstand på flammetransferfunksjonen til en turbulent, virvlet og forblandet flamme i et ikke-uniformt brennkammer. For å variere flammehøyden har forsøk blitt utført med varierende ekvivalensforhold og innløpshastighet. Ved hjelp av gjennomsnittsbilder er det blitt vist at en sterk flamme-vegg interaksjon oppstår når flammehøyden økes eller veggavstanden minkes, da begge fører til høyere effektiv inneslutning av flammen. Som en konsekvens av den minkende veggavstanden ser det ut til at den ytre resirkulasjonssonen har en sterkere effekt på flammen, noe som drar flammetuppene nedover og ser ut til å gjøre flammen mer kompakt. I mange av tilfellene viser transferfunksjonene et distinkt minimum i amplituderesponsen som skyldes interferens mellom akustiske perturbasjoner fra virvleren og den koniske flammeholderen. Styrken til dette minimumet ser ut til å avta når flammehøyden økes ved å øke ekvivalensforholdet i det samme kammeret. Til tross for dette observeres en effekt der økende inneslutning grunnet mindre veggavstand styrker både effekten av minimumet og det første maksimumet i responsen. Basert på dette kan man se at økende inneslutning grunnet mindre veggavstand ikke har den samme effekten som økende inneslutning grunnet høyden. Minkende veggavstand ser også ut til å gjøre flammen mer asymmetrisk, noe som betyr at forskjellen mellom flammen sett fra den lengre og kortere siden av kammeret øker. En analyse av flammedynamikken har blitt gjennomført for to kritiske operasjonspunkt i kamrene med minst og størst veggavstand; en kort flamme gitt ved hastigheten Ub=10m/s og ekvivalensforholdet Φ=1.0, og en lengre flamme gitt ved Ub=18m/s og Φ=0.6. Analysen av den korte flammen viser lignende oppførsel i begge kamrene, både når det gjelder global respons og den lokale strukturen til varmestrømsoscillasjonene. I motsetning så viser den lengre flammen en demping av responsen ved høye frekvenser som øker med minkende veggavstand, noe som viser at flamme-vegg interaksjoner og asymmetri har en signifant påvirkning på strukturen og responsen til høye innesluttede flammer.

The Flame Transfer Function (FTF) has been experimentally investigated for a premixed, turbulent and highly swirled flame in nonuniform enclosures with varying wall spacing. A range of equivalence ratios and inlet bulk velocities are considered to vary the height of the flame. The flame is shown through mean imaging to display strong flame-wall interaction that increases with confinement as a function of increasing height and decreasing wall spacing. As a consequence of the decreasing wall-spacing the outer recirculation zone can be seen to increasingly affect the flame geometry, seemingly making the flame more compact. For many of the cases, the FTF displays a characteristic dip due to the interference of perturbations created by the swirler and the bluff body. The strength of this dip is seen to decrease with decreasing equivalence ratio corresponding to increased flame height. However, the strength of the minima can also be seen to increase when the confinement is increased by decreasing the wall spacing. Similarly, the magnitude of the first peak of the FTF increases with increased confinement. Decreasing the wall spacing can also be seen to increase the asymmetry of the flame, manifested as large differences in flame shape. Analysis of the phase averaged dynamics has been conducted for two critical operational conditions in the least and most confined enclosures; a short flame given by a bulk velocity Ub=10m/s and equivalence ratio Φ=1.0, and a longer flame where Ub=18m/s and Φ=0.6. The analysis of the shorter flames shows a similar behaviour in both enclosures, both in terms of the global response and the local structure of the heat release rate oscillations. On the contrary, the taller flame case has shown a suppression of the response for higher frequencies that increases with the narrowing of the combustor, showing that a combination of flame-wall interactions, flame asymmetry and elongation has a significant impact on the structure and response of taller confined flames.