پاسخ شعله پيش مخلوط V- شكل و M- شكل به تحريك آكوستيكي

بررسي تجربي حاضر به مطالعه پاسخ شعله¬هاي پيش‌مخلوط آرام V- شكل و M- شكل به نوسانات آكوستيكي پرداخته است. به طور كلي محفظه¬هاي احتراقي كه در آن¬ها شعله V- شكل تشكيل مي¬شود نسبت به ناپايداري احتراق حساس هستند. شعله¬هاي V- شكل بر روي ميله مركزي مشعل تشكيل مي¬شوند و شعله¬هاي M- شكل به ميله مركزي مشعل و لبه لوله مشعل مي¬چسبند. اين بر خلاف شعله¬هاي مخروطي است كه فقط به لبه لوله مشعل مي¬چسبند. به همين دليل شعله¬هاي V- شكل و M- شكل در مقايسه با شعله¬هاي مخروطي حساسيت بيشتري به نوسانات جريان نشان مي¬دهند. در مطالعه حاضر براي تشكيل شعله¬هاي پيش‌مخلوط V- شكل و M- شكل از مخلوط پروپان- هوا استفاده شده است. در ابتدا با تغيير نسبت هم¬ارزي سوخت- هوا، محدوده¬هاي مناسب نسبت هم¬ارزي براي تشكيل شعله¬هاي پايدار V-شكل و M- شكل تعيين شد. نتايج اوليه نشان داد كه شعله M- شكل در مقايسه با شعله V- شكل در بازه محدودتري از نسبت هم¬ارزي به صورت پايدار تشكيل مي¬شود. سپس براي مطالعه پاسخ شعله به نوسانات آكوستيك از يك بلندگو جهت توليد امواج آكوستيكي با دامنه ثابت در بازه معيني از تواتر-هاي (Frequency) تحريك استفاده شد و نوسانات فشار شعله تحريك شده در پايين دست جريان توسط يك ميكروفون اندازه¬گيري شد. تصاوير مربوط به نوسانات سطح شعله تحريك شده توسط يك دوربين سرعت بالا (CCD Camera) ثبت شد و با استفاده از قابليت¬هاي پردازش تصوير در نرم‌افزار MATLAB دامنه و فاز پاسخ شعله محاسبه شد. همچنين تغييرات شكل شعله و شدت نور آن، در طول يك دوره تناوب، براي مقادير مختلف نسبت هم¬ارزي و دبي جريان بررسي شد. نتايج اين مطالعه نشان مي¬دهد كه نوسانات سرعت و نحوه توليد و انتشار گردابه‌ها نقش مهمي در پاسخ شعله به نوسانات آكوستيكي دارند. همچنين فاز تابع پاسخ شعله نسبت به تغييرات تواتر تحريك رفتاري شبه- خطي دارد. اين امر بيانگر آن است كه تاخير زماني مربوط به نوسانات گرماي آزاد شده نسبت به نوسانات تحريك شعله مقداري معين است. به عبارتي ديگر نوسانات آكوستيك همواره پس از مدت زماني معين به سطح شعله مي¬رسند. نتايج مربوط به بهره پاسخ شعله نيز نشان مي¬دهد كه شعله در محدوده معيني از تواتر¬هاي تحريك آكوستيك به تغييرات نسبت ¬هم¬ارزي حساس¬تر است. با بررسي رفتار شعله در يك دوره تناوب مي¬توان محدوده زماني مربوط به بيشينه گرماي آزاد شده از شعله را تعيين كرده و تاثير متغيرهاي غيرخطي در پاسخ شعله را بررسي كرد.

An experimental study was conducted on the response of V-shaped and M-shaped premixed flames to external acoustic excitation. Low emission premixed combustors with anchored V-flames are susceptible to combustion instabilities. V-flames attach to an anchoring rod at the centre of the burner, whereas M-flames attach to the anchoring rod as well as the burner rim. This is in contrast to conical flames which are anchored only on the burner rim. As a consequence, V- and M-shaped flames are more sensitive to external flow perturbations. In the present study, a mixture of propane-air was used. The mixture equivalence ratio was changed to determine the stability range of V- and M-shaped premixed flames. The results indicated that M-shaped flames have a narrower stability range compared to that of V- flames. This limited the equivalence ratios range for acoustic excitation experiments. In order to study the flame response to external acoustic excitations, a loud speaker was placed upstream of the flame to generate acoustic waves in a certain range of frequencies. Pressure fluctuations caused by the acoustically excited flame were measured by a microphone placed downstream of the burner. Flame imaging was done with a CCD high speed camera during acoustic excitations. These images were used for flame response determination. Image processing was accomplished using the MATLAB software to obtain the amplitude and phase of the flame response. Variations of the flame shape and the intensity of light emitted by the flame were examined during a period of excitation for various values of equivalence ratios and flow rates. The results indicated that the vortex shedding and roll-up due to the velocity perturbations play an important role on the flame response. The phase response of flames evolves quasi-linearly with excitation frequency, indicating a certain time delay for the fluctuations to reach the flame surface. Also, in a certain range of excitation frequency, the flame gain response exhibits more sensitivity to variation of the equivalence ratio. Observations of the V- flame behavior during a period of excitation have led to determination of the effects of nonlinear parameters on the flame response.