[論文レビュー] A Novel Approach for Direct Measurement of the Stretch Factor in Laminar Premixed Hydrogen-Air Flames Affected by Thermodiffusive Instabilities

Marcel Marburger, Christoph Möller+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2026

Combustion and flame dynamics被引用数 0

ひとこと要約

要約：本研究はOH-PLIFを用いた棒アンカー付きV字形燃焼では、安定な上流分岐と熱拷貝分極（TD）不安定な下流分岐を比較することにより、伸長因子I0を直接測定する実験的設定を示し、2-Dシミュレーションで支持する。

ABSTRACT

This study introduces a novel experimental configuration using OH-PLIF imaging to directly determine the stretch factor ($I_0$) in laminar premixed hydrogen flames transitioning from a quasi-stable to a thermodiffusively unstable regime. A rod-anchored V-flame is stabilised in a laminar premixed reactant flow. Near the anchoring rod, the mildly strained flame remains quasi-stable, exhibiting a smooth surface and a well-defined inclination angle ($θ_{\mathrm{s}}$) to the main flow. This stable branch is associated with a burning rate $S_{\mathrm{s}}$. Farther downstream, the flame abruptly transitions to a regime dominated by thermodiffusive (TD) instabilities, characterised by cellular structures and a wrinkled surface. The distance between this transition and the anchor decreases with increasing equivalence ratio. This TD-unstable branch exhibits a larger mean flame-surface angle ($θ_{\mathrm{u}}$), enabling direct determination of the flame-speed increase, $S_{\mathrm{u}}/S_{\mathrm{s}}$. It is assumed that this ratio represents the normalised flame consumption speed, $S_{\mathrm{c}}/S_{\mathrm{L}}$. Determination of $I_0$ additionally requires the increase in flame-surface area caused by the thermodiffusive instabilities. Three complementary methods are therefore used to evaluate the surface area of the TD-unstable branch ($A$) relative to a smooth reference area ($A_0$), yielding consistent trends in $A/A_0$ over the investigated equivalence-ratio range. The resulting $I_0$ values, with the main uncertainty arising from $A$, decrease monotonically with increasing equivalence ratio, from about 1.1--1.3 at $ϕ=0.35$ to 0.8--0.9 at $ϕ=0.40$, consistent with theoretical predictions. Additional numerical simulations in a reduced two-dimensional representation reproduce the same transition behaviour and yield qualitatively consistent results.

研究の動機と目的

• 熱混合性及び温度拡散不安定性がLEANな水素–空気混合燃焼に与える影響を動機付け、定量化する。
• 観測可能な炎ジオメトリと表面積からI0を直接推定する実験手法を開発する。
• 安定な分岐とTD不安定な分岐を分離・特徴づけ、モデル検証を可能にする。
• 実験手法と傾向を裏づけるための縮約2-Dシミュレーションによる数値的補強を提供する。

提案手法

• OH-PLIFイメージングを用いて棒アンカー付きV字形のLEAN H2/空気炎を利用し、安定な上流分岐と下流のTD不安定分岐を同定する。
• TD onset点を決定し、炎前縁の傾斜角度θs, θuを抽出してsin関係から幾何学的にS_u/S_sを算出する。
• TD不安定領域における炎表面積の増加A/A0を三つの等高線検出法（f-canny、f-otsu、f-otsuCanny）を用いて推定する。
• I0をI0 = (S_u/S_s) (A0/A)として定義し、S_s ≈ S_Lの近似時の近似指標とする。
• 実験を再現し比較のためYcベースの炎表面を計算するためにSAGE反応機構と混合物平均拡散を用いた2-D数値シミュレーション（CONVERGE）を行う。

Fig. 1: Cross section of the test rig with imaging FOV.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 棒アンカー付きV字火炎構成はLEANなH2/空気条件下でTD不安定性の発現を直接観察することができるか？
• RQ2 安定側と不安定側の炎速比と表面積増加を組み合わせて、伸長因子I0の信頼できる推定が得られるか？
• RQ3 2-Dシミュレーションは実験的に観察されたTD転換を再現し、提案されたI0推定法を支持するか？
• RQ4 当量比はTD onset、炎の角度、表面積、推定I0にどのように影響するか？
• RQ5 OH-PLIFデータからA/A0を推定する際の不確かさはどの程度か、そして異なる表面検出法はどのように比較されるか？

主な発見

• 上流側の安定分岐は下流のTD不安定で急に変化する高く皺の多い分岐へ転移する。TD onset位置は当量比の増加に伴い減少する。
• TD不安定分岐は平均炎角度θuが大きく、S_uはS_sに比べて高い実効炎速を反映する。これはθu/θsからS_u/S_s = sin(θu)/sin(θs)で推定される。
• 不安定分岐の平均面积比A/A0はφを通じて概ね一定に保たれる一方、S_u/S_sは当量比の増加とともに減少し、φとともにI0が減少する。
• 実験的I0推定はφ=0.35で概ね1.1–1.3、φ=0.4で0.8–0.9の範囲にあり、理論的期待とモデル予測と一致する。
• 数値シミュレーションは転換と傾向を概ね再現し、ユニティ・ルイス数輸送を課すとTD不安定性が抑制され、TDIsがリーンH2/空気の下でのサブ-ルイス数効果から生じることを確認する。
• 独立した三つの実験的面積検出法はいずれもA/A0の傾向が一貫しており、I0推定アプローチの頑健性を支持する。

Fig. 2: Selected single shots (left panels) and averages (right panels) for all equivalence ratios. The horizontal dashed red lines indicate the mean onset location of TDIs. An example of the calculated fit segments is given for the equivalence ratio of $\phi=0.36$ . The fit of the stable section is