[論文レビュー] Flickering of buoyant diffusion flames: a vortex dynamics revisit

Xi Xia, Peng Zhang|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2018

Combustion and flame dynamics参考文献 58被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、浮力拡散炎における閃光現象を、渦動力学を用いて再考し、トロイダル渦の周期的剥離が実験的に観察されたスケーリング則 f ∝ D⁻¹/² と関連付ける。非次元循環に基づく普遍的な渦リング剥離基準を適用することで、プール炎およびジェット炎の両方の実験データと定量的に一致する理論的閃光周波数式を導出する。

ABSTRACT

Previous studies have found that the flickering of buoyant diffusion flames is associated with the periodic shedding of a toroidal vortex, which is formed under gravity-induced shearing at the flames. Moreover, numerous experimental investigations have reported the scaling relation, $f \propto D^{-1/2}$, where $f$ is the flickering frequency and $D$ is the diameter of the fuel inlet. However, the connection between the toroidal vortex mechanism and the scaling relation has not been clearly understood. The current study theoretically revisits this problem from the perspective of vortex dynamics. The theory incorporates a recent finding in the vortex dynamics community: the detachment of a continuously growing vortex ring is inevitable and can be dictated by a universal constant that is essentially a non-dimensional circulation of the vortex. By calculating the total circulation of the toroidal vortex and applying the vortex ring detachment criterion, we mathematically established the connection between the lifetime of a toroidal vortex and the flickering of a buoyant diffusion flame, resulting in a general flickering frequency formulation, which is validated by comparing with existing experimental data of pool and jet diffusion flames.

研究の動機と目的

• 浮力拡散炎における観察された閃光周波数スケーリング（f ∝ D⁻¹/²）とその背後にあるトロイダル渦動力学の間の長年のギャップを解消すること。
• 渦リング剥離と炎の閃光挙動の間の理論的関係を確立すること。
• プール炎およびジェット炎の実験データを用いて、一般化された閃光周波数式の妥当性を検証すること。
• 非次元循環に基づく最近発見された普遍的な渦リング剥離基準を、乱流炎動力学に適用すること。

提案手法

• 重力によるせん断場下で、浮力拡散炎の基部に形成されるトロイダル渦の理論的モデリング。
• 渦動力学の原則を用いて、成長するトロイダル渦の全循環の計算。
• 剥離を臨界非次元循環値によって定義する普遍的な渦リング剥離基準の適用。
• 剥離条件から渦の寿命を導出し、それを直接的に閃光周波数に関連付ける。
• 炎の直径 D の幾何的スケーリングと渦動力学に基づいた一般化された閃光周波数式の構築。
• プール炎およびジェット炎の両方の既存実験データと照らし合わせて、理論的周波数モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トロイダル渦の剥離が、浮力拡散炎における観察された f ∝ D⁻¹/² スケーリングとどのように関連しているか、物理的メカニズムは何か。
• RQ2 渦リング剥離基準をどのように適用することで、乱流拡散炎における閃光周波数を予測できるか。
• RQ3 普遍的な非次元循環閾値が、異なる炎の幾何形状において閃光の周期性を説明できるか。
• RQ4 渦動力学に基づく理論的モデルが、プール炎およびジェット炎における実験的閃光周波数をどの程度正確に再現できるか。
• RQ5 渦の成長および循環の進化が、浮力拡散炎における閃光の寿命と周波数を決定する上で果たす役割は何か。

主な発見

• 本研究は、成長するトロイダル渦の剥離と浮力拡散炎の閃光周波数との間の直接的な理論的関連を確立した。
• 導出された閃光周波数式は、プール炎およびジェット炎の両方で実験的スケーリング f ∝ D⁻¹/² と整合的である。
• 非次元循環に基づく普遍的な渦リング剥離基準は、渦の剥離の特徴的な timescale を的確に予測できた。
• 理論的モデルは、既存の実験データと良好な定量的整合性を示し、渦動力学的手法の有効性を裏付けた。
• 解析から、閃光周波数は、渦の成長と剥離の臨界循環閾値のバランスによって支配されていることが明らかになった。
• 結果は、同じ渦動力学的原理が異なる炎の構成に共通して適用可能であり、炎の閃光に普遍的なメカニズムが存在することを示唆している。