[논문 리뷰] A Novel Approach for Direct Measurement of the Stretch Factor in Laminar Premixed Hydrogen-Air Flames Affected by Thermodiffusive Instabilities

Marcel Marburger, Christoph Möller외 6명|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 19.

Combustion and flame dynamics인용 수 0

한 줄 요약

이 논문은 OH-PLIF를 이용한 막대 고정 V자형 연소 실험 구성에서 안정-열확산 불안정한 화염 가지를 비교하여 안정 스트레치 계수 I0를 직접 측정하고 2-D 시뮬레이션으로 뒷받침한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 희박 수소–공기 예혼합 화염에 대한 열확산 불안정의 영향 동기 부여 및 정량화.
• 관찰 가능한 화염 기하학 및 표면적에서 스트레치 계수 I0를 추정하는 직접적인 실험 방법 개발.
• 안정적 및 TD-불안정 화염 가지를 분리하고 특성화하여 모델 검증 가능하게 함.
• 실험 방법론과 경향을 뒷받침하기 위해 축소된 2-D 시뮬레이션으로 수치 지원 제공.

제안 방법

• 막대 고정된 V자형 희박 H2/공기 화염의 OH-PLIF 이미징을 사용하여 상류의 안정적 가지와 하류의 TD-불안정 가지를 식별.
• TD 발현점(td onset point)을 결정하고 화염 전면의 경사각(θs, θu)을 추출하여 sin 관계를 이용해 기하적으로 S_u/S_s를 계산.
• TD-불안정 영역에서의 화염 표면 증가율 A/A0를 f-canny, f-otsu, f-otsuCanny의 세 가지 등고선 탐지 전략으로 추정.
• S_s ≈ S_L일 때의 근사 지표로 I0를 I0 = (S_u/S_s) (A0/A)로 정의.
• 실험을 재현하고 비교를 위한 Yc 기반 화염 표면을 계산하기 위해 SAGE 반응식과 혼합물 평균 확산을 사용하는 2-D 수치 해석(CONVERGE) 수행.

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 막대 고정된 V 화염 구성이 희박 H2/공기 조건에서 TD-불안정 발현 시작을 직접 관찰하게 할 수 있는가?
• RQ2 안정적 화염 속도와 불안정 화염 속도의 비와 관련 표면적 증가를 결합하여 스트레치 계수 I0의 신뢰할 수 있는 추정치를 얻을 수 있는가?
• RQ3 2-D 시뮬레이션이 실험에서 관찰된 TD 전이 현상과 제시된 I0 추정 방법을 재현하는가?
• RQ4 当 등가비(H) 비가 TD 발현 시점, 화염 각도, 표면적 및 추정된 I0에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 OH-PLIF 데이터에서 A/A0를 추정하는 불확실성은 무엇이며, 다양한 표면 탐지 방법 간 차이는 어떠한가?

주요 결과

• 상류의 안정적 가지가 갑자기 TD-불안정하고 주름진 가지로 하류에서 전이되며, TD 발현 위치는 등가비가 증가할수록 감소한다.
• TD-불안정 가지는 평균 화염 각도 θu가 더 커서 충분히 더 높은 유효 화염 속도 S_u를 나타내며, θu/θs를 이용해 S_u/S_s를 추정하면 더 높은 값이 된다.
• 불안정 가지의 평균 면적 비 A/A0는 φ에 따라 거의 일정하게 유지되는 반면 S_u/S_s는 등가비가 증가할수록 감소하여 φ에 따라 I0가 감소한다.
• 실험적 I0 추정치는 φ=0.35에서 대략 1.1–1.3에서 φ=0.4에서 0.8–0.9 사이로, 이론적 기대치 및 모델 예측과 일치한다.
• 수치 시뮬레이션은 전이 및 경향을 정성적으로 재현하고, 단일 루이스 수 전달을 강제하면 TD 불안정이 억제되어 TDIs가 희박 H2/공기에서 루이스 수 이하 효과에서 기인한다는 것을 확인한다.
• 세 가지 독립적인 실험적 면적 탐지 방법은 A/A0 추세에서 일관된 결과를 보여주며, I0 추정 방법의 강건성을 뒷받침한다.

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