[논문 리뷰] Flickering of buoyant diffusion flames: a vortex dynamics revisit

Xi Xia, Peng Zhang|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 28.

Combustion and flame dynamics참고 문헌 58인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 난류 확산flame의 떨림 현상에 대해 비틀림 역학을 통해 재검토하며, 원통형 소용돌이의 주기적 탈리와 실험적으로 관측된 스케일링 법칙 f ∝ D⁻¹/² 사이의 연관성을 규명한다. 비차원 순환 기반의 보편적인 소용돌이 고리 탈리 기준을 적용함으로써, 저수준과 분사형 확산flame에 대해 실험 데이터와 정량적으로 일치하는 이론적 떨림 주파수 식을 유도한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 부영향 확산flame에서 관측된 떨림 주파수 스케일링(f ∝ D⁻¹/²)과 그 배경이 되는 원통형 소용돌이 역학 사이의 오랜 갭을 해소하기 위해.
• 비틀림 고리 탈리와flame 떨림 행동 사이의 이론적 연결 고리를 확립하기 위해.
• 저수준 및 분사형 확산flame의 실험 데이터를 바탕으로 일반화된 떨림 주파수 식을 검증하기 위해.
• 최근 발견된 보편적인 비틀림 고리 탈리 기준(비차원 순환 기반)을 난류flame 역학에 적용하기 위해.

제안 방법

• 중력에 의해 유도되는 유사력에 의해 기초에 형성된 원통형 소용돌이의 이론적 모델링.
• 비틀림 역학 원리에 기반해 성장하는 원통형 소용돌이의 총 순환 계산.
• 비차원 순환의 임계 값에 의해 탈리를 정의하는 보편적인 비틀림 고리 탈리 기준 적용.
• 탈리 조건에서 비틀림 수명을 유도하고 이를 직접적으로 떨림 주파수와 연결.
• 비틀림 역학과 기하 스케일링(flame 지름 D)에 기반한 일반적인 떨림 주파수 식 제시.
• 저수준 및 분사형 확산flame에 대한 발표된 실험 데이터와 이론적 주파수 모델의 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원통형 소용돌이 탈리가 부영향 확산flame에서 관측된 f ∝ D⁻¹/² 스케일링과 어떻게 물리적으로 연결되는가?
• RQ2 비틀림 고리 탈리 기준은 난류 확산flame에서 떨림 주파수를 예측하는 데 어떻게 적용될 수 있는가?
• RQ3 보편적인 비차원 순환 임계값은 다양한flame 형상에서 떨림의 주기성을 설명할 수 있는가?
• RQ4 비틀림 역학에 기반한 이론적 모델은 저수준 및 분사형flame에서 실험적 떨림 주파수를 어느 정도 재현하는가?
• RQ5 비틀림 성장과 순환 진화는 부영향 확산flame에서 떨림의 수명과 주파수를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 이 연구는 성장하는 원통형 소용돌이의 탈리와 부영향 확산flame의 떨림 주파수 사이에 직접적인 이론적 연결 고리를 확립한다.
• 유도된 떨림 주파수 식은 저수준 및 분사형 확산flame 모두에서 실험 스케일링 f ∝ D⁻¹/²와 일치한다.
• 비차원 순환에 기반한 비틀림 고리 탈리 기준은 소용돌이 탈리의 특징적인 시간스케일을 성공적으로 예측한다.
• 이론적 모델은 기존 실험 데이터와 양호한 정량적 일치를 보이며, 비틀림 역학 접근법의 타당성을 검증한다.
• 분석 결과, 떨림 주파수는 비틀림 성장과 탈리에 대한 임계 순환 임계값 사이의 균형에 의해 결정됨을 밝혀냈다.
• 결과적으로, 동일한 비틀림 역학 원리가 다양한flame 구조에 적용 가능하며,flame 떨림에 대한 보편적 메커니즘이 있음을 시사한다.