تحلیل تجربی ناپایداری‌های ترمو- آکوستیکی و اندرکنش مدهای نوسانی در شعله‌های پیش‌مخلوط رقیق با استفاده از تکنیک پردازش تصویر

مطالعه حاضر به بررسی برخی پدیده‌های گذرا که در زمینه ترموآکوستیک ناپایدار در یک محفظه احتراق با قدرت تقریبی 10 کیلووات در مقیاس آزمایشگاهی روی می‌دهد، می‌پردازد. سوخت مورد بررسی متان با سرعت ورودی ثابت است و نسبت هم‌ارزی از 7/0 تا 0/87 تغییر می‌کند. جریان احتراقی آشفته به دو صورت پیش‌مخلوط کامل و ناقص انجام شده است و شعله به وسیله چرخش حاصل از چرخاننده و جسم مانع، پایدار شده است. در این تحقیق، از طریق گسترش طول پایین دست مجرا، نوسانات ترموآکوستیکی القا شده است و طیف‌های oh منتشر شده از شعله در فرکانس 5 کیلوهرتز با استفاده از یک دوربین سرعت بالا، عکس‌برداری شده است. به‌طور هم‌زمان، نوسانات فشار در دو موقعیت مختلف در بالادست شعله اندازه‌گیری می‌شود. شروع عکس‌برداری و اندازه‌گیری حداقل 30 ثانیه پس از آغازش شعله صورت می‌گیرد. دامنه محدود (limit cycle) تک فرکانس، در نسبت‌های همارزی کم و یا برای طول کوچک مجرای پایین‌دست مشاهده شد. هم‌چنین مشاهده شد که با افزایش اندکی در نسبت هم‌ارزی یا افزایش طول مجرای پایین‌دست، مد دوم در طیف فشار ظاهر می‌شود. مد دوم ایجاد شده در مقایسه با مد اول، فرکانس کوچکتری دارد که با زمان رشد کرده و در نهایت مد حاکم بر نوسانات می‌شود. این حالت در بیشتر موارد آزمایش شده، با بازگشت شعله به سمت بالادست جریان، همراه است. آنالیز تصاویر oh نیز چنین رفتاری از شعله را نشان می‌دهد. در طیف‌های oh انتگرال‌گیری شده، قله‌هایی شبیه به آنچه در طیف فشار مشاهده شد، وجود دارد. همچنین در این نمودارها، قله‌هایی به‌صورت ترکیب خطی از دو قله اصلی مشاهده شد. بررسی طیف‌های oh حاکی از آن است که در ناحیه نزدیک به پایه شعله و اطراف جسم مانع، این طیف تنها دارای دو قله کم ارتفاع است. با گستردگی شعله به سمت پایین دست، تعداد و ارتفاع این قله‌ها افزایش می‌یابد. این نوع رفتار در هر دو حالت پیش‌مخلوط کامل و ناقص مشاهده شد. این رفتار نشان‌دهنده یک رفتار غیرخطی در طیف‌هاست. علاوه بر موارد گفته شده، این تحقیق به‌دنبال یافتن پاسخ شعله به تحریک چندفرکانسی از طریق یک روش پردازش تصویر جدید است. این روش این امکان را می‌دهد تا رفتارهای پیچیده‌تر و دقیق‌تری از شعله در شرایط مختلف بررسی شود و به درک بهتری از پدیده‌های ترموآکوستیکی ناپایدار دست یافت.

experimental analysis of thermo-acoustic instabilities and interaction of oscillatory modes in lean premixed flames using image processing technique

this paper explores transient phenomena in a thermo-acoustically unstable, laboratory-scale combustor with a thermal power of nearly 10 kw. the study focuses on enclosed, turbulent premixed and imperfectly premixed methane flames, maintained at a constant cold flow velocity with varying overall equivalence ratios (0.7-0.87). the swirling flame is stabilized in the wake of a bluff-body, and thermo-acoustic oscillations are induced by extending the length of the downstream duct. observations reveal that single frequency limit cycles occur at low equivalence ratios or with short downstream ducts, showing no significant changes over time. however, a slight increase in duct length or equivalence ratio introduces a second mode in the pressure spectrum. this mode, with a lower frequency than the first, grows over time and eventually dominates the oscillations, often leading to flame flashback into the upstream duct. analysis of the oh images shows similar trends in the integrated oh signal, with significant peaks at various linear combinations of the two main frequencies observed in the pressure spectrum. these peaks are more pronounced in the oh signal spectrum than in the pressure spectrum. investigation of the integrated oh over flame slices indicates that close to the flame holder, the spectrum includes only the two main peaks and their difference. however, the number of peaks increases as downstream slices of the flame are considered. the generation of these modes, observed in both premixed and imperfectly premixed cases, is associated with the puffing of reactive fluid downstream of the flame, indicating nonlinear behavior. a new image processing technique is proposed to further analyze the flame’s response to this multi-frequency excitation.