EXPERIMENTAL INVESTGATION ON PREMIXED OXY-COMBUSTION AT CONSTANT REYNOLDS NUMBERS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF SHABEEB_Thesis.pdf Download (13MB) | Preview

Arabic Abstract

في هذه الدراسة، تم عمليا تسجيل حدود الإستقرار الثابتة عن طريق معرفة انطفاء واسترجاع اللهب، وكذلك تغيرات الشكل العام للهب الناتج عن استخدام غازات الأكسجين والميثان مسبقة الخلط في دوامة المفاعل. تم تسجيل النتائج عند رقم رينولدز ثابت من أجل عزل تأثيره الديناميكي على إستقرار اللهب ، و كذلك من أجل فهم الفيزياء من وراء آلية انقراض لهب الأكسجين. تم إنجاز ثلاث تجارب عملية كل واحدة منها عند رقم رينولدز معين تحديدا 7000، 9000، 11000. عند كل رقم رينولدز تم تسجيل حدود إستقرار اللهب باستخدام سرعة ثابتة مع تغيير نسبة الأكسجين من 29% إلى 70% ، وكذلك تغيير نسبة التكافؤ من 0.2 إلى 1. خرائط حدود الإستقرار ثنائية الأبعاد تم عرضها عند رقم رينولدز ثابت مع تغيير نسبة الأكسجين و نسبة التكافؤ. الخرائط عرضت على خلفية محيط شكل السرعة، وكثافة الطاقة، وأيضا درجة حرارة اللهب القصوى من أجل ربط هذه العوامل مع حدود إستقرار اللهب. تم أخذ صور لأشكال لهب معينة ، من أجل تسجيل الإختلافات في مواضع إستقرار اللهب ، وكذلك التغيرات في الشكل العام للهب ، و أيضا تحليل تأثير نسبة التكافؤ ، نسبة الأكسجين ، سرعة الإدخال ، و درجة حرارة اللهب القصوى على استقرار اللهب. تم عرض قياس درجات الحرارة في هذه الدراسة من أجل تحديد تأثير نسبة الأكسجين و رقم الرينولدز على حرارة اللهب المحلية ، و كذلك توفير قاعدة بيانات للتحقق من صحة النماذج الرقمية. لوحظ من خلال التجارب العملية أنه لا يمكن الحفاظ على لهب الأكسجين مع الميثان مسبق الخلط عنما تكون نسبة الأكسجين المستخدمة أقل من 29% و أكثر من 70%. أظهرت النتائج أن عامل معدل التفاعل الحركي أكثر أهمية من عامل رقم الرينولدز في في تحديد سرعة اللهب ، و في ظاهرة إسترجاع اللهب. في كل أرقام الرينولدز المستخدمة ينطفئ اللهب عند كثافة طاقة متساوية 3 م و/ م3 / بار ، مما يدل على الدور القيادي لعامل كثافة الطاقة في التحكم في إستقرار اللهب عندما يكون بالقرب من حد الإنطفاء. أثبتت الدراسة أن زيادة رقم الرينولدز يوسع عمليات تشغيل اللهب من خلال نقل حد إنطفاء اللهب إلى ظروف الحرق الضعيف ( زيادة نسبة الهواء الزائد عن الإحتراق ). أظهرت التحاليل في تغيرات الشكل العام للهب أن عامل سرعة الإدخال أكثر أهمية من عامل رقم الرينولدز في عملية التحكم في نسبة التكافؤ عند تحول اللهب من طبقة القص الداخلية إلى منطقة التدوير الخارجية. أشارت النتائج إلى أن إرتفاع سرعة الإدخال يؤخر إنتقال اللهب نحو ظروف الحرق الضعيف و القرب من حدود الإنطفاء. شكل لهب متطابق ممكن الحصول عليه عند تثبيت عامل من خصائص التدفق (رقم رينولدز) ، و عامل من خصائص اللهب ( درجة الحرارة القصوى ). لوحظ من خلال الدراسة أن نسبة الأكسجين لها تأثير كبير في التحكم في تركيبة اللهب و استقراره ، كذلك أظهرت النتائج أن اللهب لا يحمل تركيبة واحدة سواء بالقرب من حد إرتجاع اللهب أو إنطفائه. عند رقم رينولدز منخفض ، اللهب ينطفئ من دون أن يرتفع ، بينما عند رقم رينولدز أعلى ، اللهب يستقر في منطقة التدوير الخارجية ثم يرتفع إلى الأعلى ثم ينطفئ.

English Abstract

In this study, the static stability limits, in terms of blow-out and flash back, and the changes in macrostructure of fully premixed oxy-methane flames in a swirl combustor were recorded experimentally. The data under fixed Reynolds number (Re) operation were recorded to isolate its dynamic effect on flame stabilization and understand clearly the physics behind the oxy-flame extinction mechanisms. Three sets of experiments were conducted, each at a fixed Re, namely 7000, 9000 and 11000. At a given Re operation, the limits are recorded under fixed inlet bulk flow velocity (Uin) while varying the oxygen mole fraction (OF: from 29% to 70%) and the equivalence ratio (φ: from 0.2 to 1.0). Two-dimensional (2-D) stability maps are presented at fixed Reoperation as function of φ and OF. The maps are presented on the contours of inlet velocity (Uin), combustor power density (PD) and adiabatic flame temperature (Tad) to correlate these parameters with flame static stability limits. Selected flames were imaged to record the different flame stabilization modes and changes in flame macrostructure toward the limits and to analyze the effects of equivalence ratio (φ), oxygen fraction (OF), inlet velocity (Uin), adiabatic flame temperature (Tad) and Reynold number (Re) on flame stability. Temperature measurements are provided to quantify the effects of OF and Re on local flame temperature, and to serve as data base for validating the numerical models. It is observed that it is not possible to sustain premixed oxy-methane flames in the OF ranges below 29% and above 70%. The results show that the reactions kinetic rate is a more relevant parameter than Re for determining the flame speed and, consequently, the flashback limit. Under all operating Re values, the flames blow-out at the same power density (PD) of 3.0 MW/m3/bar. This indicates the leading role of PD for controlling flame stability near the lean blow-out limit. Increasing Re widens the operability range of the flame by shifting the blow-out limit toward leaner conditions. The analysis of the changes in flame macrostructure shows that Uin is a more relevant parameter than Re for controlling the equivalence ratio at which flame transition from the inner shear layer (ISL) to the outer recirculation zone (ORZ) occurs. Increasing Uin retards the flame transition towards leaner operation and closer to the lean blow-low out limit. Similar flame macrostructures can be obtained while fixing one flow characteristic parameter (Re) and one flame characteristic parameter (Tad). Oxygen fraction has a major controlling role on the flame macrostructure and stability. Flames do not hold fixed macrostructure neither near flashback nor near blow-out limits. The flames at lower Re blow-out without being lifted. At higher Re, the flames encounter stabilization in the ORZ followed by lift-off before being blown-out.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Habib, Mohamed
Committee Members:	Nemitallah, Medhat and Said, Syed
Depositing User:	SHABEEB ALKHALDI (g201526510)
Date Deposited:	22 May 2018 09:36
Last Modified:	30 Dec 2020 13:37
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140733