Effect of an electric field on methane diffusion combustion
This paper considers the effect of an electric field on the methane flame plume. The main purpose of this study is to determine the characteristic regimes of the effect of an external electric field on the methane combustion, which are characterized by significant changes in the temperature pulsation spectrum. The temperature distribution in the methane flame plume was analyzed by infrared thermography. When the flame was exposed to an electric field up to a voltage of 4.0 kV, the maximum amplitude of temperature pulsation decreased from 20 K to 12 K. At a voltage of 4.5 kV, a significant reduction in temperature pulsation amplitude was observed up to 4 K. In the voltage range of 5.0 - 8.0 kV, the temperature pulsations in the flame plume were minimal, and there were no characteristic frequency maxima in the spectrum. Further increase of voltage up to 10 kV again led to the appearance of frequency maxima, but they were shifted toward lower frequencies by 3 Hz. The maximum amplitude of the temperature pulsations became equal to 10 Hz, as well as three subsequent harmonics (20, 30, and 40 Hz). The temperature change in the flame plume is related to the flow structure and chemical reactions. This is caused by changes in the main hydrodynamic parameters (velocity, pressure, density, etc.), which in turn affect the transfer coefficients. This fact has an impact on the oxidizer entry into the combustion zone and the chemical reactions occurring in the flame. Thus, the presence of an external electric field has a significant effect on the variation of all the above parameters and leads to changes in the shape and height of the flame, as well as in the characteristic temperatures.
Keywords
thermography,
temperature pulsations,
flame structure,
methane,
temperature pulsation spectrumAuthors
Agafontsev Mikhail V. | Tomsk State University; V.E. Zuev Institute of Atmospheric Optics of Siberian Branch of the Russian Academy of Science | amv@mail.tsu.ru |
Starosel’tseva Asya A. | Tomsk State University | 222-pro@mail.ru |
Reyno Vladimir V. | V.E. Zuev Institute of Atmospheric Optics of Siberian Branch of the Russian Academy of Science | reyno@iao.ru |
Loboda Egor L. | Tomsk State University; V.E. Zuev Institute of Atmospheric Optics of Siberian Branch of the Russian Academy of Science | loboda@mail.tsu.ru |
Всего: 4
References
Schefer R.W., Wicksal D.M.,AgrawalA.K.Combustion of hydrogen-enriched methane in a lean premixed swirl-stabilized burner // Proc.Combust. Inst. 2002. V. 29. P. 843-851. doi: 10.1016/S1540-7489(02)80108-0.
Day M.S., Gao X., Bell J.B. Properties of lean turbulent methane-air flames with significant hydrogen addition // Proc.Combust. Inst. 2011. V. 33. P. 1601-1608. doi: 10.1016/j.proci. 2010.05.099.
Dinkelacker F., Manickam B., Muppal S.P.R. Modelling and simulation of lean premixed tur bulent methane/hydrogen/air flames with an effective Lewis number approach // Combust. Flame. 2011. V. 158. P. 1742-1749. doi: 10.1016/j.combustflame.2010.12.003.
Therkelsen P.L., Enrique P.J., Littlejohn D., Martin S.M., Cheng R.K. Self-induced unstable behaviors of CH4 and H2/CH4 flames in a model combustor with a low-swirl injector // Combust. Flame. 2013. V. 160. P. 307-321. doi: 10.1016/j.combustflame.2011.11.008.
Afarin Y., Tabejamaat S. Effect of hydrogen on H2/CH4 flame structure of MILD combustion using the LES method // Int. J. Hydrogen Energy. 2013. V. 38. P. 3447-3458. doi: 10.1016/j.ijhydene.2012.12.065.
Zhang M., Wanga J., Xie Y., Jin W., Wei Z., Huang Z., Kobayashi H. Flame front structure and burning velocity of turbulent premixed CH4/H2/air flames // Int. J. Hydrogen Energy. 2013. V. 38. P. 11421-11428. doi: 10.1016/j.ijhydene.2013.05.051.
Hernandez-Perez F.E., Groth C.P.T., Gulder O.L. Large-eddy simulation of lean hydrogenmethane turbulent premixed flames in the methane-dominated regime // Int. J. Hydrogen Energy. 2014. V. 39. P. 7147-7157. doi: 10.1016/j.ijhydene.2014.02.028.
Sun Z.-Y., Li G.-X. Turbulence influence on explosion characteristics of stoichiometric and rich hydrogen/air mixtures in a spherical closed vessel // Energy Convers. Manag. 2017. V. 149. P. 526-535. doi: 10.1016/j.enconman.2017.07.051.
Sun Z.-Y. Experimental studies on the explosion indices in turbulent stoichiometric H2/CH4/air mixtures // Int. J. Hydrogen Energy. 2019. V. 44. P. 469-476. doi: 10.1016/j.ijhydene.2018.02.094.
Li D., Wang R., Yang G., Wan J. Effect of hydrogen addition on the structure and stabilization of a micro-jet methane diffusion flame // Int. J. Hydrogen Energy. 2021. V. 46. P. 5790-5798. doi: 10.1016/j.ijhydene.2020.11.034.
Grishin I., Zakharov V., Arefiev K. Experimental Study of Methane Combustion Efficiency in a High-Enthalpy Oxygen-Containing Flow // Appl. Sci. 2022. V. 12 (2). Art. 899. doi: 10.3390/app12020899.
Xu W., Jiang Y.Combustion Inhibition of Aluminum-Methane-Air Flames by Fine NaCl Particles // Energies. 2018. V. 11. P. 1-12. doi: 10.3390/en11113147.
Linteris G. T., Knyazev V.D., Babushok V.I. Inhibition of premixed methane flames by manganese and tin compounds // Combustion and Flame. 2002. V. 129 (3). P. 221-238. doi: 10.1016/S0010-2180(02)00346-2.
Кривокорытов М.С., Голуб В.В., Моралев И.А., Володин В.В. Экспериментальное исследование развития струи гелия при акустическом воздействии // Теплофизика высоких температур. 2014. Т. 52, № 3. С. 450-455. doi: 10.7868/S004036441403017X.
Голуб В.В., Иванов М.Ф., Володин В.В., Благодатских Д.В., Головастое С.В. Влияние акустических волн на зону воспламенения и переход горения в детонацию: эксперимент и расчет // Теплофизика высоких температур. 2009. Т. 47, № 2. С. 315-316. doi: 10.1134/S0018151X09020229.
Голуб В.В., Бакланов Д.И., Головастов С.В., Иванов К.В., Иванов М.Ф., Киверин А.Д., Володин В.В. Воздействие акустического поля на развитие пламени и переход в детонацию // Теплофизика высоких температур. 2010. Т. 48, № 6. С. 901-907. doi: 10.1134/ S0018151X1006012X.
Левина Т.А., Просин М.В. Электромагнитное и акустическое воздействие на распространение пламени // Пищевые инновации в биотехнологии : сб. тез. VI Междунар. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых / под общ. ред. А.Ю. Просекова. Кемерово: Кем. гос. ун-т, 2018. Т. 2. С. 338-341.
Довгаль А.В., Козлов В.В., Литвиненко М.В., Литвиненко Ю.А., Шмаков А.Г. Режима: горения микроструй водорода // Прикладная механика техническая физика. 2023. T. 64, № 1. С. 3-12. doi: 10.15372/PMTF202215145.
Агафонцев М.В., Ануфриев И.С., Копьев Е.П., Шадрин Е.Ю., Лобода Е.Л., Луценко А.В. Исследование характеристик турбулентного пламени при воздействии малых энергетических возмущений // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2018. № 55. С. 57-71. doi: 10.17223/19988621/55/6.
Agafontsev M.V., Reyno V.V. Effect of low-frequency vibrations on the characteristics of the diffusion flame // Journal of Physics: Conference Series. 2022. V. 2389. Art. 012004. doi: 10.1088/1742-6596/2389/1/012004.
Loboda E.L., Agafontsev M.V.,Rejno V.V., Kliment'ev A.S. Studing the effect of low-amplitude pressure fluctuations on the field of temperatures in flame using thermography // Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. 2018. V. 10833. P. 1-5. doi: 10.1117/12.2504423.
Агафонцев М.В., Ануфриев И.С., Копьев Е.П., Шадрин Е.Ю., Лобода Е.Л., Луценко А.В. Исследование характеристик турбулентного пламени при воздействии малых энергетических возмущений // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2018. № 55. С. 57-71. doi: 10.17223/19988621/55/6.
Зудов В.Н., Тупикин А.В. Влияние внешнего электрического поля на оптический разряд в скоростном потоке // Журнал технической физики. 2022. Т. 92, № 2. С. 209-215.
Хафизов Ф.Ш., Пермяков А.В., Хафизов И.Ф., Краснов А.В., Пережогин Д.Ю., Еникеева Э.Д. Исследование влияния электромагнитного поля высокой напряженности на пламя // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. 2016. Т. 104, № 2. С. 105-110.
Hu J., Rivin B., Sher E. The effect of an electric field on the shape of co-flowing and candle-type methane-air flames // Experimental Thermal and Fluid Science. 2000. V. 21 (1-3). P. 124-133. doi: 10.1016/S0894-1777(99)00062-X.
Sayed-Kassem A., Elorf A., Gillon P., Idir M., Sarh B., Gilard V. Numerical modelling to study the effect of DC electric field on a laminar ethylene diffusion flame // International Communications in Heat and Mass Transfer. 2021. V. 122. P. 1-19. doi: 10.1016/j.icheatmasstransfer. 2021.105167.
Gillon P., Gilard V., Idir M., Sarh B. Electric field influence on the stability and the soot particles emission of a laminar diffusion flame // Combustion Science and Technology. 2018. V. 191 (2). P. 325-338. doi: 10.1080/00102202.2018.1467404.
Лобода Е.Л., Рейно В.В., Агафонцев М.В. Выбор спектрального интервала для измерения полей температуры в пламени и регистрации экранированных пламенем высокотемпературных объектов с применением методов ИК-диагностики // Известия вузов. Физика. 2015. Т. 58, № 2. С. 124-128.