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Experimental Analysis of Hydrogen Premixed Flame Instabilities

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Publication date
2019-07
Defense date
2019-07-05
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An analysis of the results of a hydrogen-air combustion experiment is carried out in this project. The main objective of this experiment is to study the instabilities of hydrogen-air premixed laminar flames propagating in a confined combustion chamber. The combustion chamber has a rectangular prismatic shape of 950 × 200 × (1 − 10) mm (height × width × thickness). The flames travel vertically from the top of the chamber, which is open to the ambient, to its closed bottom. There are two parameters that are varied to study their effect: mixture equivalence ratio (from 0.27 to 2.0) and combustion chamber thickness (from 1 mm to 10 mm). There are also two raw outputs: high-speed videos (recorded using a Schlieren system) and pressure measurements. In this project, an ImageJ macro and a Matlab script are developed to semi-automatically analyze the recorded images and obtain flame instantaneous position, propagation speed, and length. These data, along with the pressure measurements, allow to identify the different kinds of flame instabilities (hydrodynamic, thermodiffusive, and thermoacoustic) and to plot a “stability map” (Fig. 6.1) as a function of equivalence ratio and chamber thickness. Also, a new kind of instability characterized by fractal patterns, is found for very lean mixtures in a very thin chamber. This finding is not described in the literature. It is hypothesized that this phenomenon is due to large heat losses when the chambers walls are close to each other.
El objeto del presente proyecto es el análisis de los resultados de un experimento de combustión premezclada de hidrógeno. El principal objetivo de dicho experimento es estudiar las inestabilidades de las llamas premezcladas de hidrógeno con aire en una cámara de combustión. La cámara tiene forma de prisma rectangular de dimensiones 950×200×(1−10)mm(alto ×ancho × espesor). Las llamas viajan verticalmente desde la parte superior, que está abierta al ambiente, hasta la parte inferior, que está cerrada. Hay dos parámetos que se varían para evaluar su efecto: el dosado (desde 0.27 hasta 2.0) y el espesor de la cámara de combustión (desde 1 mm hasta 10 mm). También se obtienen dos tipos de resultados brutos: vídeos de alta velocidad (grabados usando la técnica Schlieren) y mediciones de presión dentro de la cámara. En este proyecto se desarrolla una macro de ImageJ y un programa de Matlab que permiten analizar de forma semiautomática las grabaciones y obtener datos relevante como posición del frente de llama, su rapidez de propagación y longitud. Esos datos se usan junto con las mediciones de presión para identificar los distintos tipos de inestabilidades de llama (hidrodinámica, termodifusiva, termoacústica) y dibujar un “mapa de estabilidad” (Fig. 6.1), en función del dosado y del espesor de la cámara. Además, se identifica un nuevo tipo de inestabilidad caracterizado por frentes de llama cortos que se propagan siguiendo patrones fractales. Este fenómeno tiene lugar en mezclas extremadamente pobres, cuando el espesor de la cámara es de 4 mm o menor, y no está descrito en la bibliografía. Se plantea la hipótesis de que se debe a las mayores pérdidas de calor cuando se reduce la distancia entre las paredes de la cámara combustión.
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Keywords
Combustion, Flame instability, Premixed hydrogen-air, Experiments, Image processing
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