Experimental analysis of laser-induced spark ignition of lean turbulent premixed flames

Céline Cardin; Bruno Renou; Gilles Cabot; Abdelkrim Boukhalfa

doi:10.1016/j.crme.2012.10.019

Combustion, flow and spray dynamics for aerospace propulsion

Experimental analysis of laser-induced spark ignition of lean turbulent premixed flames

Céline Cardin ¹ ; Bruno Renou ¹ ; Gilles Cabot ¹ ; Abdelkrim Boukhalfa ¹

¹ CORIA, UMR 6614, Université et INSA de Rouen, BP 8, 76801 Saint-Etienne du Rouvray cedex, France

Comptes Rendus. Mécanique, Combustion, spray and flow dynamics for aerospace propulsion, Volume 341 (2013) no. 1-2, pp. 191-200.

Résumé
Abstract

Lʼallumage par étincelle dans des écoulements prémélangés pauvres et fortement turbulents est étudié expérimentalement en mesurant lʼEnergie Minimum dʼAllumage (MIE, Minimum Ignition Energy), dans le cas de lʼallumage par étincelle induite par laser de mélanges méthane/air, en fonction de la fluctuation turbulente de vitesse $u^{'}$ , de la richesse et de la distance focale de la lentille de focalisation. Le brûleur fournit un écoulement 2D stationnaire, avec une turbulence homogène et isotrope.

Les valeurs de la MIE présentent une transition nette, quand $u^{'}$ augmente. Avant la transition, la MIE augmente lentement avec $u^{'}$ , tandis quʼaprès la transition (pour $u^{'} \sim 1 m s^{- 1}$ ), la MIE augmente très rapidement. Comme la MIE est proportionnelle à lʼépaisseur de flamme à la puissance trois, cette rupture de pente pourrait indiquer lʼexistence de deux modes distincts de structure de flamme. A partir dʼun certain niveau dʼintensité turbulente, le noyau de flamme ne se développe plus dans un régime de flammelettes, mais dans un régime où sa structure est fortement modifiée par la turbulence : le front de flamme est soumis à un mélange intense de la part de tous les tourbillons de lʼécoulement ( $Da < 1$ ) et à un épaississement par les petites structures turbulentes de lʼécoulement ( $Ka \sim 10$ ), conduisant à des étirements intenses et éventuellement à des extinctions locales. Ce phénomène de transition dʼallumage dans des mélanges turbulents a déjà été observé par Shy et al. (2010) [1] et Huang et al. (2007) [2], mais pour des conditions expérimentales différentes.

La présente étude montre également lʼexistence dʼun critère commun pour le phénomène de transition dʼallumage : quelles que soient la distance focale de la lentille de focalisation et la richesse du mélange, une transition dʼallumage est observée quand lʼécoulement turbulent atteint un nombre de Karlovitz de lʼordre de 10.

Spark ignition in lean and highly turbulent premixed flows is experimentally investigated by measuring the Minimum Ignition Energy (MIE), for laser-induced spark ignition in methane/air mixtures, as a function of the velocity fluctuation $u^{'}$ , the equivalence ratio and the focal length of the focusing lens. The burner provides a 2D stationary flow with a homogeneous and isotropic turbulence.

A clear transition on the MIE values is observed, when $u^{'}$ increases. Before the transition, the MIE increases gradually with $u^{'}$ , whereas across the transition (for $u^{'} \sim 1 m s^{- 1}$ ), the MIE increases strongly. As the MIE is proportional to the flame thickness to the power of three, this slope breakdown could indicate the existence of two distinct modes of flame structure. From a certain threshold of turbulence intensity, the flame kernel no longer develops in a flamelet regime, rather in a regime where its structure is strongly modified by the turbulence: the flame front would undergo an intense mixing by all the eddies of the flow ( $Da < 1$ ) and a thickening by the small eddies ( $Ka \sim 10$ ), leading to an intense stretch and possibly local extinctions. This ignition transition phenomenon in turbulent mixtures has already been reported by Shy et al. (2010) [1] and Huang et al. (2007) [2], but for different experimental conditions.

The present study also reveals that there is a common criterion for the ignition transition phenomenon: whatever the focal length of the focusing lens and the equivalence ratio of the mixture, an ignition transition occurs when the turbulent flow reaches a Karlovitz number of the order of 10.

Publié le : 2013-01-01

DOI : 10.1016/j.crme.2012.10.019

Keywords: Laser-induced spark ignition, Flame kernel propagation, Turbulent flame
Mots-clés : Allumage par étincelle induite par laser, Propagation de noyau de flamme, Flamme turbulente

Affiliations des auteurs :

Céline Cardin ¹ ; Bruno Renou ¹ ; Gilles Cabot ¹ ; Abdelkrim Boukhalfa ¹

¹ CORIA, UMR 6614, Université et INSA de Rouen, BP 8, 76801 Saint-Etienne du Rouvray cedex, France

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Céline Cardin; Bruno Renou; Gilles Cabot; Abdelkrim Boukhalfa. Experimental analysis of laser-induced spark ignition of lean turbulent premixed flames. Comptes Rendus. Mécanique, Combustion, spray and flow dynamics for aerospace propulsion, Volume 341 (2013) no. 1-2, pp. 191-200. doi : 10.1016/j.crme.2012.10.019. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/mecanique/articles/10.1016/j.crme.2012.10.019/

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