Fuel and Combustion

Fuel and Combustion

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

Document Type : Original Article

Author
Najmeh Hajialigol
Hamedan University of Technology
10.22034/jfnc.2025.480252.1411
Abstract
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.
 
Keywords
: Combustion chamber
Instability
Premixed
Thermo-acoustic

Subjects

دینامیک شعله از مهم‌ترین مباحث در زمینه ناپایداری‌های ترمو-آکوستیکی در محفظه‌های احتراق پیش‌آمیخته است [1]. تاکنون تحقیقات گسترده‌ تجربی و تئوری در این زمینه انجام شده است [1-3]. بیشتر مطالعات مرتبط با این موضوع به مسئله تابع انتقال شعله پرداخته‌اند [4- 6]. در این روش، که از نظریه کنترل خطی الهام گرفته است و پاسخ حرارتی شعله به نوسانات سرعت با دامنه کم در یک فرکانس خاص، مشخص می‌شود. برای ارزیابی پاسخ فرکانس شعله، این فرآیند در محدوده وسیعی از فرکانس‌های حاکم تکرار می‌شود [7]. از توابع انتقال بدست آمده برای پیشگویی ناپایداری‌های ترمو-آکوستیکی در سایر محفظه‌های احتراق می‌توان استفاده نمود [8]. سپس از این مدل می‌توان برای انجام آنالیز پایداری خطی بهره‌مند شد [8]. لازم به ذکر است که با افزودن برخی عناصر و پارامترهای غیرخطی به تابع انتقال، می‌توان آن‌را به پاسخ دینامیک غیرخطی تبدیل نمود [9].

روش‌های مشابهی برای مطالعه دینامیک غیرخطی شعله در سال‌های اخیر معرفی شده است. این امر از طریق بسط آنالیز تابع انتقال به آنالیز توصیف شعله انجام گرفت [10-12]. این بسط در واقع با در نظر گرفتن هم فرکانس و هم دامنه تحریک، روشی غیرخطی محسوب می‌شود [13]. مشابه با رویکرد تابع انتقال، تابع توصیف‌گر شعله، فرض را بر آن می‏دارد که سیستم به هر اختلال تنها در فرکانس ورودی پاسخ می‏دهد و مابقی طیف ورودی را نادیده می‏انگارد [13]. کاملاً روشن است که چنین فرضیه‌ای می‏تواند به آسانی در یک سیستم غیرخطی نقض شود و به‌کارگیری آنالیز توصیف شعله برای سیستم‌های غیرخطی مورد انتقاد قرار گرفته است [14-17].

رویکرد در حال تکامل درتحلیل ناپایداری ترمو- آکوستیکی نظر جامع‌تری را در برمی‏گیرد، که در آن دینامیک شعله مستقیماً درون سیستم ناپایدار ترمو- آکوستیکی ارزیابی می‏شود. این امر اجازه بررسی ویژگی‌های غیرخطی کامل از دینامیک شعله را می‏دهد. تاکنون این رویکرد تنها بر پیکربندی‌های نسبتا ساده اعمال شده است [18، 19]، در حالی‌که تحقیق برای موارد دیگر با پیکربندی پیچیده­تر ادامه دارد [20].

در سال‌های اخیر، تحقیقات جدیدی در زمینه دینامیک شعله و ناپایداری‌های ترمو-آکوستیکی انجام شده است که به بررسی رفتار شعله در شرایط مختلف پرداخته‌اند. به عنوان مثال، مطالعه‌ای تجربی بر روی رفتار دینامیکی شعله‌های جریان متقابل تحت تأثیر تحریکات آکوستیکی انجام شده است که نتایج مهمی در زمینه ناپایداری‌های احتراق ارائه داده است [21]. این تحقیقات نشان داده‌اند که تحریکات آکوستیکی می‌توانند تأثیر قابل توجهی بر پاسخ شعله و ناپایداری‌های ترمو-آکوستیکی داشته باشند.

همچنین، تحقیقات دیگری به بررسی تأثیر پارامترهای مختلف مانند ترکیب سوخت، فشار و دما بر دینامیک شعله پرداخته‌اند. این مطالعات نشان داده‌اند که تغییرات در این پارامترها می‌توانند به طور قابل توجهی بر رفتار شعله و ناپایداری‌های ترمو-آکوستیکی تأثیر بگذارند [22]. به عنوان مثال، افزایش فشار می‌تواند منجر به افزایش ناپایداری‌های ترمو-آکوستیکی شود، در حالی که تغییرات در ترکیب سوخت می‌تواند به بهبود پایداری شعله کمک کند.

رویکردهای جدیدی برای مدل‌سازی و شبیه‌سازی دینامیک شعله و ناپایداری‌های ترمو-آکوستیکی معرفی شده‌اند که از تکنیک‌های پیشرفته محاسباتی و الگوریتم‌های هوش مصنوعی بهره می‌برند. این رویکردها امکان پیش‌بینی دقیق‌تر و بهینه‌سازی سیستم‌های احتراق را فراهم می‌کنند و می‌توانند به کاهش ناپایداری‌های ترمو-آکوستیکی و بهبود کارایی سیستم‌های احتراق کمک کنند [23]. این تحقیقات نشان می‌دهند که دینامیک شعله و ناپایداریهای ترمو-آکوستیکی همچنان یک زمینه پژوهشی فعال و پرچالش است که نیازمند تحقیقات بیشتر و توسعه روش‌های جدید برای بهبود درک و کنترل این پدیده‌ها است. این تحقیقات نشان می‌دهند که دینامیک شعله و ناپایداری‌های ترمو-آکوستیکی همچنان یک زمینه پژوهشی فعال و پرچالش است که نیازمند تحقیقات بیشتر و توسعه روش‌های جدید برای بهبود درک و کنترل این پدیده‌ها است.

در یک مطالعه تجربی، اثر افزودن هیدروژن به شعله جریان متقابل پیش‌آمیخته جزئی متان-هوا بررسی شده است. نتایج نشان داد که با افزایش هیدروژن، شدت تابش رادیکال CH* در حالت بدون تحریک آکوستیک کاهش می‌یابد، اما در مواجهه با امواج آکوستیک، دامنه نوسانات نرخ آزادسازی حرارت و شدت تابش رادیکال CH* افزایش می‌یابد [24].

مطالعه ساختار شعله متان-هیدروژن در مشعل پیچشی سیدنی با استفاده از شبیه‌سازی عددی در نرم‌افزار OpenFOAM انجام شده است. نتایج نشان داد که افزودن هیدروژن به متان می‌تواند منجر به افزایش دما و تغییرات در ساختار شعله شود. هم‌چنین، این مطالعه نشان داد که مدل‌های آشفتگی مختلف می‌توانند تأثیرات متفاوتی بر نتایج شبیه‌سازی داشته باشند [25].

حاجی‌‌علی‌گل [26] به کمک دینامیک سیالات محاسباتی و استفاده از نرم‌افزار OpenFOAM به بررسی تحلیل صدای حاصل از احتراق با تغییر سرعت ورودی محفظه در شعله پیش‌مخلوط مغشوش رقیق پرداخت. نتایج حاصل از شبیه‌سازی نشان می‌دهد بیشترین مقدار اضمحلال و پراکندگی موج آنتروپی در فرکانس تحریک رخ می‌دهد. فرکانس تحریک، فرکانس تعیین‌کننده سیستم است و انرژی عمده سیستم در آن حضور دارد و تحت بیشترین اثرات هیدرودینامیکی قرار می‌گیرد. با افزایش فرکانس تحریک، درصد اضمحلال و پراکندگی موج آنتروپی افزایش یافت، ازاین‌رو، احتمال حضور این امواج در فرکانس‌های کوچک‌تر بیشتر است. با افزایش فاصله از بالادست جریان، اضمحلال و پراکندگی موج آنتروپی افزایش یافت. مشاهده شد با افزایش سرعت ورودی از میزان اضمحلال و پراکندگی موج آنتروپی کاسته و بر اندازه موج آکوستیکی بازتاب شده و صدای آنتروپی افزوده خواهد شد. نتایج نشان داد زمانی‌که شرط مرزی دیواره از آدیاباتیک به انتقال حرارت همرفتی تغییر پیدا می‌کند، اثرات انتقال حرارت همرفتی بر دیواره‌ها موجب تخریب بیشتر موج در محفظه می‌شود.

تجزیه و تحلیل صدای حاصل از احتراق محفظه احتراق توربین گازی با سوخت هیدروژن/ اتلین: بهینه‌سازی یادگیری ماشین توسط حاجی‌علی‌گل و همکاران [27] مورد بررسی قرار گرفت. نتایج این پژوهش نشان می­دهد که بین متغیرهای تحت بررسی و پاسخ صوتی محفظه احتراق همبستگی وجود دارد. ملاحظه شد که افزایش نسبت هم‌ارزی و دمای مخلوط ورودی به پاسخ صوتی محفظه احتراق را افزایش می‌دهد. این نتایج نشانگر آن است که نسبت تعادلی بیشتر، و افزایش دمای ورودی، ایجاد و انتشار صدای آنتروپی را تقویت می‌کند. از سوی دیگر، این تحقیق نشان داد که  افزایش شدت آشفتگی ورودی باعث از بین رفتن امواج آنتروپی می‌شود و صدای احتراق غیرمستقیم را کاهش می‌دهد.

اگرچه با داشتن تابع انتقال شعله به عنوان یک ابزار مهندسی، گسترش روش‌های جایگزین ممکن است کاری بیهوده به نظر برسد، مقاله حاضر به ارائه یک‎سری نتایج آزمایشگاهی می‎پردازد که در آن‌ها نوسان‌های دارای چند مد، نقش مهمی در برخوردهای غیرخطی در یک سیستم ناپایدار ترموآکوستیکی ایفا می‌کنند. پیش‌بینی چنین برخورد‌های غیرخطی، از طریق آنالیز تابع توصیف انتقال امکان‌پذیر است. چنین پدیده غیرخطی ممکن است تحت شرایط کارکرد مختلف و اثرات گذرای سیستم، ایجاد شود. به منظور بررسی مساله متوسط‌گیری از فاز تصویر، یک روش جدید پردازش تصویر معرفی می‌شود.

 

[1] S. Candel, Proc. Combust. Inst., 29, pp. 1–28, Apr 2002.
[2] T. Lieuwen and V. Yang, “Combustion Instabilities in Gas Turbine Engines: Operational Experience, Fundamental Mechanisms, and Modeling”, Progress in Astronautics and Aeronautics, AIAA, Reston, VA, June 2005.
[3] Y. Huang and V. Yang, “Dynamics and stability of lean-premixed swirl-stabilized combustion” Prog.Energy Combust. Science, 35, pp. 293–364, August 2009.
[4] T. Lieuwen, “Modeling Premixed Combustion: Acoustic Wave Interactions: A Review”, J. Propuls. Power, 19, pp. 765–781, September 2003.
[5] A.P. Dowling, “A kinematic model of a ducted flame”, J. Fluid Mech., 394, pp. 51–72, September 1999.
[6] M. Fleifil, A.M. Annaswamy, Z.A. Ghoneim and A.F. Ghoniem, “Response of a laminar premixed flame to flow oscillations: A kinematic model and thermoacoustic instability result”, J. Combust. Flame, 106, pp. 487–510, September 1996.
[7] T. Schuller, D. Durox and S. Candel, “A unified model for the prediction of laminar flame transfer functions: comparisons between conical and V-flame dynamics”, Combust. Flame, 134, pp. 21–34, July 2003.
[8] A. P. Dowling and S. R. Stow, “Acoustic Analysis of Gas Turbine Combustors”, J. Propuls. Power, 19, pp. 751-764, May 2012.
[9] A.P. Dowling, “Nonlinear self-excited oscillations of a ducted flame”, J. Fluid Mech., 346, pp. 271–290, September 1997.
[10] N. Noiray, D. Durox, T. Schuller and S. Candel, “A unified framework for nonlinear combustion instability analysis based on the flame describing function”, J. Fluid Mech., 615, pp. 139–167, November 2008.
[11] D. Durox, T. Schuller, N. Noiray and S. Candel, “Flame Dynamics and Combustion Noise: Progress and Challenges”, Proc. Combust. Inst., 32, pp. 391–1398, January 2009.
[12] Wolfgang Polifke, “Modeling and Analysis of Premixed Flame Dynamics by Means of Distributed Time Delays”, Progress in Energy and Combustion Science, March 2020
[13] K. Ogata, Modern Control Engineering.Prentice-Hall, 1970.
[14] G. F. Franklin, J. D. Powell and A. Emami-Naeini, “Feedback Control of Dynamic Systems”, 5th edition, Upper Saddle River, NJ : Pearson Prentice Hall, 2006.
[15] K. Balasubramanian and R. I. Sujith, “Non-normality in combustion–acoustic interaction in diffusion flames: a critical revision”, J. Fluid Mech., 594, pp. 29–57, March 2008.
[16] S Mariappan, R. I. Sujith, “Modelling nonlinear thermoacoustic instability in an electrically heated Rijke tube”, J. Fluid Mech., 680, pp. 511–533, May 2011.
[17] K. Balasubramanian, R. I. Sujith, “Thermoacoustic Instability in a Rijke Tube: Non-Normality and Nonlinearity”, Phys. Fluid.,20 (4), pp. 44103-11, April 2008.
[18] K. Kashinath, S. Hemchandra and M. Juniper, Proceedings of ASME Turbo Expo., GT2012-68726, May 2012.
[19] K. Kashinath, M. Juniper and S. Hemchandra, Proceedings of the 19th International Congress on Sound and Vibration, Jan 2012.
[20] O. P. Graham, Modellingof the thermoacoustic response of premixed flames, PhD thesis, University of Cambridge, May 2012.
[21] S. d'Ambrosio, A. Ferrari, Z. Jin, "Time-frequency analysis application to the evaluation of instantaneous combustion noise," Fuel., vol. 122655, pp. 312, May 2022.
[22] M. Huet, L. Geiger, "Modeling of indirect combustion noise through a stator," Journal of Sound and Vibration., vol. 540, pp. 117296, April 2022.
[23] A. L. Pillai, S. Inoue, T. Shoji, S. Tachibana, T. Yokomori and R. Kurose, "Investigation of combustion noise generated by an open lean-premixed H2/air low-swirl flame using the hybrid LES/APE-RF framework," Combustion and Flame., vol. 245, pp. 112360, May 2022.
[24] M. A. Akhtardanesh, M. J. Hosseinkhani, and M. Farshchi, “The Effect of Hydrogen Addition on the Acoustic Response of a Partially Premixed Counterflow Flame”, Fuel and Combustion, 16(4), p.p. 43-60, June 2024.
[25] A. Hasanabadi, S.  Vakilipour  and R. Rahmati, “Study of hydrogen-methane flame structure in Sydney swirl stabilized burner using volumetric combustion model”, Fuel and Combustion,  17(2), p.p. 37-56, August 2024.
[26] N. Hajialigol, “Analysis of combustion noise by changing inlet velocity in lean turbulent premixed flame”, Fuel and Combustion,  15(4), pp 108-130, June 2023,
[27] N. Hajialigol and M. Jamali, “Numerical investigation of combustion noise in gas turbine combustor using hydrogen/ ethylene: machine learning optimization”, Fuel and Combustion,  16(3), pp 40-59, May 2024,
[28] M. Hauser, M. Lorenz and T. Sattelmayer, “Influence of Transversal Acoustic Excitation of the Burner Approach Flow on the Flame Structur”, J. Eng. Gas Turbine Power, 133, pp. 41501-8. May 2011.