Fuel and Combustion

Fuel and Combustion

Analysis and measurement of performance parameters of combustion by adding chamber to a double swirl burner

Document Type : Original Article

Authors
Ali Asadifard 1
Sadegh Tabejamaat 1
Abbas Zandilak 2
Behrad Karimi 1
1 Amirkabir University of Technology, Faculty of Aerospace Engineering, Tehran, Iran
2 AmirKabir unoversity of technology
10.22034/jfnc.2026.564242.1452
Abstract
Double swirl burners are an advanced type of burner designed to improve combustion and increase flame stability. The burner used consists of two separate swirling air streams. In this paper, various experiments were performed on the burner. Subsequently, the results obtained from the experiments were repeated with a combustion chamber installed around the burner to analyze and investigate the changes that occurred. Key variables include the equivalence ratio, inner swirl number, outer swirl number, and flow split ratio.
Double swirl burners are a type of advanced burner designed to improve combustion and increase flame stability and efficiency. The burner used in current consists of two separate swirling air streams. Various experiments have been performed and the results obtained from the tests have been repeated in the case of installing a chamber on the burner to analyze and examine the changes that have occurred. The basic variables include the equivalence ratio, inner swirl number, outer swirl number and flow split ratio. Tests conducted in both cases without a chamber and with a chamber indicate that adding a chamber generally limits the stability of the burner and in some cases results in a longer flame length. In addition, the results show that adding a chamber in some places causes the lean blowout limit to extend to lower equivalence ratios. It is also shown that in certain conditions, increasing the outer flow split ratio leads to a shorter flame length and an increase in flame width; both effects were simultaneously observed in the flame area as well. In addition, at the points that were performed for both configuration (with and without the chamber), with a certain confinement ratio, the flame liftoff height did not change.

Highlights

1. Lean Blowout Limit: The combustion chamber extended the stable combustion envelope to leaner mixtures.

2. Open Configuration: Reducing inner swirl sometimes broadened the flame, sometimes had no effect. Maximum luminosity occurred when inner and outer flow split ratios were nearly equal.

3. Confinement Effect: The chamber contracted the inner recirculation zone by expanding the outer recirculation zone via wall impingement, compressing the combustion region. Increasing inner swirl expanded the flame cone angle, a trend unaffected by confinement. Confinement drastically reduced flame liftoff height, making the flame mostly attached.

4. Combined Effects: Under confinement, flame length varied non-monotonically with inner swirl and was strongly modulated by outer swirl, which promoted flame shortening. Flame projected area and width depended markedly on outer swirl intensity and flow rate.

In essence: Adding a combustion chamber fundamentally alters flame morphology and dimensions through complex swirl–flow interactions, while also improving stability margins.

 

 

Keywords
Combustion Chamber
Double Swirl Burner
Swirl Number
Combustion Parameters
Subjects

در این مقاله، پارامترهای احتراقی شعله در دو پیکربندیِ بدون محفظه و مجهز به محفظه، به صورت جامع مورد تحلیل قرار گرفت. موارد بررسی‌شده شامل محدوده احتراق رقیق، پایداری، ابعاد هندسی (طول، عرض، ارتفاع بلندشدگی) و مساحت شعله است.

۱. محدوده احتراق رقیق: افزودن محفظه به مشعل، منجر به بهبود (کاهش) حد احتراق رقیق نسبت سوخت به هوا شد، که نشان‌دهنده گسترش محدوده پایداری شعله است.

۲. تأثیر پارامترهای جریان پیچشی بر کلیت شعله (حالت بدون محفظه): در نسبت تقسیم جریان خارجی ثابت، کاهش نسبت تقسیم داخلی (معادل کاهش عدد پیچش داخلی) تأثیرات متفاوتی بر شکل شعله داشت. در برخی شرایط، این کاهش موجب عریض‌شدن شعله شد، در حالی که در شرایط دیگر، تغییر محسوسی در ابعاد شعله مشاهده نشد. بیشترین شدت نوردهی شعله در حالتی رخ داد که نسبت تقسیم داخلی و خارجی با یکدیگر برابر شدند.

۳. تأثیر محفظه بر ساختار جریان و شکل شعله: نصب محفظه موجب کوچک‌شدن ناحیه گرداب برگشتی داخلی شد. این پدیده را می‌توان به بزرگ‌شدن ناحیه گرداب برگشتی خارجی در اثر برخورد با دیواره محفظه و در نتیجه، فشرده‌سازی و متراکم‌تر شدن ناحیه احتراق نسبت داد. افزایش عدد پیچش داخلی، موجب افزایش زاویه بازشدگی مخروط شعله شد. افزودن محفظه تأثیر قابل‌ملاحظه‌ای بر این روند نداشت. محفظه باعث کاهش چشمگیر ارتفاع بلندشدگی شعله شد تا جایی که در اکثر موارد، شعله به دهانه خروجی نازل چسبید.

۴. تأثیر همزمان محفظه و پارامترهای پیچشی بر ابعاد شعله: طول شعله: در حضور محفظه، طول شعله در مقادیر مختلف عدد پیچش داخلی، روندی غیریکنواخت (افزایش به دنبال کاهش یا بالعکس) از خود نشان داد. این الگو تحت تأثیر شدید عدد پیچش خارجی قرار داشت، به‌گونه‌ای که عدد پیچش خارجی نقش تعیین‌کننده‌ای در تخت‌شدگی (کاهش طول) شعله ایفا کرد. مساحت و عرض شعله: در حالت دارای محفظه، مساحت شعله وابسته به عدد پیچش خارجی بود، به‌طوری‌که در برخی مقادیر افزایش و در برخی دیگر کاهش یافت. این رفتار همچنین متأثر از دبی جریان پیچشی خارجی مشاهده شد. این بررسی نشان می‌دهد که افزودن محفظه نه تنها بر پایداری و محدوده احتراق تأثیر می‌گذارد، بلکه با ایجاد اندرکنش با گردابه‌های جریان، به‌طور اساسی مورفولوژی و ابعاد هندسی شعله را دگرگون می‌سازد.

 
1] Gupta, A., M. Lewis, and S. Qi, Effect of swirl on combustion characteristics in premixed flames. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 1998.
[2] Wang, X., F. Zhu, S. Wang, Z.J.C.S. Wang, and Technology, Confinement Effects on Coaxial Jet Diffusion Flame. Combustion Science and Technology 2023: p. 1-29.
[3] Mater, E.O., K.M. Soliman, A. Abdulnaim, A.A. Emara, A.S. Elsahy, H.A.J.T.i.a.s. Moneib, and technology, Co-firing of LPG and Diesel Fuels through an Innovative Double Swirl Burner: Combustion characteristics and Exhaust Emissions. Trends in Advanced Science and Technology, 2024. 1(1): p. 3.
[4] Cozzi, F., F. Motta, F. Cobianchi, L. Zampini, and A. Francabandiera. Experimental Analysis of a Double Swirl Burner. in 42nd MEETING THE ITALIAN SECTION OF THE COMBUSTION INSTITUTE, PROCEEDINGS. 2019. ASICI-Associazione Sezione Italiana del Combustion Institute.
[5] König, D., M. Richter, J. Ströhle, and B.J.E. Epple, Stability and Flame Structure Analysis of a Semi-Industrial Swirl-Stabilized Oxy-Fuel Combustion Chamber System for Biomass. Energies, 2025. 18(6): p. 1513.
[6] Huang, Y., V.J.P.i.e. Yang, and c. science, Dynamics and stability of lean-premixed swirl-stabilized combustion. 2009. 35(4): p. 293-364.
[7] Ji, L., J. Wang, W. Zhang, R. Mao, G. Hu, Z.J.E.T. Huang, and F. Science, Effect of confinement ratio on flame structure and blow-off characteristics of swirl flames. 2022. 135: p. 110630.
[8] Barakat, S., H. Wang, T. Jin, W. Tao, and G.J.A.A. Wang, Isothermal swirling flow characteristics and pressure drop analysis of a novel double swirl burner. AIP Advances, 2021. 11(3).
[9] Fu, Y., J. Cai, S.-M. Jeng, and H. Mongia. Confinement effects on the swirling flow of a counter-rotating swirl cup. in Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. 2005.
[10] Burke, M.P., Z. Chen, Y. Ju, F.L.J.C. Dryer, and Flame, Effect of cylindrical confinement on the determination of laminar flame speeds using outwardly propagating flames. Combustion and Flame, 2009. 156(4): p. 771-779.
[11] Chong, C.T., S.S. Lam, and S.J.C.E.T. Hochgreb, Combustion performance of a counter-rotating Double Swirl flame burner under stratified burning condition. Energy & Fuels, 2015. 45: p. 193-198.
[12] Mardani, A., B. Asadi, and A.A.J.P.o.F. Beige, Investigation of flame structure and precessing vortex core instability of a gas turbine model combustor with different swirler configurations. Propulsion and Power, 2022. 34(8).
[13] Fazlollahi, A., Tajik,A., Tabejamaat, S., The effect of swirl intensity on the probability of successful ignition and kernel propagation in the Amirkabir double swirl burner. 2023. 15(4): p. 129-158. [in persian]
[14] Gupta, A., M. Lewis, and S. Qi, Effect of swirl on combustion characteristics in premixed flames. 1998.