Edge flames can be formed in a mixing layer of fuel and oxidizer, so they can exist in turbulent flow fields. Therefore, many studies have been conducted on edge flames to explain the behavior of turbulent lifted flames. A laminar jet lifted flame is one of the representative research topics for edge flames, and numerous studies have been conducted since its stabilization mechanism was first proposed. The primary objective of this study is to improve the existing theory for a laminar lifted flame. To achieve this goal, abundant experimental data were accumulated using propane and butane under various pressure and fuel tube size conditions. Based on these experimental results, a novel concept was introduced for the first time: a triangular stabilization regime for laminar lifted flames, and the corresponding physical implications of each limit were discussed. This allowed for the first implementation of a stable lifted ethane flame that was previously unobservable despite satisfying the stabilization criterion, and the related stabilization mechanisms were examined. Consequently, the characteristics of the laminar lifted flames within the triangular stabilization regime were explained for all fuels. The effective Schmidt number, effective mass diffusivity, and the relationship between the fuel concentration gradient and the edge flame speed were estimated under various pressures. The variation of the effective Schmidt number was explained by a theoretical prediction equation that considered flow redirection effects. Furthermore, it was discovered that an additional stabilization mode of transition to turbulent lifted flames outside of the triangular stabilization regime. This additional mode was thoroughly explored, and the related flame characteristics and stabilization mechanisms were discussed.
에지 화염은 연료와 산화제의 혼합층에 형성되기 때문에 난류 유동장 내의 화염에 존재할 수 있다. 따라서 난류 부상 화염을 설명하기 위해 에지 화염에 대한 많은 연구가 진행되었다. 층류 제트 부상 화염은 에지 화염의 대표 연구 주제 중 하나로, 그 안정화 이론이 처음 제시된 이후 화염 특성에 관한 수많은 연구가 수행되었다. 본 연구에서는 기존 층류 부상 화염 이론을 개선하고자 했다. 이를 위해 다양한 압력과 연료관 크기 조건에서 프로판과 부탄 부상 화염에 대한 충분한 실험 결과를 축적했다. 이러한 실험 결과를 바탕으로 층류 부상 화염의 삼각형 안정화 선도를 처음으로 제안했고, 각 경계의 물리적 의미를 논의했다. 이를 통해 안정화 기준을 만족하지만 실제로 관찰할 수 없었던 에탄 부상 화염을 최초로 구현할 수 있었고, 관련된 안정화 메커니즘에 대해 설명했다. 결과적으로 모든 연료의 삼각형 안정화 선도 내에서 화염 특성을 설명했고, 유효 슈미트 수와 유효 질량 확산 계수, 압력 효과를 반영한 연료 농도 구배와 에지 화염 속도 간의 관계를 도출했다. 유동 재편 효과를 고려한 이론 예측식으로 유효 슈미트 수의 변화를 설명했다. 또한 안정화 선도를 넘어 더 큰 레이놀즈 수까지 화염이 살아남아 난류 부상 화염으로 천이하는 현상을 발견했고, 해당 영역에서 화염 특성과 안정화 메커니즘에 대해 논의했다.
