The behavior of the jet diffusion flame for the case of preheating co-flowing air was experimentally studied. Co-flowing air was heated with two electric heaters and three different temperatures ( 300K, 550K, and 700K ) were set. For the fuel side, $C_3H_8$ diluted with $N_2$ was used. To observe the effect of the preheated air temperature on the behavior of the jet diffusion flame, liftoff height and flame length were measured with ICCD camera for three different preheated temperatures with varied the degree of the dilution of $C_3H_8$ with $N_2$ for the fuel jet. As easily expected, jet diffusion flame was stabilized in wider range of the nozzle velocity when air is preheated. Laminar lift-off height at same nozzle exit velocity (Uo) decreases with higher $C_3H_8$ mole fraction of fuel jet and more preheating since the increase of the local laminar burning velocity lowers the balance location between the burning velocity and local flow velocity. Preheated co-flowing air expanded the range of nozzle exit velocity of fuel jet (Uo) where flame was attached to the nozzle stably. The range of Uo for stabilized lifted flame, however, was narrowed and even for a certain value or range of propane mole fraction of fuel side ($X_P$) no stabilized lifted flame existed as a result of delayed liftoff. Hysteresis phenomenon, which is the difference between the velocities when liftoff and reattachment occur, was observed. For laminar lifted flame, liftoff velocity ($U_L$) and reattachment velocity (Ura) increased as temperature of co-flowing air (Tco) or propane mole fraction of fuel (Xp) jet increased. Lift velocity for turbulent lifted flame had same tendency. Reattachment velocity for turbulent lifted flame, however, doesn’t follow the tendency described just before. It increased with increasing Tco but maintained almost same value regardless of Xp at same Tco.
주위류 온도의 증가가 연료측 프로판을 질소로 희석비를 달리하여 희석시켜 주는 경우 분류 화염의 거동에 대한 연구를 실험적으로 연구하였다. 주위류 온도는 300K, 550K, 700K로 변화시켰다. 다양한 화염의 형태와 거동에 대한 관찰을 위해 연료측은 프로판을 질소로 희석한 혼합기체를 사용하였다. 각각의 경우 연료측 노즐출구속도를 증가시키거나 감소시킬 때 화염길이와 부상높이를 측정하여 화염의 구조, 안정성 그리고 거동에 대해 주위류 온도의 증가가 미치는 영향에 대해 살펴 보았다.
일반적으로 주위류 온도의 증가에 따라 화염의 안정성은 증가하여 화염이 존재하는 노즐출구속도의 영역이 확대되었다. 주위류 온도 증가로 인해 화염의 존재 영역이 확대되었을 뿐 아니라 상온의 주위류 온도에 대해서는 관찰할 수 없었던 화염의 거동 형태 또한 관찰되었는데 주위류 온도가 550K, 700K 인 경우에서 부상화염이 안정하게 존재하지 않는 연료측 프로판의 몰분율 조건이 있었고 그 범위는 주위류 온도가 높은 경우 더 넓었다. 또한 상온에서는 부착화염은 모두 층류화염인데 반해 주위류 온도가 550K, 700K인 경우에는 난류부착화염이 관찰되었으며 난류부착화염의 난류 강도는 700K의 주위류에 대해 더 강해지는 경향을 나타내었다. 같은 노즐출구속도에 대해 화염의 부상높이는 연료측 프로판의 몰분율이 증가함에 따라 낮아짐이 확인되었다. 같은 연료측 노즐출구속도에 대한 화염의 부상높이의 감소는 고정된 연료측 프로판의 몰분율에 대해 주위류 온도를 증가시킬 경우에도 관찰되었다. 화염의 부상이 일어날 때의 노즐출구속도를 의미하는 부상속도 ($U_L$) 는 같은 주위류 온도에 대해 연료측 프로판의 몰분율이 증가함에 따라 증가하지만 난류화염의 재부착속도(Ura)는 연료측 프로판의 몰분율에 관계없이 일정한 값을 가졌다. 주위류 온도 증가에 따라 부상속도와 재부착속도는 각각 증가하였고 각각의 온도에 대해 연료측 프로판의 몰분율에 대한 경향성에는 변화가 없었다.
분류 확산 화염의 안정성과 거동 그리고 화염의 부상높이가 결정됨에 있어서 층류화염전파속도가 매우 중요한 요소가 되며 실험을 통해 관찰한 결과는 국부화염전파속도 분포의 변화를 통해 설명이 가능하다. 이는 화염 밑단과 노즐 사이에 존재하는 dark space내의 예혼합화염이 화염 전체의 안정성의 열쇠가 되며 분류와 주위류의 유입에 의한 유속의 화염면 방향의 속도 성분과 국부화염전파속도가 같아지는 지점에서 화염이 안정화 된다는 사실에 기인한다. 또한 난류화염의 부상높이와 날림속도 또한 화염전파속도와 밀접한 관계가 있다. 화염전파속도는 당량비에 따라 차이가 있지만 대체로 온도의 제곱에 비례한다. 본 실험에 적용된 노즐 부위의 온도장은 주위류 온도에 따라 크게 증가하며 또한 하류 방향으로는 파이렉스 컨파인더를 통한 열손실로 인해 온도분포의 구배가 존재한다. 따라서 주위류 온도 증가에 따른 국부화염전파속도 분포는 상온에서의 분포에 대해 전반적으로 증가하며 하류방향으로 약간의 구배가 있게 된다. 이에 따라 주위류 온도 증가는 화염의 안정성과 부상높이에 영향을 미친다. 주위류 온도의 증가는 화염 밑단과 노즐 사이의 dark space를 감소하게 하며 국부화염전파속도를 증가시킨다. 국부화염전파속도가 증가하면 같은 노즐출구속도에 대하여 노즐에 가까운 쪽에서 화염면에 평행한 유속 성분과 일치하는 지점이 형성된다. 따라서 같은 노즐출구속도에 대하여 주위류 온도가 증가하면 화염의 부상높이가 낮아지게 된다. 또한 dark space의 감소와 국부화염전파속도의 전반적인 증가는 화염의 부상을 지연하게 하여 화염의 안정성을 증가시키며 또한 부상화염이 존재하는 영역을 감소시킨다.
