7/29/2019 CJ Rallis AM Garforth PECS 1980 http://slidepdf.com/reader/full/cj-rallis-am-garforth-pecs-1980 1/27 Prog. Energy Com bust. Sci., Vol. 6, pp. 303-329. 0361~1285/80/12014)303505.00/0 Pergamon Press Ltd., 1980. Printed in Gre at Britain. THE DETERMINATION OF LAMINAR BURNING VELOCITY C. J. RALLIS and A. M. GARFORTH School of Mechanical Engineering, University of the Witwatersrand, Jan Smuts Avenue, Johannesburg 2001, South Africa Abstract The relevance of data on laminar burning velocities, both from their value to industry and related research areas, and for the validation of theoretical chemical kinetic models, is discussed, as are certain fundamental problems associated with the measurement of this intrinsic property. Various methods which have been used over the years to experimentally determine this property are reviewed and it is concluded that the spherical constant-volume vessel method is both the most versatile and accurate. As a consequence, a summary of the equations required for its correct use are presented. For the purpose of com paring the results of the more reliable techniques, as well as comparing these with recent computer predictions, data on the effects of equivalence ratio, pressure and unburnt gas temperature for methane-air mixtures are reported, as are a number of empirical equations correlating these variables with burning velocity. NOTATION A area; B defined as (1/flXg - ~XI - F 2) ; C defined as -(1/flXrfl3Xl - F3), specific heat capacity; D defined as - C, diffusion coefficient ; E defined as BF2/(1 - F2); F defined as(1 - ~; G defined as ~F 3 + g(1 - F3); h enthalpy ; k constant ; K correction factor; m mass ; M molecular weight ; n mass fraction ; p absolute pressure; r radius; R bomb inner-wall radius, tube radius ; R universal gas constant; S velocity ; t time ; T absolute temperature; v velocity; W reaction rate; x distance; y distance; defined as (PdPo), angle ; defined as (PJPo) ; 7 ratio of heat capacities; defined as (P /Po) ; p density; r flame-front thickness ; ~b equivalence ratio ; Subscripts b burnt gas ; c centre, correction ; e at end of combustion ; f flame front; i ignition ; 2 thermal conductivity; o initial ; p constant pressure ; pr preheat zone; s spatial; t transformation (or burning), throat ; u unburnt gas ; ug unburnt gas; w at the bom b wall; A bar over any symbol indicates an instantaneously spatially- averaged value. The symbol ~ denotes nondimensionai quantities. 1. INTRODUCTION The main aim of combustion research is the ac- quisition of a thorough understanding of the mechan- isms of ignition, species distribution, flame propaga- tion and energy release of combustible mixtures. The practical results of such knowledge are evidently the control of the combustion process, both from the point of view of safety and its utilization as a source of energy. Ultimately, such understanding can only be achieved through chemical kinetics--the mass, species and energy equations being used to predict the con- ditions necessary for ignition, as well as the overall rates of reaction (HC53, HC54, Sp56). Unfortunately, due to the complexity of the problem, this method has only recently started yielding results, and then only for the simpler combustible mixtures (SH76, Ts78). In any event, the validation of any theoretical model requires the availability of reliable experimental data against which its prediction can be compared (SH76, HK77, Ts78). The proximate goal of gradually accumulating knowledge via ad hoc experimentation is thus still necessary--both in the short and long terms. Furthermore, correlation of such data can provide valuable clues for elucidation by more comprehensive theoretical treatments. To quote Lewis (Le59), "... it is possible to develop new conceptional understand- ings from experimental observations and simple corre- lations whenever it is found that flame processes have some physical basis in common". Two complementary empirical approaches to the study of combustion processes are available-- microscopic and macroscopic. The aim of the former, which use measuring instruments of high spatial resolution and short response time, is to provide ~Pzcs6:~ A 303
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Prog. Energy Com bust . Sci . ,Vol. 6, pp. 303-329. 0361~1285/80/12014)303505.00/0Pergamon Press Ltd., 1980. Printed in Gre at Britain.
T H E D E T E R M I N A T I O N O F L A M I N A R
B U R N I N G V E L O C IT Y
C . J . R A L L IS a n d A . M . G A R F O R T H
S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r in g , U n i v e r s it y o f th e W i t w a t e r sr a n d , J a n S m u t s A v e n u e ,J o h a n n e s b u r g 2001, S o u t h A f r ic a
Abstrac t T h e r e l e v a n c e o f d a t a o n l a m i n a r b u r n i n g v e l o c it ie s , b o t h f r o m t h e i r v a l u e t o i n d u s t r y a n d r e l a t e dr e s e a r c h a r e a s , a n d f o r t h e v a l i d a t i o n o f t h e o r e t ic a l c h e m i c a l k i n e t i c m o d e l s , i s d is c u s se d , a s a r e c e r t a i n
f u n d a m e n t a l p r o b l e m s a s s o ci a te d w i t h t h e m e a s u r e m e n t o f t h i s i n t ri n s ic p r o p e rt y . V a r i o u s m e t h o d s w h i c hh a v e b e e n u s e d o v e r t h e y e a r s t o e x p e r i m e n t a l l y d e t e r m i n e t h i s p r o p e r t y a r e r e v i ew e d a n d i t is c o n c l u d e d t h a t
t h e s p h e r i c a l c o n s t a n t - v o l u m e ve ss el m e t h o d i s b o t h t h e m o s t v e r s a t i l e a n d a c c u r a t e . A s a c o n s e q u e n c e , a
s u m m a r y o f th e e q u a t i o n s r e q u i r e d f o r i ts c o r r e c t u s e a r e p r e s e n t e d . F o r t h e p u r p o s e o f c o m p a r i n g t h e r e s u l t so f t h e m o r e r e l i a b le t e c h n i q u e s , a s w e l l a s c o m p a r i n g t h e s e w i t h r e c e n t c o m p u t e r p r e d i c t i o n s , d a t a o n t h e
e ff ec ts o f e q u i v a l e n c e r a t io , p r e s s u r e a n d u n b u r n t g a s t e m p e r a t u r e f o r m e t h a n e - a i r m i x t u r e s a r e r e p o r t e d , a sa r e a n u m b e r o f e m p i r i c a l e q u a t i o n s c o r r e l a t i n g t h e s e v a r i a b l e s w i t h b u r n i n g v e l o c it y .
NOTATION
A a r e a ;
B d e f i n e d a s ( 1 / f l X g - ~XI - F 2) ;
C de f ined as - ( 1 / f l X r f l 3 X l - F 3 ), spec i f i c hea t capac i ty ;
D def ined as - C , d i f fus ion coef f ic ien t ;E de f ined as B F 2 / ( 1 - F 2 ) ;
F d e f i n e d a s ( 1 - ~ ;G def ined as ~F 3 + g (1 - F3) ;
h e n t h a l p y ;
k c o n s t a n t ;
K c o r r e c t i o n f a c t o r ;
m m a s s ;M m o l e c u l a r w e i g h t ;
n m a s s f r a c t i o n ;
p a b s o l u t e p r e s s u r e ;
r r a d i u s ;R b o m b i n n e r -w a l l r a d i u s , t u b e r a d i u s ;
R u n i v e r sa l g a s c o n s t a n t ;S ve loc i ty ;
t t ime ;
T a b s o l u t e t e m p e r a t u r e ;v v e l o c i t y ;W r e a c t io n r a t e ;
x d i s t a n c e ;
y d i s t a n c e ;
de f ined as (PdPo) , a n g l e ;
de f ined as ( P J P o ) ;
7 r a t i o o f h e a t c a p a c i t i e s ;
de f ined a s ( P / P o ) ;p d e n s i t y ;
r f l a m e - f r o n t t h i c k n e s s ;~b equ iva lence ra t io ;
S u b s c r i p t sb b u r n t g a s ;c c e n t r e , c o r r e c t i o n ;e a t e n d o f c o m b u s t i o n ;
f f l a m e f r o n t ;
i ign i t io n ;2 t h e r m a l c o n d u c t i v i t y ;o in i t i a l ;p c o n s t a n t p r e s s u r e ;p r p r e h e a t z o n e ;
s s p a t i a l ;t t r a n s f o r m a t i o n ( o r b u r n i n g ) , t h r o a t ;u u n b u r n t g a s ;u g u n b u r n t g a s ;w a t t h e b o m b w a l l ;
A b a r o v e r a n y s y m b o l i n d i c a t e s a n i n s t a n t a n e o u s l y s p a ti a l l y -
a v e r a g e d v a lu e . T h e s y m b o l ~ d e n o t e s n o n d i m e n s i o n a iquan t i t i e s .
1. INTRODUCTION
T h e m a i n a i m o f c o m b u s t i o n r e s e a r c h i s t h e a c-
q u i s i t i o n o f a t h o r o u g h u n d e r s t a n d i n g o f t h e m e c h a n -
i s m s o f i g n i t io n , s p e c ie s d i s t r i b u t i o n , f l a m e p r o p a g a -
t i o n a n d e n e r g y r e l e a se o f c o m b u s t i b l e m i x t u r e s. T h e
p r a c t i c a l r e s u lt s o f s u c h k n o w l e d g e a r e e v i d e n t l y t h e
c o n t r o l o f t h e c o m b u s t i o n p r o ce s s, b o t h f r o m t h e p o i n t
o f v ie w o f s a fe t y a n d i t s u t i l i z a t i o n a s a s o u r c e o f
e n e r g y .
U l t im a t e l y , su c h u n d e r s t a n d i n g c a n o n l y b e
a c h i e v e d t h r o u g h c h e m i c a l k i n e t i c s - - t h e m a s s , s p e ci e s
a n d e n e r g y e q u a t i o n s b e i n g u s e d t o p r e d i c t th e c o n -
d i t i o n s n e c e s s a r y f o r i g n i t i o n , a s w e l l a s t h e o v e r a l l
r a t e s o f r e a c t i o n ( H C 5 3 , H C 5 4 , S p 5 6 ). U n f o r t u n a t e l y ,
d u e t o t h e c o m p l e x i t y o f t h e p r o b l e m , t h i s m e t h o d h a s
o n l y r e c e n t l y s t a r t e d y i e l d i n g re s u lt s , a n d t h e n o n l y f o r
t h e s i m p l e r c o m b u s t i b l e m i x t u r e s ( S H 7 6 , T s7 8 ). I n a n y
e v e n t , t h e v a l i d a t i o n o f a n y t h e o r e t i c a l m o d e l r e q u i r e s
t h e a v a i l a b i l i ty o f r e li a b l e e x p e r i m e n t a l d a t a a g a i n s t
w h i c h i ts p r e d ic t i o n c a n b e c o m p a r e d ( S H 76 , H K 7 7 ,T s 7 8 ) .
T h e p r o x i m a t e g o a l o f g r a d u a ll y a c c u m u l a t i n g
k n o w l e d g e v i a a d h o c e x p e r i m e n t a t i o n i s t h u s s t il l
n e c e s s a r y - - b o t h i n th e s h o r t a n d l o n g t e r m s.
F u r t h e r m o r e , c o r r e l at i o n o f s u c h d a t a c a n p r o v i d e
v a l u a b l e c lu e s f o r e l u c i d a t i o n b y m o r e c o m p r e h e n s i v e
t h e o r e t i c a l t r e a t m e n t s . T o q u o t e L e w i s (L e 5 9) , " . . . i t
i s p o s s i b le t o d e v e l o p n e w c o n c e p t i o n a l u n d e r s t a n d -
i n g s f r o m e x p e r i m e n t a l o b s e r v a t i o n s a n d s i m p l e c o r r e -
l a t i o n s w h e n e v e r i t is f o u n d t h a t f l a m e p r o c e s s e s h a v e
s o m e p h y s i c a l b a s is in c o m m o n " .
T w o c o m p l e m e n t a r y e m p i r i ca l a p p r o a c h e s t o th e
s t u d y o f c o m b u s t i o n p r o c es s e s a r e a v a i l a b l e - -
m i c r o s c o p i c a n d m a c r o s c o p i c . T h e a i m o f t h e fo r m e r ,
w h i c h u s e m e a s u r i n g i n s t r u m e n t s o f h i g h s p a t i al
r e s o l u t i o n a n d s h o r t r e s p o n s e t i m e , i s t o p r o v i d e
d e t a i l e d d e s c r i p t i o n s o f f l am e s t r u c t u r e t h r o u g h i n f o r-
m a t i o n o f t h e f lu i d f lo w , t e m p e r a t u r e a n d c o m p o s i t i o n
p r o f i le s , r e a c t i o n r a t e s a n d t r a n s p o r t c o e f f i c ie n t s o f t h e
v a r i o u s s p e c i e s p r e s e n t i n t h e f l a m e ( G o 7 6 ) . T h e l a t t e r
p r o v i d e d a t a o n t h e e ffe cts o f t h e r m o d y n a m i c v a r i a b l e s
s u c h a s c o m p o s i t i o n , t e m p e r a t u r e , a n d p r e s s u r e , o n t h e
g r o s s b e h a v i o r o f c o m b u s t i b l e m i x t u r e s : v i z . i n f l a m -
m a b i l i t y l i m i t s ; i g n i t i o n e n e r g i e s , te m p e r a t u r e s , a n d
d e l a y s ; q u e n c h i n g d i s t a n c e s ; i n s ta b i l i t y p h e n o m e n a ;
b u r n i n g v e l o c it i e s o f b o t h l a m i n a r a n d t u r b u l e n t
f la m e s ; a b n o r m a l c o m b u s t i o n s u c h a s d e t o n a t i o n a n d
k n o c k ; a n d t h e l i k e .
T h i s r e v i e w w i ll b e p r i m a r i l y c o n c e r n e d w i t h t h e
e x p e r i m e n t a l d e t e r m i n a t i o n o f o n e o f t h e b a s i c p r o -
p e r ti e s o f a n y c o m b u s t i b l e m i x t u r e - - i t s l a m i n a r b u r n -
i n g v e l o c i t y .
A n u m b e r o f ex c e l le n t r e v ie w s h a v e b e e n p u b l i s h e d
o v e r t h e y e a r s o n t h i s t o p ic . N o t a b l e a m o n g s t t h e s e a r e
t h o s e o f L e w i s a n d v o n E l b e ( L V 5 6 , L V 6 1 ) , L i n n e t t( L i 5 3 , L i 5 4 ) , F i o c k ( F i 4 3 , F i 5 5 ) , S i m o n a n d W o n g
( S W 5 3 ) , D u g g e r e t a l . ( D S 5 7 ) , G a y d o n a n d W o l f h a r d
( G W 6 0 ) , L af fi te a n d C o m b o u r i e u ( L a 62 , C o 6 2 a n d
L C 6 4 ), F r i s t r o m a n d W e s t e n b e r g (F W 6 5 ) , L i d l o w
( Li 6 7) a n d , m o r e r e c e n tl y , o f A n d r e w s a n d B r a d l e y
(ABV2).
W h a t i s p e r h a p s s u r p r i s i n g i s t h a t a l t h o u g h t h e
s u b j e c t o f th e b u r n i n g v e l o c i t y o f c o m b u s t i b l e m i x t u r e s
h a s b e e n s t u d i e d f o r c l o s e o n a c e n t u r y , t h e r e i s s t i ll a
l a c k o f c o n s e n s u s b o t h a s t o t h e m o s t e f f e ct iv e m e t h o d s
o f m e a s u r e m e n t a n d o n t h e r e l i a b i l i ty o f t h e p u b l i s h e d
d a t a f o r v a r i o u s m i x t u r e s.
2. FLAME-FR ONT STR UC TUR E
A s a p r e r e q u i s i te t o t h e r e l i a b le d e t e r m i n a t i o n o f
b u r n i n g v e l o c i t y i t is n e c e s s a ry t o h a v e s o m e u n d e r -
s t a n d i n g o f f l a m e - f ro n t s t r u c t u r e .
A f l a m e i s t h e r e s u l t o f a s e l f - s u s ta i n i n g c h e m i c a l
r e a c t i o n u s u a l l y m a d e v i s ib l e b y t h e l u m i n o s i t y o f t h e
b u r n i n g g a s e s . A s s o c i a t e d w i t h a f l a m e i s a f la m e f r o n t ,
i n w h ic h t h e u n b u r n t g a s is h e a te d a n d c o n v e r t e d i n t o
p r o d u c t s . W h e t h e r t h e f l a m e is s t a t i o n a r y o r m o v i n g i n
Flame
t.-
i#a
r io _
)-
O
s p a c e , t h e f l a m e f r o n t , w h i c h i s o f fi n i t e th i c k n e s s , i s
t a k e n a s a n i n d i c a t i o n o f t h e p r o g r e s s o f t h e f l am e .
T h e f l a m e fr o n t i s g e n e r a l l y c o n s i d e r e d t o c o n s i s t o f
t w o r e g i o n s , r e f e r r e d t o a s t h e p r e h e a t a n d r e a c t i o n
zones ( F ig . 1 ).
T h e p r e h e a t z o n e o c c u r s b e t w e e n t h e c o l d b o u n -
d a r y , a t t e m p e r a t u r e , T ,, a n d t h e l o c a t i o n o f t h ei g n i t io n t e m p e r a t u r e , Tv I n t h i s r e g i o n , t h e t e m p e r a -
t u r e o f t h e u n b u r n t g a s i s r a i s e d m a i n l y b y h e a t
c o n d u c t i o n a n d s o m e c o n v e c t i o n f r o m t h e r e a c t i o n
z o n e - - r a d i a t i o n h e a t t r a n s f e r b e i n g n e g l ig i b le . S i n ce
e a c h e l e m e n t i n t h i s r e g i o n a c t s a s a h e a t s i n k , t h e
t e m p e r a t u r e p r o f i l e i s c o n c a v e u p w a r d s ( 0 2 T / S x 2 > 0 ) .
A l s o , b e c a u s e o f t h e t e m p e r a t u r e i n c re a s e , t h e u n b u r n t
g a s e x p a n d s a n d i s a c c e l e r a t e d (F i g . 2) . N o s i g n i f i c a n t
c h e m i c a l r e a c t i o n o c c u r s i n t h i s z o n e ( D S 5 7 ).
O n r e a c h i n g i t s i g n i t i o n t e m p e r a t u r e , T~, e a c h
e l e m e n t o f g as s t a r t s u n d e r g o i n g c h e m i c a l r e a c t io n
w i t h a c o n s e q u e n t e v o l u t i o n o f h e a t , r e s u l t in g i n at e m p e r a t u r e p r o f il e w h i c h i s c o n c a v e d o w n w a r d s
( ~ 2 T / O x 2 < 0 ) . T h e t e m p e r a t u r e c o n t i n u e s t o r i s e u n t i l
i t s e q u i l i b r i u m v a l u e o f T i s r e a c h e d . T h e r e g i o n
b e t w e e n t h e l o c a t i o n o f t h e i g n i t i o n t e m p e r a t u r e , T~,
a n d t h e h o t b o u n d a r y a t t h e e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e ,
Tr , i s r e f e r r ed to as the r e ac t ion z one ( F ig . 1 ).
T h e r e a c t i o n z o n e i s f u r t h e r d i v i s i b l e i n t o t w o p a r t s :
t h e p r i m a r y a n d s e c o n d a r y r e a c t i o n z o n e s . T h e
p r i m a r y z o n e i s a p p r o x i m a t e l y c o i n c i d e n t w i t h t h e
l u m i n o u s z o n e ( W F 6 1 ) , w h i l e t h e s e c o n d a r y z o n e i s
a s s o c i a t e d w i t h a n a r e a o f w e a k s e c o n d a r y l u m i n o s i t y
d u e t o C O o x i d a t i o n ( F W 6 5 ) .T h e w h o l e r e g i o n c o m p r i s i n g t h e p r e h e a t a n d
r e a c t i o n z o n e s - - c h a r a c t e r i z e d b y t h e t e r m f l a m e
f r o n t g e n e r a l l y h a s a s i g n i f i c a n t t h i c k n e s s . I d e a l l y ,
t h i s t h ic k n e s s i s t h e d i s t a n c e b e t w e e n t h e c o l d a n d h o t
b o u n d a r i e s o f th e f r o n t . H o w e v e r , s i n c e th e t e m p e r a -
t u r e p r o f il e a p p r o a c h e s b o t h T , a n d T a s y m p t o t i c a l l y ,
i t s e x t r e m i t i e s a r e u s u a l l y s p e c i f i e d b y t h e a r b i t r a r y
c o n d i t i o n s :( T ~ - - T ' ) / ( T ~ - - T,) = 0.99
f ron t thickness, T
( T ) - T 3 / ( T y - T~) = 0.99 (1)
" i
Ix ; x f
Preheat zone I [ React ion zone
D i st a nc e - x ~
FIG. 1. Ty pical tempe rature profile throu gh a f lame front.
The determin ation of lamina r burning veloci ty 305
IS0q
140q
1001
Lu
%o
i r I i I [--E TH Y L E N E I O X Y G E N ~ =
I I [ f ' - T - ~ ' x ' i l : M P f i R A T U R E
0 , 2 0
g,18O0C '~ 0 ,~O O
2C - - 0 , 14 >
0,12
O,lO0 , 8 - ~ i ~ . . . . . . . . . ~ A R E A R A T I O
0 ,6 ~ ~ ~ ~ 0 ,0 8
1 2 3 4 5 6 7 8
D I S T A N C E ( r n m )
FIG. 2. Tem perature, velocity, an d stream-tube are a profiles (Fr61).
w h e r e T " a n d T } a r e t h e t e m p e r a t u r e s a t t h e s e a r b i t r a r y
e x t r e m e s .
A p p l i c a t i o n o f e q . (1 ) t o t h e t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n
t h r o u g h t h e p r e h e a t z o n e v i a t h e c o n s e r v a t i o n e q u a -
t i o n s p r e s e n t e d i n S e c t i o n 3 y i e l d s a n e s t i m a t e o f t h e
t h i c k n e s s o f t h i s z o n e , g i v e n b y
r pr = 4 . 6 X / C p p , S , . (2 )
E v i d e n t l y ( F W 6 5 ) , t h i s r e l a t i o n s h i p i s r e p r e s e n t a t i v e
o f a t o t a l f l a m e t h i c k n e s s , z ' , d e f i n e d i n t e r m s o f t h e
a v e r a g e t e m p e r a t u r e g r a d i e n t t h r o u g h t h e f r o n t , a s
i n d i c a t e d i n F i g . 3 .
T ~ _.(_ _d / d x l a v e r a g e
T f ~ , , ~ / . _
- - J ' ~ - - . . . . T u xoTe
FIG. 3. Flam e-front thickness based on preh eat zone analysis.
T h e f o r e g o i n g d e s c r i p t i o n i s r e l e v a n t i n t h i s r e v i e w
f o r t w o r e a s o n s . A s w i l l b e d i s c u s s e d i n S e c t i o n 4 , t h e
d e t e r m i n a t i o n o f b u r n i n g v e l o c i t y i n e x p e r i m e n t s i n
w h i c h t h e f l a m e f r o n t i s n o t p l a n e , i s c r i t i c a l l y d e -
p e n d e n t o n t h e d e c i s i o n t a k e n r e g a r d i n g t h e l o c a t i o n
o f t h i s f r o n t ( L i5 3 ). A l s o , s i n c e a t l o w d e n s i t i e s ( p ,) a n d
b u r n i n g v e l o c i t i e s ( St ) t h e t h i c k n e s s o f t h e f l a m e f r o n t
c a n b e c o m e s i g n i f i c a n t , t h i s e ff ec t m u s t b e i n c o r p o -
r a t e d i n t o t h e e q u a t i o n s u s e d t o c a l c u l a t e b u r n i n g
ve lo c i ty ( Sec t ion 7 .2).
A s w i t h t e m p e r a t u r e a n d v e l o c it y , s p e c ie s c o n c e n -
t r a t i o n p r o f i l e s a l s o e x i s t w i t h i n t h e f l a m e f r o n t ( F i g . 4 ).
T h e l a t t e r a r e m u c h m o r e c o m p l e x t h a n e i t h e r t h e
t e m p e r a t u r e o r v e l o c i ty p r o fi l es , a n d a r e l a r g e l y d e -p e n d e n t u p o n t h e c o m b u s t i b l e m i x tu r e c o n c e rn e d .
T h e s e p r o f i l e s a r e n o t o f d i r e c t r e l e v a n c e i n t h i s r e v i e w
p r o v i d e d t h a t , a t a n y s t a g e t h r o u g h t h e f l a m e , t h e
s y s t e m m a y b e c o n s i d e r e d a s a m i x t u r e o f p e rf e c t g a s e s
f o r t h e p u r p o s e s o f d e n s i ty c a l c u l a t i o n .
T h e i n t e r e s t e d r e a d e r i s r e f e r re d t o t h e l i t e r a t u r e f o r
m o r e d e t a i l e d t r e a t m e n t s o f fl a m e s t r u c t u r e ( F r 6 1 ,
F W 6 5 ) .
3. CONSERVATIONEQUATIONS FOR APROPAGATING FLAME-FRONT
T w o m a i n m e t h o d s f o r c a l c u l a t i n g l a m i n a r b u r n i n g
v e l o c i ty a n d f l a m e s tr u c t u r e h a v e b e e n e v o l v e d d u r i n g
t h e p a s t t h r e e d e c a d e s . T h e o r d i n a r y d i f fe r e n ti a l e q u a -
t i o n s f o r h e a t c o n d u c t i o n , d i f f u s i o n a n d s p e c i e s c o n -
t i n u i t y d e r i v e d b y H i r s c h f e l d e r e t a l . ( H C 5 3 ) a n d
s o l v e d b y t h e m b y t h e s i m p l e s h o o t i n g m e t h o d r e -
p r e s e n t s o n e a p p r o a c h . H e r e , t h e f l a m e s p e e d i s t h ee i g e n v a lu e o f t h e t w o - p o i n t b o u n d a r y v a l u e p r o b l e m
s p e c if i ed b y t h e u n b u r n t a n d b u r n t g a s c o n d i t i o n s .
O f t e n , h o w e v e r , a n a s s u m e d b u r n i n g v e l o c i t y i s n o t
s u f fi c i en t t o i n i t i a t e t h e s o l u t i o n , a n d m u l t i - e i g e n v a l u e
s o l u t i o n s a r e n e c e s s a r y (C H 6 3 ). N o a c c e p t a b l e c o n v e r -
g e n c e c r i t e r i a e x i s t f o r s u c h s o l u t i o n s a n d , a l t h o u g h
o t h e r m e t h o d s h a v e b e e n d e v i s e d (K e 6 8 ), n o s t a n d a r d i -
z a t i o n h a s b e e n a c h i e v e d .
T h e o t h e r m a i n a p p r o a c h , u s e d b y S p a l d i n g ( S p5 6 ),
i n v o l v es s e tt i n g u p t h e e q u a t i o n s f o r c o n t i n u i t y a n d t h e
t i m e - d e p e n d e n t e n e r g y c o n s e r v a t i o n e q u a t i o n s . T h e s e
a r e s o l v e d b y f i n i te - d i ff e r e n c e m e t h o d s , w i t h a r b i t r a r y
i n i t i a l p r o f i l e a s s u m p t i o n s . T h e y a r e m o r e e a s i l y
a p p l i e d t o t h e u n s t e a d y p r o p a g a t i o n o f l a m i n a r fl a m e s
t h a n a r e t h o s e o f H i r s ch f e l d e r e t a l . A s u se d b y A d a m s
a n d C o o k ( A C 6 0 ), Z e l d o v i c h a n d B a r e n b l a t t ( Z B 5 9 ),
D i x o n - L e w i s ( D L 6 7 ) a n d S p a l d i n g e t a l . (SS71) , these
e q u a t i o n s h a v e b e e n a p p l i e d t o t h e s o l u t i o n o f th e o n e -
d i m e n s i o n a l fl a m e p r o b l e m . R e c e n t ly , t h e m e t h o d h a s
b e e n e x t e n d e d t o h a n d l e f la m e s i n c y l i n d r ic a l a n d
s p h e r i c a l c o - o r d i n a t e s b y B l e d j i a n ( B1 7 3 ) a n d D i x o n -
L e w i s a n d S h e p h e r d ( D S7 4 ).
P e r t i n e n t r e c e n t r e f er e n ce s c o v e r i n g t h e p r o c e d u r e s
a n d p r o b l e m s e n c o u n t e r e d i n c l u d e D S 7 4 , D G 7 5 ,
S H 7 6 a n d T s 7 8.I n t h i s f o rm t h e e q u a t i o n s a r e o n l y a p p l i c a b l e t o t h e
a d i a b a t i c f l a m e c a se . T h e s e e q u a t i o n s a r e :
(1) The m a s s c o n t i n u i t y e q u a t i o n - -
( c 3p /c 3 t) + ( 1 / r k ) ( c 3 / c ~ r ) ( r k p v ) = 0. (3)
The determin ation of lamin ar burning veloci ty 307
4. LAMINARBURN ING VELOCITY
O n e o f t h e m o s t i m p o r t a n t i n t r i n s i c p r o p e r t i e s o f
a n y c o m b u s t i b l e m i x t u r e i s i t s l a m i n a r b u r n i n g v e -
l o c i t y a n d t h e d e p e n d e n c e o f t h i s p r o p e r t y o n s u c h
v a r i a b l e s a s m i x t u r e c o m p o s i t i o n , t e m p e r a t u r e a n d
p r e s s u r e . H o p e f u l l y , a s h a s b e e n s u g g e s t e d i n t h ep r e v i o u s s e c t i o n , t h i s o b s e r v a b l e m a c r o s c o p i c e f f e c t
w i ll u l ti m a t e l y y i e l d to a n a l y t i c a l s t u d i e s - - a s m a y s u c h
a l t o g e th e r m o r e" c o m p l e x p h e n o m e n a a s t u r b u l e n t
f la m e v e l o c i t y a n d k n o c k i n s p a r k - i g n i t i o n e n g i n e s. I n
t h e m e a n t i m e , h o w e v e r , t h e r e i s a w e a l t h o f e x p e r i -
m e n t a l e v i d e n c e t o s u g g e s t t h a t l a m i n a r b u r n i n g
v e l o c i ty i s a n i m p o r t a n t v a r i a b l e i n c o r r e l a t i o n e q u a -
t i o n s fo r su c h p h e n o m e n a a s f la s h b a c k a n d f l a m e - ti l t
i n b u r n e r s , m i n i m u m i g n i t i o n e n e r g ie s o f e l ec t r ic
s p a rk s , a n d t u r b u l e n t f l am e v e l o c i t y - - t o m e n t i o n b u t
a f ew ( L V 6 1 ). E v i d e n t l y , t h e r e f o r e , a n a c c u r a t e k n o w -
l e d g e o f t h i s p r o p e r t y , t o g e t h e r w i t h t h e i n f l u e n c e o f
o t h e r v a r i a b l e s o n i t , i s i m p o r t a n t i n a n y c o m b u s t i o n
s t u d y .
T h e i g n i t i o n o f a c o m b u s t i b l e h o m o g e n e o u s m i x t u r e
f r o m s o m e p o i n t w i t h i n i t r e s u lt s in t h e p r o p a g a t i o n o f
a f l a m e . T h e v e l o c i t y o f s p r e a d o f s u c h a f l a m e r e l a t i v e
t o t h e p o i n t o f i g n i t i o n i s r e a d i l y m e a s u r a b l e . H o w e v e r ,
t h i s s p a t i a l v e l o c i t y ( S ~) i s n o t a u n i q u e p r o p e r t y o f s u c h
a m i x t u r e . I t c a n b e s h o w n t o b e t h e s u m o f tw o
v e l o c i t i e s , n a m e l y t h e b u r n i n g o r t r a n s f o r m a t i o n
v e l o c i t y ( S t ) a n d t h e u n b u r n t g a s v e l o c i t y i m m e d i a t e l y
adj ace nt to the f lame f r o n t ( S~g) : i .e .
S~ = S t + S , o . (6 )
T h e s e c o n d a n d g e n e r a l l y l a r g e r c o m p o n e n t (S ug ) i s
a p p a r e n t l y a f u n c t io n o f t h e r e l a t i v e d e n s i t ie s o f t h e
b u r n t a n d u n b u r n t g a s a t a n y i n s t a n t , a s w e ll a s o f t h e
p r e s e n c e o r a b s e n c e o f a n y c o n s t r a i n i n g b o u n d a r y .
T h e b u r n i n g v e l o c i t y (S t) i s d e f in e d a s t h e r e l a t i v e
v e l o c i t y , n o r m a l t o t h e f l a m e f r o n t , w i t h w h i c h t h e
u n b u r n t g a s m o v e s i n t o t h i s f ro n t a n d i s t r a n s f o rm e d .
I t i s c o n s i d e r e d t o b e a n i n t r i n s i c p r o p e r t y o f t h e
s p e ci fi c c o m b u s t i b l e m i x t u r e . S y m b o l i c a l l y , i t c a n b e
e x p r e s s e d a s ( R P 6 2 )
S t = - - ( 1 / A s p u ) ( d m d d t )
- - ( 1 / A r p ~ ) ( d m J d t ) (7 )
w h e r e A s i s t h e f l a m e f r o n t a r e a , p ~ i s t h e u n b u r n t g a s
d e n s i t y i m m e d i a t e l y a d j a c e n t t o t h i s a r e a , a n d ( d m d d t )
i s th e m a s s r a t e o f fl o w o f u n b u r n t g a s i n t o t h e f l a m e
f r on t , w h i c h i s e q u a l t o t h e m a s s r a t e o f f o r m a t i o n o f
b u r n t p r o d u c t s (drab~dr ) .
T h e m e t h o d s u s e d f o r d e t e r m i n i n g l a m i n a r v e l o c i t y
f a ll i n t o t w o c a t e g o r i e s : t h o s e i n w h i c h t h e f l a m e f r o n t
r e m a i n s s t a t i o n a r y i n s p a c e , i .e . S s = 0 o r S , = - - S , g ,
a n d t h o s e i n w h i c h i t m o v e s w i t h r e s p e c t t o s o m e f ix e d
p o i n t - - u s u a l l y t h e p o i n t o f ig n i ti o n .
T h e f i r s t c a t e g o r y c a n b e s u b d i v i d e d i n t o t w oc l a s s es : n a m e l y , d i f fu s i o n f l a m e s a n d p r e m i x e d f l a m e s .
E x a m p l e s o f t h e f o r m e r a r e t h e b u r n i n g o f ca n d l e s , o i l
w i c k s, w o o d o r c o a l . T h e b e s t e x a m p l e o f a p r e m i x e d
f l am e is t h a t o b t a i n e d i n a B u n s e n b u r n e r . W h e n t h e
c o m b u s t i b l e g a s e s a r e p r e m i x e d a n d t h e f l o w i s
l a m i n a r t h i s y i e ld s th e c h a r a c t e r i s ti c i n n e r c o n e a n d
m a n t l e o f a l l b u r n e r f l a m e s .
P r o p a g a t i n g f l a m e s m a y a l s o c o n v e n i e n t l y b e s u b -
d i v i d e d i n to t w o c l a s s es : n a m e l y c o n s t a n t v o l u m e a n d
c o n s t a n t p r e s s u r e . E x a m p l e s h e r e a r e t h e s p h e r i c a l
c o n s t a n t v o l u m e v e ss e l, s o a p b u b b l e a n d c y l i n d r i c a l
t u b e m e t h o d s . T h e i r s t u d y r e q u i r e s a m e a n s o f m e a s u r -i n g t h e v e l o c i t y o f p r o p a g a t i o n o f t h e f l a m e - f r o n t
r e l a t i v e t o t h e f i x e d p o i n t o f i g n i t i o n ( Ss ), a s w e l l a s a
m e a n s o f d e t e r m i n i n g t h e u n b u r n t g a s v e l o c i t y (S ug ).
T h e f o r m e r m a y b e a c h i e v e d e i t h e r p h o t o g r a p h i -
c a l l y u s i n g d i r e c t , S c h l i e r e n , s h a d o w o r i n t e r f e r o m e t r i c
m e t h o d s ; o r b y t h e u s e o f i o n i z a t i o n g a p s , f u si n g w i re s ,
t e m p e r a t u r e p r o b e s o r s i m i l a r d e v i c e s c a p a b l e o f
d e t e c t i n g t h e f l a m e f r o n t . T h e l a t t e r (S~o) m a y e i t h e r b e
d e t e r m i n e d a n a l y t i c a l l y o r b y u s i n g s o m e v e l o c i t y
m e a s u r i n g d e v i ce , s u c h a s a h o t - w i r e a n e m o m e t e r . I f
s u i t a b l e p a r ti c l e t r a c k i n g t e c h n i q u e s f o r o b s e r v i n g t h e
g a s m o t i o n i n b o t h t h e u n b u r n t a n d b u r n t r e g io n s ca nb e d e v e l o p e d , t h e n S t fo l l o w s d i r e c t l y f r o m e q . ( 6) . I n
t h e c o n s t a n t v o l u m e m e t h o d a n a d d i t i o n a l d e s i r a b l e
o b s e r v a t i o n - - i f f ul l a d v a n t a g e i s t o b e t a k e n o f t h i s
m e t h o d - - i s t h e c h a n g e i n p r e s s u r e in t h e v e s se l d u r i n g
t h e c o u r s e o f t h e f la m e .
E a c h o f t h e f o r e g o i n g m e t h o d s h a s c e r t a in a d -
v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s . T h e s e w i l l b e d i s c u s s e d i n
g r e a t e r d e t a i l i n S e c t i o n 6 .
5. F U N D A M E N T A L P R O B L E M I N BURNINGVELOCITY MEASUREMENT
M a n y o f t h e d i f fi c u lt ie s a s s o c i a t e d w i t h t h e d e t e r m i -
n a t i o n o f l a m i n a r b u r n i n g v e l o c i ty c e n t r e a r o u n d t h e
p r e c is e m e a n i n g s g i v e n t o t h e v a r i a b l e s i n e q . ( 7 ) - - a n d
i n p a r t i c u l a r t o t h e f l a m e - f r o n t a r e a A f .
T h e c a s e o f a n i n f i n i t e p l a n e f l a m e , i n w h i c h t h e
f l am e f r o n t i s n o r m a l t o t h e d i r e c t i o n o f f lo w o f t h e
u n b u r n t g a s , i s t h e o n l y o n e i n w h i c h t h e s e d i f f i cu l t i es
d o n o t a r is e . I n a l l o t h e r s y s t e m s " . . . n o d e f i n i ti o n fr ee
f r o m a l l p o s s i b l e o b j e c t i o n s c a n b e f o r m u l a t e d " ( L i 53 ) .
U n f o r t u n a t e l y , t h e c l o se s t a p p r o x i m a t i o n t o a n i n f i n it e
p l a n e f l a m e , t h e f l a t - fl a m e b u r n e r o f P o w l i n g a n d
E d g e r t o n ( P o 4 9 , P o 6 1 , E T 5 2 ) , i s l i m i t e d i n t h i s a s w e l l
a s o t h e r r e s p e c t s .
T h e b a s i c q u e s t io n t o w h i c h a n a n s w e r i s re q u i r e d i s
t h e r e f o re : W h i c h p a r t o f t h e f l a m e s h o u l d b e s e l e ct e d
f o r m e a s u r e m e n t p u r p o s e s ? E v i d e n t l y , f r o m e q . ( 7),
a n y s u r f a c e w i t h i n t h e f l a m e f r o n t a t w h i c h t h e
c o r r e s p o n d i n g v a l u e s o f d e n s i t y ( p) a n d m a s s f lo w r a t e
( d m / d t ) c a n b e a c c u r a t e l y a n d r e p r o d u c i b l y d e t e r -
m i n e d w o u l d b e a c c e p t a b l e . U n d o u b t e d l y , t h e b e s t
s u r fa c e is t h a t a t w h i c h t h e t e m p e r a t u r e j u s t s t a r t s t o
d e v i a t e f r o m t h e u n b u r n t g a s v a l u e ( T ~ , F i g . I ) .
U n f o r t u n a t e l y , d u e t o t h e a s y m p t o t i c n a t u r e o f t h e
t e m p e r a t u r e p r o f i l e t h i s p o s i t i o n i s u n m e a s u r a b l e .
T e m p e r a t u r e o r d e n s i t y m e a s u r i n g d e v i c e s o f h i g hs p a t i a l r e s o l u t i o n a n d s e n s i t i v i ty , s u c h a s S c h l i e r e n
p h o t o g r a p h y o r l a s e r i n t e r f e ro m e t r y (G a 7 6 ), w o u l d
s e em t o b e i n d i c a t e d - - p r o v i d e d c o r r e sp o n d i n g v a l u e s
o f a r e a a n d t e m p e r a t u r e a r e u s e d i n e q . (7 ).
F r i s t r o m h a s s h o w n t h a t t h e i n n e r r e g i o n o f t h e
l u m i n o u s z o n e r e p r e s e n t s t h e b e s t l o c a t i o n a t w h i c h t o
m e a s u r e g a s v e l o c i t i e s a n d a r e a s f o r c u r v e d t h i c k
f lames ( F r 65) . U s ing eq . ( 7) he de f ines a bur n ing
v e l o c i ty , S * , i m m e d i a t e l y a d j a c e n t t o t h e r e a c t i o n
s u r f a c e o f a r e a A * , a n d d e n s i t y , p * , a s
S * = ( a ' p ' / A * p * ) S c
w h e r e A ' , p ' a n d S't a r e t h e v a l u e s m e a s u r e d a t s o m e
o t h e r s u r f a c e.
5.1. M e t h o d s o f O b s er v in 9 t h e F l a m e F r o n t
V a r i o u s m e t h o d s o f l o c a t i n g t h e p o s i t i o n o f th e
f l a m e f r o n t h a v e b e e n p r o p o s e d a n d u s e d ( D S5 7 ).
T h e s e i n c l u d e :
(1 ) D i r e c t p h o t o g r a p h y o f t h e l u m i n o u s f l am e (L P 5 1 ,
G W 5 3 , S E 5 9 ).
(2 ) S h a d o w p h o t o g r a p h y u s i n g a p o i n t s o u r c e o f l i g h t
( S L 48 , G L 4 9 , A F 4 9 , A F 5 0 ) .
(3 ) S c h l i e re n p h o t o g r a p h y u s i n g e i th e r a c o a r s e g r a t-
i n g i l l u m i n a t e d fr o m b e h i n d ( G W 5 3 , G i 5 7 ) o r a n
o p t i c a l s y s t e m u s i n g l e n s e s o r m i r r o r s ( C L 5 1 ,
P L 5 1 , B W 5 3 , D i 5 3 , B W 5 4 , S e6 1 ).
( 4) I n t e r f e r o m e t r y ( O I 4 9 , G W 5 3 ) .
( 5 ) P a r t i c l e t r a c k m e a s u r e m e n t s ( p h o t o g r a p h i c o r
l a s e r D o p p l e r ) ( S m 3 7 , V L 4 3 , A F 5 0 , F A 5 4 , F r 5 6 ,
G o 7 6 , E P 7 6 ).
( 6) I o n i z a t i o n g a p s ( E S 5 7 , S A 5 7 , E A 5 8 , G r 5 9 , A G 6 1 ) .
(7 ) T e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t s ( K W 4 8 , F r 5 3 , G L 5 3 ,
G W 5 3 , F B 5 4 ) .
S i n ce t h e i n t e n s i t y o f t h e l u m i n o u s z o n e i s g e n e r a l l y
s u ff ic i e nt l y h i g h , p a r t i c u l a r l y f o r h y d r o c a r b o n m i x -
t u r es , d i re c t p h o t o g r a p h y i s p o s s i b l e a n d h a s
f r e q u e n t l y b e e n u s e d . H o w e v e r , a s w a s d i s c u s s e d i n
S e c t i o n 2 , t h i s z o n e i s l o c a t e d s o m e d i s t a n c e b e h i n d t h e
i n i t ia l t e m p e r a t u r e r i s e a n d h e n c e d o e s n o t r e p r e s e n t
t h e s t a r t o f t h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e u n b u r n t g a s
a n d t h e c o m b u s t i o n w a v e . ( F i g s 1 a n d 2 ) . I n b u r n e r
f l a m e s , t h e t h i c k n e s s o f t h e p r e h e a t r e g i o n a h e a d o f th e
l u m i n o u s f r o n t is f o u n d t o v a r y f ro m a b o u t 1 m m a t
a t m o s p h e r i c p r e s s u r e ( A F 5 0 ) t o a b o u t 1 0 m m a t 1 / 2 0
a t m o s p h e r e ( K W 4 8 ) . T h i s s u r f a c e w o u l d t h e r e f o r ea p p e a r t o b e u n s u i t a b l e f o r d e t e r m i n i n g b u r n i n g
v e l o c i t y ( f or l o w - p r e s s u r e b u r n e r f l a m e s a t a n y r a t e )
u n l e s s t h e c o r r e s p o n d i n g u n b u r n t g a s d e n s i t y c a n a l s o
b e m e a s u r e d .
S h a d o w p h o t o g r a p h y h a s b e e n s t u d i e d f a ir l y e x t e n -
s i v e l y ( S L 4 8 , W o 4 9 , A F 5 9 ) , a n d i t h a s b e e n e s t a b l i s h e d
t h a t t h e s h a r p i n n e r s h a d o w g r a p h e d g e i s d e p e n d e n t
o n t h e d i s t a n c e b e t w e e n t h e f la m e a n d t h e s c r ee n o r
p h o t o g r a p h i c p l a t e . F u r t h e r , t h is e d g e is l o c a t e d a h e a d
o f t h e p r e h e a t r e g i o n a n d a p p r o a c h e s t h e s t a r t o f t h i s
r e g i o n a s t h e d i s t a n c e b e t w e e n f l a m e a n d s c r e e n i s
d e c r e a s e d . T h i s w e l l - d e f i n e d e d g e m a y t h e r e f o r e o n l y
b e u s e d i f s u i t a b l e c o r re c t i o n s c a n b e m a d e . O n t h eo t h e r h a n d , t h e o u t e r s h a d o w g r a p h e d g e , w h i c h i s
c o i n c i d e n t w i t h t h e S c h l i e r e n e d g e , a n d i s n o t d e -
p e n d e n t o n d i s t an c e , i s n o t w e l l -d e f i n ed a n d i s h e n ce
d i f fi c u l t t o m e a s u r e . F o r t h e s e a n d o t h e r r e a s o n s ,
s h a d o w p h o t o g r a p h y i s c o n s i d e r e d u n r e l i a b l e , a n d
G a y d o n a n d W o l f h a r d r e c o m m e n d t h a t i t b e a b a n -
d o n e d ( G W 5 3 ).
O f t h e o p t i c a l m e t h o d s , t h e b e s t m e a s u r e m e n t s o f
t h e s t a r t o f t h e p r e h e a t z o n e a r e a f f o r d e d b y t h e
S c h l ie r e n , i n t e r fe r o m e t r i c a n d p a r t i c l e t r a c k m e t h o d s .
I n t e r f e r o m e t r y , a l t h o u g h p o s s e s s i n g m a n y a t t r a c t i v e
f e a t u r e s , c a n b e e x p e n s i v e a n d c o m p l i c a t e d t o u s e . I na n y c a s e , i t i s d o u b t f u l w h e t h e r f o r t h i s p u r p o s e i t c a n
p r o v i d e m u c h a d d i t i o n a l i n f o r m a t io n a s c o m p a r e d
w i t h S c h l i e r e n o r p a r t i c l e t r a c k t e c h n i q u e s .
S c h l i e r e n m e t h o d s y i e l d a f o c u s s e d i m a g e o f t h e
f la m e , e n a b l i n g t h e p o s i t i o n o f m a x i m u m i n t e n s it y ,
g i ve n a p p r o x i m a t e l y b y ( - 1 / T Z ) ( d T / d x ) , t o b e e a s i l y
l o c a t e d . I n b u r n e r f l a m e s , t h i s a p p a r e n t l y o c c u r s a t
a b o u t 2 0 0 ° C ( K W 4 8 ) . I t h a s , h o w e v e r , b e e n p o i n t e d
o u t t h a t " . . . b e c a u s e o f t h e o p t i c a l a r r a n g e m e n t f o r
p h o t o g r a p h y t h e S c h l ie r e n i n a c o n i c a l f l am e m a y b e a t
m u c h l o w e r t e m p e r a t u r e , a n d t h i s d i s p l a c e m e n t w i ll
d e p e n d o n t h e t h i c k n e s s o f t h e p r e - h e a t i n g z o n e , a n dt h e r e fo r e o n t h e b u r n i n g v e l o c it y . T h e S c h l ie r e n m a y
t h u s s e r v e t o l o c a t e t h e p o s i t i o n o f t h e f ir st t e m p e r a t u r e
i n c r e a se w h i c h i s r e q u i r e d f o r m e a s u r e m e n t o f b u r n i n g
v e l o c i t y " ( G W 5 3 , p . 6 7) . S m o k e ( B r4 9 ) a n d p a r t i c l e
t r a c k ( A F 5 0 , G L 5 2 , G e 5 3 ) m e a s u r e m e n t s i n b u r n e r
f l a m e s c o n f i r m t h a t t h e f l o w li n e s r e m a i n p a r a l l e l to t h e
b u r n e r a x i s u n t i l t h e S c h l i e r e n i m a g e i s r e a c h e d . T h e r e
s e e m s l i t t le d o u b t , t h e r e f o re , t h a t w h e r e v e r p o s s i b l e t h e
S c h l ie r e n e d g e s h o u l d b e u s e d f o r b u r n i n g - v e l o c i t y
s t u d i e s ( G H 5 0 ) ( F i g . 5 ).
FLOWLINES /V IS IBLE E DGE
, S CH L I E R E N\ ~ EDGE
~ , t l N N E RSHADOWE DGE
FIG. 5. Relation of f low lines to f lame images (GH50).
T h e p a r t i c l e t r a c k m e t h o d i s a n e x t r e m e l y v e r s at i let e c h n i q u e f o r t h e s t u d y o f f l am e s . B y i ts u s e , v o n E l b e
a n d L e w i s ( V L 4 3 ) w e r e a b l e t o s h o w t h a t b u r n i n g
v e l o c i t y i s a " g e n u i n e p h y s i c a l c o n s t a n t " ( G W 5 3 ) .
H o w e v e r , i t i s a p t t o b e r a t h e r t e d i o u s a s a m e a n s o f
d e t e r m i n i n g b u r n i n g v e l o c it i e s per se . C a r e h a s t o b e
e x e r c i s e d t h a t t h e p a r t i c l e s u s e d d o n o t h a v e a n y
c a t a l y t i c ef fe ct s o n t h e f l a m e a n d a l s o t h a t t h e y a r e
s m a l l e n o u g h t o a c c u r a t e l y i n d i c a t e a n y c h a n g e s i n
d i r e c t i o n o f t h e s t r e a m t u b e s . N e v e r t h e l e s s , i t i s o n e o f
t h e m o s t p o w e r f u l t e c h n i q u e s a v a i l a b l e (C W 6 3 , S G 5 6 ,
A F 4 9 , L i 7 6 , L i 6 8 , R M 7 1 , F W 6 5 , B S 6 9 , E H 6 9 ) .
I t h a s l o n g b e e n k n o w n t h a t t h e e l e c t ri c a l c o n d u c -
t i v i ty o f f l a m e g a s e s is h i g h a s c o m p a r e d w i t h t h eu n b u r n t g a s. A m e t h o d o f d e t e c t i n g th e p o s i t i o n o f t h e
f l a m e f r o n t a s a r e s u l t o f s u c h c h a n g e s i n c o n d u c t i v i t y
( b y m e a n s o f i o n i z a t i o n g a p s ) h a s b e e n u s e d b y A g n e w
a n d h i s c o w o r k e r s i n t h e i r st u d i es o f f l am e p r o p a g a t i o n
i n s p h e r i c a l c o n s t a n t - v o l u m e v e s s e l s ( E s5 7 , S a 5 7 ,
The determination of lamina r burning veloci ty 309
E a 5 8 , G r 5 9 , A G 6 1 ) . E v i d e n t l y s u c h i o n i z a t i o n g a p s
w i l l t r i g g e r a t s o m e p o i n t w i t h i n t h e l u m i n o u s z o n e
( C K 5 5 , K N 5 9 ) . I f t h e f l a m e - f r o n t t h i c k n e s s i s v a r i a b l e ,
a s i t m i g h t w e l l b e i n c o n s t a n t - v o l u m e e x p e r i m e n t s ,
t h i s t e c h n i q u e m a y i n t r o d u c e s i g n i f i c a n t e r r o r .
F u r t h e r , u n l e ss c a r e i s e x e rc i s e d re g a r d i n g t h e p r o b e
d i m e n s i o n s , t h e r e i s a p o s s i b i l i t y o f d e f o r m i n g t h ef l am e f r o n t d u e t o c o o l i n g a n d / o r q u e n c h i n g e ff ec ts
( P B 5 9 ). S i n c e it a p p e a r s t h a t t h e b e s t s u r f a c e a t w h i c h
t o l o c a t e t h e f la m e f r o n t i s t h a t a t w h i c h t h e t e m p e r a -
t u r e j u s t s t a r t s t o d e v i a t e f r o m t h e u n b u r n t g a s v a l ue ,
e v i d e n t l y t h e m o s t d i r e c t d e t e r m i n a t i o n i s v i a s o m e
f o r m o f d e n s i t y o r t e m p e r a t u r e m e a s u r i n g d e v i c e o f
h i g h s p a t i a l r e s o l u t i o n a n d s e n s it i v it y .
T o s u m m a r i z e , t h e re f o r e, i t w o u l d a p p e a r t h a t : (1 ) i f
a n o p t i c a l m e t h o d o f o b s e r v i n g t h e f l a m e fr o n t i s to b e
u s e d t h e n e i t h e r S c h l i e r e n o r p a r t i c l e t r a c k i n g t e c h -
n i q u e s a r e i n d i c a t e d , a n d (2 ) i f n o n o p t i c a l m e t h o d s a r e
n e c e s s ar y , a d e n s i t y o r t e m p e r a t u r e s e n s in g d e v i c e o fs r h a l l s i ze , h i g h s e n s i t i v i t y a n d s h o r t r e s p o n s e - t i m e
w o u l d s e e m t o b e p r e f er a b l e .
I t m u s t b e s t r e s s e d , h o w e v e r , t h a t t h e b u l k o f t h e
e x p e r i m e n t a l e v i d e n c e r e l a t i n g t o f l a m e - fr o n t s t r u c t u re
h a s b e e n o b t a i n e d o n l o w - v e l o c i t y , l o w - p r e s su r e ,
s t a t i o n a r y f l a m e s . F o r s u c h f l a m e s , t h e t h i c k n e s s o f t h e
p r e h e a t r e g i o n i s g i v e n a p p r o x i m a t e l y b y e q . (2 ). I f t h i s
e q u a t i o n i s e q u a l l y a p p l i c a b l e t o h i g h - v e l o c it y , h i g h -
p r e s s u r e p r o p a g a t i n g f l a m e s , t h e t h i c k n e s s o f t h e
p r e h e a t z o n e m a y n o t b e s i g n if ic a n t . A n y o f t h e a b o v e
m e t h o d s w o u l d t h e n b e e q u a l l y e f fe c ti v e. H o w e v e r ,
t h e r e i s a p o s s i b i l i ty t h a t t h e c o n t r o l l i n g m e c h a n i s m sa n d r e a c t i o n s c h e m e s d e d u c e d f r o m s t a t i o n a r y f l am e s
m a y n o t b e a p p l i c a b l e t o p r o p a g a t i n g f l am e s (G W 5 3 ,
p . 8 1 ) . W h e r e v e r p o s s i b l e t h e r e f o r e , a l t e r n a t i v e
m e t h o d s o f o b s e r v i n g th e f l a m e f r o n t w o u l d a p p e a r
t o b e d e s i r a b l e a s a c h e c k o n e a c h o t h e r .
6. M E T H O D S O F M E A S U R I N G L A M I N A R
BURNING VELOCITY
S i n c e l a m i n a r b u r n i n g v e l o c i ty i s k n o w n t o b e
d e p e n d e n t o n t h e t e m p e r a t u r e , p r e s s u r e a n d c o m -
p o s i t i o n o f t h e u n b u r n t m i x t u r e , a n y e x p e r i m e n t f o r it s
d e t e r m i n a t i o n s h o u l d e n s u r e a c c u r a t e c o n t r o l o r
m e a s u r e m e n t o f t h e s e p a r a m e t e r s . F u r t h e r , t h e f la m e
f r o n t s h o u l d i d e a l l y b e p l a n e a n d w e l l r e m o v e d f r o m
a n y s u r fa c e w h i c h c o u l d c a u s e h e a t i n g , q u e n c h i n g o r
c a t a l y t i c e ff ec ts . I f a p l a n e s u r f a c e i s u n a t t a i n a b l e , t h e n
t h e f l a m e s h o u l d a t l e a s t h a v e a l a r g e r a d i u s o f
c u r v a t u r e c o m p a r e d w i t h t h e a n t i c i p a t e d f l a m e - f r o n t
t h i c k n e s s . I n s u c h c a s e s , t h e s u r f a c e s h o u l d p r e f e r a b l y
b e o n e - d i m e n s i o n a l , s o t h a t i t is a m e n a b l e t o r i g o r o u s
m a t h e m a t i c a l d e s c r i p t i o n , t h u s p e r m i t t i n g r e l i a b l e
c o r r e c t i o n s f or f l a m e - fr o n t t h i c k n e ss a n d c u r v a t u r e t o
b e a p p l i e d .
O n t h e e x p e r i m e n t a l si d e , t h e m e t h o d s h o u l d b e a se c o n o m i c a l a s p o s s i b l e o n f u el , p e r m i t w i d e v a r i a t i o n s
i n u n b u r n t g a s t e m p e r a t u r e , p r e s su r e a n d c o m p o -
s i t i o n , y i e l d r e p r o d u c i b l e r e s t i l t s a n d , i f p o s s i b l e , b e
s i m p l e t o u s e .
T h e m e t h o d s w h i c h h a v e b e e n u s e d t o d e t e r m i n e
l a m i n a r b u r n i n g v e l o c i ty h a v e b e e n c a t e g o r i z e d e i th e r
i n t e r m s o f t h e c o m p l e x i t y o f t h e i r f l a m e - f ro n t s h a p e s
( L i 5 3 , L i 5 4 ), o r i n t h e t w o c l a s se s o f s t a t i o n a r y a n d
p r o p a g a t i n g f l am e s (A B 72 ). A c o m b i n a t i o n o f th e s e
t w o a p p r o a c h e s w o u l d s e e m t o b e c o n v e n ie n t . W e w i ll
t h u s t r e a t e a c h o f th e s e t w o c l a s s e s - - s t a t i o n a r y a n d
p r o p a g a t i n g f l a m e s - - i n o r d e r o f d ec r e as i n g c o m -p l e x i t y o f t h e i r f l a m e - f r o n t s h a p e s .
6.1. S t a t i o n a r y F l a m e s
L a m i n a r b u r n i n g v e l o c i t ie s c a n b e m e a s u r e d b y
c a u s i n g a p r e m i x e d c o m b u s t i b l e m i x t u r e i n w h i c h t h e
f l o w i s l a m i n a r t o e n t e r a s t a t i o n a r y f l a m e f r o n t ( S ~
= 0 ) w i t h a v e l o c i t y e q u a l t o t h e b u r n i n g v e l o c i t y (S~o
= - S t ) . I d e a l l y , t h e fl a m e f r o n t s h o u l d b e p l a n e .
H o w e v e r , s i n c e a s t a t i o n a r y f l a t fl a m e i s u n s t a b l e , s o m e
m e a n s m u s t b e p r o v i d e d fo r a n c h o r i n g t h e f lo w a b o v e
t h e b u r n e r m o u t h . B y d e f i n it i o n , a l l s u c h m e t h o d sd i s t o r t t h e f l a m e f r o n t t o a g r e a t e r o r l e s s e r e x t e n t .
6.1.1. B u r n e r m e t h o d s
B u r n e r f l a m e s o f o n e k i n d o r a n o t h e r h a v e b e e n
s t u d i e d e x t e n s iv e l y a n d h a v e p r o v i d e d v a l u a b l e i n s ig h t
i n t o a h o s t o f c o m b u s t i o n p r o b l e m s (J o 4 6 , LV 6 1 ) . A s a
c o n s e q u e n c e, m o s t o f th e e a r l i e r b u r n i n g v e l o c i t y d a t a
a v a i l a b l e i n t h e l i t e r a t u r e h av e b e e n o b t a i n e d b y
b u r n e r m e t h o d s ( J o 5 6 , G W 5 3 , L i 5 3 , L V 6 1 , A B 7 2 ) .
D o u b t l e s s , t h e m a i n r e a s o n s f o r t h i s a r e t h a t i n i t s
r u d i m e n t a r y f o r m t h e a p p a r a t u s r e q u i r e d i s i n e x p e n -
s iv e , v e r s a t i l e , a n d s u p e r f i c i a l l y e a s y t o u s e . H o w e v e r ,
m o s t o f t h e r e s u l t s o b t a i n e d w i t h s u c h s i m p l e a p -
p a r a t u s m u s t b e c o n s i d e r e d o f d o u b t f u l r e l i a b i l it y .
V a r i o u s k i n d s o f b u r n e r h a v e b e e n t r i e d - - c i r c u l a r
t u b e , s h a p e d n o z z l e , o r if i c e , a n d r e c t a n g u l a r s l o t t y p e s .
I n t h e c i r c u l a r - t u b e a n d r e c t a n g u l a r - s l o t t y p e s , a t
a p p r o p r i a t e l y l o w R e y n o l d s n u m b e r s , th e u n b u r n t g a s
v e l o c i t y p r o f i l e i s p a r a b o l i c , w h i l s t s u i t a b l y d e s i g n e d
n o z z l e a n d o r i f i ce b u r n e r s y i e l d e s s e n t i a l l y u n i f o r m
v e l o c i t y p r o f i l e s ( e x c e p t i n t h e b o u n d a r y l a y e r ) a n d
s t r a i g h t - s i d e d f l a m e c o n e s ( F i g . 6).
I n e s s e n c e , t h e s e m e t h o d s e n t a i l e s t a b l i s h i n g l a -
m i n a r f l o w i n a v e r t i c a l c o n d u i t , t h e f l a m e b e i n g h e l d
s t a t i o n a r y a t t h e t o p e n d b y t h e f l o w o f c o m b u s t i b l e
g a s e s . S in c e t h e s p a t i a l v e l o c i t y , S s, i s t h e n z e r o , t h e
b u r n i n g v e l o c it y , S t, a t a n y p a r t i c u l a r p o i n t o n t h e
f l a m e - f r o n t c o n e i s n u m e r i c a l l y e q u a l t o t h e n o r m a l
c o m p o n e n t o f t h e g a s v e l o c i ty a t t h a t p o i n t . T h a t i s
( F ig . 7 )
St = Sug sinct. (9)
A l t e r n a t iv e l y , t h e a v e r a g e b u r n i n g v e l o c i t y o v e r t h e
w h o l e f l a m e - fr o n t c o n e c a n b e o b t a i n e d f ro m m a s s
c o n t i n u i t y , t h u s
S , = K n / i , A f . (10)A p r e f e ra b l e , b u t m o r e t e d i o u s , a p p r o a c h t o t h e
f o r e g o i n g i s t h e u s e o f p a r t i c l e t r a c k i n g , s o s u c c e s s f u l ly
d e m o n s t r a t e d b y L e w i s a n d v o n E l b e ( LV 6 1 ) a n d L e v y
a n d W e i n b e r g ( L W 5 9 ) ( s e e F i g . 8 ) . I n t h i s t e c h n i q u e ,
s t r o b o s c o p i c a l l y i l l u m i n a t e d p a r t i c l e s p r o v i d e d i r e c t
FIG. 6. Nozzle bu rner w ith straight-sided flame cone (Fr57).
m e a s u r e m e n t o f b o t h t h e v e l o c i t y a n d d i r e c t i o n o f t h e
c o n t a i n i n g s t r e a m t u b e . U s e o f t h i s m e t h o d e n a b l e d
L e w i s a n d v o n E l b e (L V 6 1 ) t o s h o w t h a t t h e f l a m e
v e l o c i ty w a s c o n s t a n t o v e r m o s t o f th e f l am e f r o n t ( F i g .
9 ) . R e s u l t s u s i n g t h i s a p p r o a c h , o r m o d i f i c a t i o n
t h e r e o f , a r e r e p o r t e d i n R e f s A F 4 9 , S G 5 6 , C W 6 3 ,
L i 6 7 a , L i 6 8, R M 7 1 , F W 6 5 a n d B S 6 9.
O n e o t h e r m e t h o d w h i c h h a s b e e n u s e d t o d e t e rm i n e
b u r n i n g v e l o c i t i e s i n b u r n e r s i s t h e s o - c a l l e d f l a m e
t h r u s t m e th o d . F r o m t h e m o m e n t u m e q u a t i o n f or o n e -
d i m e n s i o n a l f lo w it c a n b e s h o w n t h a t t h e p r e s s u r e
~ a A f
S u g ~ ' ~ , ~ o A t
FIG. 7. Fla me cone geom etry.
d i f f e r e n c e a c r o s s a f l a m e f r o n t i s g i v e n b y ( L v 6 1 ,
G W 7 0 )
P , , - - P b = p u S 2 ( p , J P b - - 1). (11)M e a s u r e m e n t o f th i s p r e s s u r e d i f f e re n c e , u s i n g a
m i c r o p i t o t - t u b e p r o b e , t o g e t h e r w i t h c a l c u l a t io n o f p ,
a n d P b, c a n y i e l d t h e b u r n i n g v e l o c i t y , S ,. B e c a u s e o f t h ev e r y l o w p r e s s u r e d i f f e r e n c e s a v a i l a b l e t h e a t t a i n a b l e
a c c u r a c y i s p o o r . N e v e r th e l e s s, t h e a p p r o a c h h a s b e e n
u s e d w i t h s o m e s u c c e ss , p a r t i c u l a r l y f o r h i g h b u r n i n g -
v e l o c i ty m i x t u r e s ( E H 6 9 , F W 6 5 , B S 5 7 , G W 6 0 , E H 7 0 ).
A l t h o u g h s m a l l , i t i s th i s e ff ec t w h i c h c a u s e s d i v e r g e n c e
o f th e u n b u r n t g a s f l o w -l in e s i n t u b e b u r n e r s a n d
c o n t r i b u t e s t o t h e r o u n d i n g o f t h e f l a m e - c o n e ti p
( F W 6 5 ) . T h i s d i v e r g e n c e i s q u i te p r o m i n e n t i n i n v e r t e d
f l a m e c o n e b u r n e r s ( F i g . 1 0 ) w h i c h , i n c i d e n t a l l y ,
a p p e a r t o h a v e a n u m b e r o f a t t r a c t i v e f e a t u re s w h e n
u s e d w i t h p a r t i c l e t r a c k i n g f o r l a m i n a r b u r n i n g v e -
l o c i t y m e a s u r e m e n t s .
A l t h o u g h e s s e n t ia l l y s i m p l e , b u r n e r m e t h o d s s u ff er
f ro m t h e f o l l o w i n g in h e r e n t d i s a d v a n t a g e s :
(1 ) L a c k o f u n i f o r m i t y o f t h e b u r n i n g v e l o c i ty o v e r t h e
f l a m e s u r fa c e , p a r t i c u l a r l y a t t h e f l a m e t i p a n d n e a r
t h e b u r n e r r i m ( L V 61 , G W 7 0 ) .
( 2) D i f f i c u l ty o f e s t a b l i s h i n g t h e r e l e v a n t u n b u r n t g a s
t e m p e r a t u r e p r o f i le t h r o u g h a n y s e c t i o n o f t h e
f l a m e c o n e . S i n c e b u r n i n g v e l o c i t i e s a r e s t r o n g l y
d e p e n d e n t o n u n b u r n t g a s t e m p e r a t u r e , t h i s i s a n
e s s e n t i a l p i e c e o f i n f o r m a t i o n ( G R 7 8 ) .
(3 ) N o n a d i a b a t i c n a t u r e o f t h e f la m e p a r t i c u l a r l y n e a r
t h e b a s e o f th e c o n e ( G W 7 0 ) .
( 4) A i r e n t r a i n m e n t i n t o t h e f l a m e - c o n e b a s e , e s p e -
c i a l l y w i t h r i c h m i x t u r e s ( K U 6 2 ) .
( 5) D i s t o r t i o n o f t h e f l a m e c o n e d u e t o f l a m e t h r u s t
( F r 57) .
( 6) E f fe c t s o f v a r i a b l e f l a m e - f r o n t t h i c k n e s s ( G W 7 0 ) .
( 7) C a t a l y t i c a n d i n e r t i a l ef fe ct s o f s o l i d p a r t i c l e s w h e n
t h e p a r t i c l e t ra c k i n g m e t h o d i s u se d ( A F 4 9 ) .
I f t h e u s e o f a b u r n e r m e t h o d i s i n e v i t a b l e , t h e n a
n o z z l e o r i n v e r t e d c o n e b u r n e r w i t h p a r t i c l e tr a c k i n g
a n d S c h li e re n p h o t o g r a p h y i s r e c o m m e n d e d - -
p a r t i c u l a r l y if th e S c h l i er e n c o n e c a n b e a s s o c i a t e d
w i t h a p a r t i c u l a r u n b u r n t g a s t e m p e r a t u r e ( K W 4 8 ,A B72) .
C o m p r e h e n s i v e r e v ie w s o f b u r n e r m e t h o d s a r e t o b e
f o u n d i n R e f s J o 4 6 , L V 61 , G W 7 0 a n d A B 7 2 .
6.1.2. Fla t - fl ame me tho d
T h i s m e t h o d , d u e t o P o w l i n g a n d E d g e r t o n ( Po 6 1 ),
p r o v i d e s a c l o s e a p p r o x i m a t i o n t o t h e i d e a l o n e -
d i m e n s i o n a l f l a t fl a m e , b u t i s u n f o r t u n a t e l y l i m i t e d t o
l o w b u r n i n g v e l o c i t ie s ( 0 . 1 5 - - 0 . 2 0 m / s e c ). T h e a p -
p a r a t u s u s e d i s s h o w n i n F i g . 1 1 . H e r e , t h e p r e - m i x e d
c o m b u s t i b l e g a s es e n t e r a c y l i n d r i c a l b u r n e r t u b e A , o f
a p p r o x i m a t e l y 6 0 m m d i a ro ~ t e r, f ro m b e l o w . A f t e rb e i n g e v e n l y d i s t r i b u t e d a c r o s s t h e w h o l e d i a m e t e r o f
t h e t u b e b y a m a t r i x E , g la s s b e a d p a c k i n g B , a n d f in e
d i f f u s io n s c re e n s C , t h e m i x t u r e e n t e r s t h e v e r t i c a l
c h a n n e l s o f t h e m a t r i x D . T h i s m a t r i x i s b u i lt u p o f
a l t e r n a t e l a y e r s o f p l a i n a n d c o r r u g a t e d m e t a l t a p e , a s
The determin ation of lamin ar burning veloci ty 311
1FIG. 8. Particle track ph oto grap h of a f lat f lame with sketch o f directio n of observed flow (LW59).
s h o w n , r e s u l t in g i n a u n i t o f h ig h d e n s i t y a n d l o w
p r e s s u r e d r o p . I n p a s s i n g t h r o u g h t h e c h a n n e l s o f D,
a n y t u r b u l e n c e i n t h e g a s is e li m i n a t e d a n d l a m i n a r
f l o w i s s e t u p i n e a c h c h a n n e l . T h e d i s t a n c e o f t h e t o p o f
D b e l o w t h e b u r n e r p o r t i s a d j u s t e d t o a v a l u e ( u s u a ll y
5 - 1 0 m m ) s u c h t h a t t h e s e i r r e g u l a r i t i e s i n v e l o c i t y a r e
e l i m i n a t e d , b u t p a r a b o l i c f l ow h a s n o t b e g u n t o b e
e s t a b l i s h e d i n t h e m a i n b u r n e r t u b e . A w i r e g a u z e o r
p e r f o r a t e d a s b e s t o s b o a r d p l a c e d a b o v e t h e f l a m e
s e r v e s t o s t a b i l i z e i t b y s e t t i n g u p a s y s t e m o f v o r t i c e s
o n t h e f l a m e r i m ( F i g . 8 ) ( L W 5 9 ) . T h e r e s u l t i n g f l a m e
h a s t h e a p p e a r a n c e o f a f ia t d i s k w i t h a s l i g h t l y c u r l e d -u p e d g e . T h e a r e a o f t h is d i s k d i v i d e d i n t o t h e
v o l u m e t r i c f l o w - r a te o f t h e m i x t u r e y i e l d s th e b u r n i n g
v e l o c i t y .
S i n c e f l o w r a t e s c a n g e n e r a l l y b e a c c u r a t e l y d e -
t e r m i n e d t h e a c c u r a c y o f t h is m a n n e r o f u si n g t h e
m e t h o d w o u l d a p p e a r t o d e p e n d o n t h e m e a s u r e m e n t
o f th e d i s k d i a m e t e r . H o w e v e r , t h e p a r t i c l e t r a c k
p h o t o g r a p h s o f L e v y a n d W e i n b e r g ( F i g . 8 ) ( L W 5 9 )
s u g g e s t t h a t s o m e u n b u r n t g a s m a y e s c a p e a t t h e f l am e
e d g e s , t h u s l o w e r i n g t h e c a l c u l a t e d v a l u e o f S t . A l s o ,
b e c a u s e o f m i x i n g a n d c o o l i n g b y t h e s u r r o u n d i n g
n i t r o g e n , t h e e x a c t p o s i t i o n o f th e f l a m e e d g e i s
u n c e r t a i n . I t i s c l a i m e d t h a t p r o v i d e d t h e b u r n e r
d i a m e t e r i s l a rg e , t h e e r r o r f r o m t h i s c a u s e i s s m a l l . B u t
f o r f la m e s t a b i l i t y r e a s o n s , la r g e d i a m e t e r s m a y o n l y b e
u s e d f o r s l o w b u r n i n g m i x t u r e s . F a s t e r f l a m e s r e q u i r e
n a r r o w e r b u r n e r s . A l t e r n a t i v e l y , c o n c e n t r i c n o z z l e
b u r n e r s m a y b e u s e d . P o w l i n g ( P o 6 1 ) c la i m s t h a t w i t h
s u c h a n a r r a n g e m e n t , e s s e n t i a l l y f l a t f l a m e s c a n b e
o b t a i n e d u p t o b u r n i n g v e l o c it i e s o f a b o u t 1 .0 m / s e e .
A n o t h e r d i s a d v a n t a g e o f th i s m e t h o d i s t h e h e a t l o s s
f r o m t h e f l a m e a n d a s s o c i a t e d h e a t i n g o f th e m a t r ix .
T h e f o r m e r r e n d e r s t h e f la m e n o n a d i a b a t i c , t h e l a t t e rp e h e a t s t h e u n b u r n t m i x t u r e - - l o w e r i n g a n d r a i s i n g S t,
r e sp e c t iv e l y . B o t h a a n d S p a l d i n g ( B S5 4 ) u s e d a p o r o u s
s i n t e r e d b r o n z e p l a t e f o r s t a b i l i z i n g t h e f lo w , a n d
m e a s u r e d t h e h e a t t r a n s f e r re d t o t h i s p l a t e a t v a r i o u s
f lo w r a te s . B y e x t r a p o l a t i n g t h e r a t i o o f t h e v o l u m e t r i c
f l o w r a t e t o f l a m e d i s k a r e a ( " a p p a r e n t b u r n i n g
v e l o c i t y " ) t o z e r o h e a t t r a n s f e r , i t i s c l a i m e d t h a t t r u e
a d i a b a t i c b u r n i n g v e l o c it i e s w e r e o b t a i n e d . T h i s s e e m s
a r e a s o n a b l e c l a i m , p a r t i c u l a r l y s i n ce t h e u n b u r n t g a s
t e m p e r a t u r e , T , , w o u l d b e c o n t r o l l e d b y t h e w a t e r
c o o l i n g p r o v i d e d .
2. 0
k.-Zt~
- 1 . 5
u .
O
~,1,0
2 s \ \ I \ \ R \ \
t Ve loci ty ector,200 cm. per second
o 1 I I1 . 5 1 , 0 0 , 5 2 0 :0.5
m e n t ~
f l
(c ~
1 . 0 1 . 5 0 2 0 4 0 6 0
CENTIMETERS BURNINGVELOCITY,CENTIMETERS ER SECOND
FIG. 9. Com bustion-zone f lame pa ttern a nd burning veloci ty determined through ver tical centre p lane of anatural gas-a ir flame on a rectang ular burner tube (LV61) .
FIG. 10. Inverte d flame-cone with particle tracks (LV61
B e c a u s e o f t h e f o r e g o i n g d i f f i c u l t i e s , L e v y a n d
W e i n b e r g ( L W 5 9 ) p r e f e r t h e u s e o f p a r t ic l e t r a c k i n g
t e c h n i q u e s w i t h fl a t - f la m e b u r n e r s . D i x o n - L e w i s a n dW i l l i a m s (D W 6 7 ) u s i n g t h i s a p p r o a c h h a v e r e p o r t e d
h i g h e r v a lu e s f o r m e t h a n e - a i r t h a n t h o s e o b t a i n e d b y
t h e a r e a m e t h o d ( E T 5 2) . B o t h B o t h a a n d S p a l d i n g ' s
r e s u lt s f o r p r o p a n e - a i r (B S 54 ) a n d E d m o n d s o n a n d
H e a p ' s f o r m e t h a n e - a i r ( E H 7 0 ) a r e l o w e r t h a n t h o s e
o b t a i n e d b y t h e p a r t ic l e - t ra c k - c o n e - a n g l e m e t h o d s
u s i n g n o z z le b u r n e r s . S o m e d o u b t m u s t , h o w e v e r , b e
e x p r e s s e d a b o u t t h e r e l e v a n t v a l u e o f T , i n t h e s e l a t t e r
e x p e r i m e n t s .
6.2. P r o p a g a t i n 9 F l a m e s
T h e i g n i t i o n o f a q u i e s c e n t, h o m o g e n e o u s c o m -b u s t i b le m i x t u r e f r o m s o m e p o i n t w i t h i n i t r e su l t s in
t h e p r o p a g a t i o n o f a f la m e . T h e s u b s e q u e n t s p r e a d o f
s u c h a f l a m e i s d e t e r m i n e d , inter alia, b y t h e n a t u r e o f
t h e b o u n d i n g s u r f a c e b e t w e e n t h e m i x t u r e a n d i t s
s u r r o u n d i n g s . T h r e e t y p e s o f b o u n d i n g s u r f a c e h a v e
b e e n u s e d : r i g i d c y l i n d r i c a l t u b e s , e i t h e r c l o s e d a t b o t h
e n d s o r o p e n a t o n e o r b o t h e n d s ; s o a p b u b b l e
s o l u t i o n s o r t h i n e l a s t ic m e m b r a n e s ; a n d , r i g i d
The determin ation of lamina r burning veloci ty 313
6.2.1. C y l i n d r i c a l t u b e m e t h o d s
T h e e a r l y l it e r a t u r e c o n t a i n s m a n y v a l u e s o f f la m e
s p e e d s m e a s u r e d i n t u b e s ( B T 2 7 , J o 4 6 , L V 6 1 ) .
H o w e v e r , i t i s d o u b t f u l w h e t h e r t h e s e r e s u l t s a r e o f a n y
s i g n i f i c a n c e i n d e t e r m i n i n g b u r n i n g v e l o c i t y , s i n c e t h is
m e t h o d i s s u b j e c t t o s e r i o u s w a l l i n t e r a c t i o n e f f e c t s ,o n e r e s u l t o f w h i c h i s t o d e f o r m t h e f l a m e f r o n t . T h u s ,
t h e s p a t i a l v e l o c i t y o f a n y g i v e n m i x t u r e m a y i n c r e a se
m a n y t i m e s - - a s a r e s u l t o f l e ss w a ll i n t e r a c t i o n - - a s t h e
t u b e d i a m e t e r i s in c r e a s e d ( F i4 3 ). H o w e v e r , v i b r a t i o n s
u s u a l l y t h e n s e t in , a n d t h e f l a m e - f r o n t s h a p e t e n d s t o
b e c o m e i r r e g u l a r a n d d i f fi c u l t t o m e a s u r e . A l s o , d i f -
f e r e n t v a l u e s a r e o b t a i n e d d e p e n d i n g o n w h e t h e r t h e
f la m e p r o p a g a t e s i n a n u p w a r d , d o w n w a r d o r h o r i z o n -
t a l d i re c t i o n . C e r ta i n l y , o t h e r t h a n f o r t u b e d i a m e t e r s
c l o se t o t h e q u e n c h i n g d i s t a n c e, f la m e - f r o n t v i b r a t i o n s
a p p e a r d i f f i c u l t t o a v o i d , p a r t i c u l a r l y f o r m i x t u r e s
i g n i t ed b y m e a n s o f a s p a r k r a t h e r t h a n a n o p e n f l a m e .
T h e e x c e l le n t se t o f p h o t o g r a p h s g i v e n b y F l o c k ( F i 4 3 )
i l l u s t r a t e s o m e o f t h e s e p o i n t s ( F i g . 1 2 ).
* D I R E C T I O N O F F I L M M O T I O N
m e t h o d ( C o 6 1 , G L 5 1 , C L 5 9 , H H 5 6 , E P 6 9 ) . T h e r e l e -
v a n t e q u a t io n n o w b e c o m e s (G M 4 8 )
S , = (S s - S u g ) n R 2 / A s . (13)
H e r e t h e u n b u r n t g a s v e l o c i t y , S ~g , s d e t e r m i n e d f r o m
t h e d i s p l a c e m e n t o f a s o a p b u b b l e f o r m e d o v e r t h e
o r if i ce a t t h e u n b u r n t - g a s e n d .I n a f u r t h e r a d a p t a t i o n o f t h is m e t h o d , F u l l e r e t a l .
( F P 6 9 ) i g n i te d t h e m i x t u r e a t b o t h e n d s , t h u s p r o d u c -
i n g a d o u b l e - f l a m e k e r n e l w i t h r e l a t i v e l y f l a t f l a m e -
f r o n t s - - t h u s r e d u c i n g t h e e r r o r i n d e t e r m i n i n g A z .
T h i s i s s i m i l a r t o t h e t e c h n i q u e u s e d b y R a e z e r a n d
O l s e n i n a s p h e r i c a l v e s se l ( R O 6 2 ) ( s ee a l s o F i g . 1 2 D) .
P r o v i d e d v i b r a t i o n s ca n b e a v o i d e d a n d t h e u n b u r n t
g a s b e t w e e n t h e f l a m e k e r n e l s i s s t a t i o n a r y , t h e n S t
= S~. H o w e v e r , Tu a n d p u a l s o n e e d t o b e m e a s u r e d i f
t h e y d o n o t r e m a i n c o n s t a n t .
E v e n w i t h a l l t h e a b o v e r e f i n e m e n t s , i t i s d o u b t f u l
w h e t h e r t h e w a l l i n t e r a c t i o n e f fe c ts c a n e v e r b e a d -
e q u a t e l y c o r r e c t e d f o r . O n t h e w h o l e , t h e r e f o r e , t h e
m e t h o d a p p e a r s t o b e i n h e r e n t l y u n s a ti s f a ct o r y .
F1G. 12. T ypic al record s of explosions in closed and open-ended tubes (Fi43). A, B, C --t ub e closed at b othends, initial pressure 1, 2/3, and 1/3 atm osph ere respectively. D -- tu be closed at both en ds, initial pressure 1atmosphere, f ired simultaneously a t both ends. E -- to p end o f tube open, pressure 1 atmosphere, f ired at
closed end. F -- to p end o f tube open, pressure 1 atmosphere, f ired at open end.
I n e s s e n c e , t h e m e t h o d a s u s e d b y C o w a r d a n d
H a r t w e l l ( C H 3 2 , C P 3 7 ) c o n s i s t s o f a l o n g c y l i n d r i c a l
t u b e c l o s e d a t o n e e n d a n d f il le d w i t h t h e g a s m i x t u r e
u n d e r t e s t . I g n i t i o n a t t h e o p e n e n d r e s u l t s i n a n
i n i t i a ll y u n i f o r m f l a m e t r a v e l l i n g to w a r d s t h e c l o s e d
e n d ( F i n F i g . 1 2 ) . M e a s u r e m e n t o f t h i s u n i f o r m
v e l o c i t y , S s, t o g e t h e r w i t h t h e a r e a , A f , o f th e p s e u d o -
h e m i s p h e r i c a l f l a m e - f ro n t y i e l d s an a v e r a g e b u r n i n g
v e l o c i ty v i a t h e f o l lo w i n g e q u a t i o n , d i r e c t l y d e r i v a b l e
f r om the de f in ing eq . ( 7 ) :
S t = S s T Z R 2 / A f (12)
w h e r e R i s t h e t u b e r a d i u s .T h e p r o v i s i o n o f a s m a l l h o l e a t t h e e n d o f t h e t u b e
t o w a r d s w h i c h t h e f l a m e tr a v e l s , a n d a l a r g e r o n e a t t h e
o t h e r e n d , a p p a r e n t l y r e n d e r s t h e f l a m e m o v e m e n t
u n i f o rm , s t a b l e a n d r e p r o d u c i b l e ( G M 4 8 , G L 5 1 ) . M o s t
s u b s e q u e n t w o r k e r s h a v e u s e d t h i s r e v i s e d t u b e
6.2.2. F l a m e k e r n e l m e t h o d
F o l l o w i n g o n t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l w o r k b y
D e r y ( D e 4 9 ) o n t h e i g n i t io n , g r o w t h a n d t r a n s p o r t o f a
f l am e k e r n e l i n a l a m i n a r c o m b u s t i b l e g a s - s tr e a m , B o l z
a n d B u r l a g e ( B B 5 5 , B B 6 0 ) a t t e m p t e d t o u s e t h i s
t e c h n i q u e t o m e a s u r e b u r n i n g v e l o c i t y . M e a s u r e m e n t s
o f th e f l a m e a r e a a n d h e n c e t h e r a d i u s o f a n e q u i v a l e n t
s p h e r e a s t h e f l a m e k e r n e l w a s c a r r i e d d o w n s t r e a m ,
y i e l d e d S s , f r o m w h i c h S t w a s d e t e r m i n e d f r o m t h e
e q u a t i o n
S t = ( p b / p o ) S s = o rS s (16)
t h e d e n s i t y r a t i o , a , b e i n g d e t e r m i n e d f r o m t h e r m o -c h e m i c a l c a l c u l a t io n . T h e m e t h o d h a s t h e a d v a n t a g e o f
r e m o v i n g t h e f l a m e f r o m t h e i n fl u e n c e o f th e s p a r k
e l e c t r o d e s , b u t s u f fe r s f r o m t h e d i s a d v a n t a g e o f a
c o m p l e x f l a m e - f r o n t s h a p e s i n c e t h e k e r n e l i s n o t
I n a n a d a p t a t i o n o f t h is a p p r o a c h , R a e z e r a n d O l s e n
( R O 6 2 ) p r o d u c e d t w o f l a m e k e rn e l s b y s i m u l t a n e o u s l y
i g n i t i n g a c o m b u s t i b l e m i x t u r e a t t w o s e p a r a t e p o i n t s
i n a c o m b u s t i o n v e s se l . S i n c e t h e u n b u r n t g a s v e l o c i t y
o n t h e a x i s j o i n i n g t h e t w o i g n i t i o n p o i n t s m u s t b e z e r o
a s t h e k e r n e l s p r o p a g a t e t o w a r d s e a c h o t h e r , t h e n ,
f r o m e q . (6 ), S , = S~. I n t h e o r y , p r o v i d e d t h a t i g n i t i o n i ss i m u l t a n e o u s , t h e p r e s s u r e r i s e i s s m a l l , a n d t h e g a s
b e t w e e n t h e k e r n e l s i s q u ie s c e n t, t h i s m e t h o d s h o u l d
y i e l d r e l i a b l e r e s u l ts .
A r e c e n t m o d i f i c a t i o n b y A n d r e w s a n d B r a d l e y
( A B7 3 ) o f th i s m e t h o d a p p e a r s t o h a v e y i e l d e d g o o d
r e s u l t s . T w o f l a m e k e r n e l s p r o p a g a t e t o w a r d s o n e
a n o t h e r s u c h t h a t t h e i r f l am e s p e e d s a s t h e y m e e t t e n d
t o w a r d s t h e b u r n i n g v e l o c it y . T h e k e r n e l s a re c o n -
t a i n e d i n a c y l i n d r i c a l v e s s e l w i t h d o u b l e i g n i t i o n , a n d
m e a s u r e m e n t s a r e t a k e n d u r i n g t h e c o n s t a n t p r e s s u r e
p e r i o d o f c o m b u s t io n . S p a r k s y n c h r o n i z a t io n p r o b -
l e m s g e n e r a l l y r e s u l t e d i n k e r n e l s o f d i ff e r e n t si z e s.S a t i s f a c t o r y r e s u l t s a r e c l a i m e d w h e n t h e s i z e d i s -
c r e p a n c y i s n o t t o o l a r g e . T h e m e t h o d i s a p p a r e n t l y
b e s e t w i t h c o n s i d e r a b l e e x p e r i m e n t a l d i f f ic u l t y , r e s u l t -
i n g i n a l o w s u c c e s s r a t e w i t h f i r i n g s . A n a d v a n t a g e o f
t h is t e c h n i q u e i s t h a t f l am e c u r v a t u r e a n d t h i c k n e s s
c o r r e c t i o n s a r e n o t r e q u i re d .
A p o s s i b le a d a p t a t i o n o f t h is a p p r o a c h m i g h t b e t o
u s e t w o p a r t i a l l y in t e r s e c ti n g s o a p b u b b l e s o r l a t e x
b a l l o o n s , w h i c h a r e s i m u l t a n e o u s l y i g n i te d .
6.2.3. S o a p - b u b b l e m e t h o d
O f t h e t e c h n i q u e s w h i c h a r e e s s e n t ia l l y i n d e p e n d e n to f s o l i d s u r f a c e s , p o s s i b l y t h e s i m p l e s t i s t h e s o a p -
b u b b l e o r c o n s t a n t - p r e s s u r e m e t h o d d e v i s e d b y
S t e v en s (S t2 3 ), a n d d e v e l o p e d b y F i o c k a n d R o e d e r
' I ) 1 I { E C T I O N O O F F L A M E ~I ~ I O T I O N
! ~ ~ . . . . . . . . . . ~ . - - - - ~ S L I T|
I i
r , / > I
FIG. 13. Typical record of an explosion in a soap bubble{Fi43).
( F R 3 5 ) a n d L i n n e t t e t a l . ( L P 5 1 ) . H e r e t h e c o m b u s t i b l e
m i x t u r e t o b e t e s te d i s u se d t o b l o w a s p h e r i c a l b u b b l e
a r o u n d a c e n t r a l s p a r k g a p . P r o v i d e d s u c h a b u b b l e
o f f e r s n o s i g n i f i c a n t r e s i s t a n c e t o g a s e x p a n s i o n , i g -
n i t i o n o f t h e m i x t u r e r e s u l t s in t h e p r o p a g a t i o n o f a
s p h e r i c a l c o m b u s t i o n w a v e a t e s s e n t i a l ly c o n s t a n t
p r e s s u r e . ( F o r r e l a t i v e l y l o w v e l o c i t y f la m e s , t h e p r e s -s u r e f ie l d a c r o s s t h e f l a m e f r o n t m a y g e n e r a l l y b e
i g n o r e d . S i g n if i ca n t e r r o r m a y b e i n t r o d u c e d i n h i g h
v e l o c i t y fl a m e s i f t h e p r e s s u r e i s a s s u m e d c o n s t a n t . )
F o r p u r p o s e s o f a n a l y s is , t h e b u b b l e i s p h o t o g r a p h e d
t h r o u g h a n a r r o w h o r i z o n t a l s l i t u s i n g a d r u m c a m e r a .
A t y p i c a l r e c o r d i s s h o w n i n F i g . 1 3 , f r o m w h i c h i t i s
s e e n t h a t t h e s p a t i a l v e l o c i t y , S~ , i s e s s e n t i a l l y c o n s t a n t
t h r o u g h o u t t h e p r o c e ss .
N o w , f o r a s p h e r i c a l f l a m e f r o n t o f n e g l i g i b l e
t h i c k n e s s
A I = 4 n r ~
w h i l s t t h e m a s s o f b u r n t g a s , o f c o n s t a n t d e n s i t y p ~, i s
m b = 4 x r ~ p f f 3 .
H e n c e ,
A l s o ,
d m f f d t = 4 7 zr 2 p b ( d r f f d t ) .
p , = c o n s t a n t = P o .
H e n c e , f r o m o u r d e f i n i t i o n o f b u r n i n g v e l o c i t y (e q. ( 7) ),
S t = ( p f f p o ) ( d r f f d t ) = c tS s . (15)
T h u s , p r o v i d e d t h e d e n s i t y r a t i o , ~, c a n b e m e a s u r e d o r
c a l c u l a te d , a n d S s d e t e r m i n e d f r o m t h e p h o t o g r a p h i c
t r a c e , t h e n S t f o l lo w s . G e n e r a l l y , c ( i s o b t a i n e d f r o m
m e a s u r e m e n t s o f th e i n i t i a l d i a m e t e r o f t h e s p h e r i c a l
b u b b l e , 2 t o , a n d t h e f i n a l d i a m e t e r o f t h e b u r n t g a s , 2 re ,
s i n ce f o r c o n s e r v a t i o n o f m a s s
o t = ( ro / r e ) 3 . (16)
T h e a c c u r a c y o f th e m e t h o d i s t h u s e v i d e n t l y v e r y
s e n s i t iv e t o e r r o r s i n r o a n d r e. A l t h o u g h i t i s g e n e r a l l y
p o s s i b l e t o m e a s u r e b o t h S s a n d r o a c c u r a t e l y , t h e
d e t e r m i n a t i o n o f r e c a n p r e s e n t d i f f i c u lt i e s. A s a r e s u l t
o f a ft e r b u r n i n g i t m a y n o t b e p o s s i b l e to e s t a b l is h a
p r e c i s e v a l u e f o r t h e f i n a l d i a m e t e r ( L i 5 3 , S S 5 3 ) .I n e r t i a l e ff ec ts s h o u l d a l s o b e c o m e s i g n i f i c a n t a t h i g h e r
v e l o c i t i e s ( S i5 9 , S W 5 3 ) . S u r f a c e i r r e g u l a r i t i e s c e r t a i n l y
t h e n b e c o m e a p p a r e n t . A l s o , f o r l o w - v e l o c i t y f l a m e s ,
b u o y a n c y i n t r o d u c e s d i s t o r t i o n o f t h e b u r n i n g s p h e r e .
A n a l t e r n a t i v e m e t h o d o f d e t e r m i n i n g c ( i s v i a
t h e r m o d y n a m i c c a l c u l a t io n s ( G a7 3 ). C l o s e a g r e e m e n t
w i t h o b s e r v e d v a l u e s h a s b e e n r e p o r t e d ( S W 5 3 , SE 5 9 ).
I t i s s u g g e s t e d t h a t w h e r e v e r p o s s i b l e b o t h m e t h o d s b e
u s e d .
A d e c i s i o n a s t o t h e u s e o f S c h l i e r e n o r d i r e c t
p h o t o g r a p h y f o r o b s e r v i n g t h e f l a m e f r o n t d o e s n o t
a r i s e h e r e , s i n ce , b e c a u s e o f t h e c o n s t a n c y o f S~ , b o t ht e c h n i q u e s s h o u l d y i e l d t h e s a m e r e s u l t s ( L P 5 1 , P L 5 1 ) .
A l s o , s i n c e b u r n i n g v e l o c i t y e q u a t i o n s f o r t h i c k f l a m e -
f r o n t s a r e n o w a v a i l a b l e (G R 7 5 ) , i t is p o s s i b l e t o
cor r e c t f or the e f fec ts o f cur v a tur e .
A d i s a d v a n t a g e o f t h is m e t h o d i s t h a t i f w a t e r - b a s e d
The determin ation of lamina r burning veloci ty 315
s o a p s o l u t i o n s a r e u s e d , d r y m i x t u r e s c a n n o t b e t e s t e d
( S W 5 4 ) . H o w e v e r , n o n a q u e o u s s o a p s o l u t i o n s b a s e d
o n g l y s e r o l h a v e p r o v e d q u i t e s u c c e s s fu l ( S S 5 3, S E 5 9 ).
A l s o , i t h a s b e e n s u g g e s t e d t h a t d i f f u s i o n o f th e m i x t u r e
t h r o u g h t h e b u b b l e w a l l m a y b e s u f fi c ie n t ly g r e a t t o
a l t e r it s c o m p o s i t i o n ( L V 5 1 ). N o e v i d e n c e o f t h i s h a s
b e e n f o u n d w i t h e i t h e r a c e t y l e n e - a i r m i x t u r e s ( L P 5 1 )o r w i t h e t h y l e n e - o x y g e n - h e l i u m m i x t u r e s ( M L 5 3 ). I n
a n y e v e n t , t h e u s e o f t r a n s p a r e n t l a t e x r u b b e r b a l l o o n s
s h o u l d o b v i a t e t h i s d i f fi c u l t y ( P P 5 3 , S E 5 9 ).
T w o i m p o r t a n t a d v a n t a g e s o f t h i s m e t h o d a r e i t s u s e
o f o n l y s m a l l q u a n t i t i e s o f c o m b u s t i b l e m i x t u r e s a n d
t h e a b i l i t y p r o v i d e d t o v a r y b o t h i n i t i a l t e m p e r a t u r e
( w i t h i n n a r r o w l i m i t s ) a n d p r e s s u r e ( w i t h i n w i d e
l i m i ts ) . I n t e r m s o f t h e b u r n i n g v e l o c i t y ra n g e , l o w
v e l o c i t i e s l e a d t o b u o y a n c y a n d h e a t - l o s s e ff e ct s , w h i l s t
h i g h v e l o c i t i e s ( 25 m / s e c ) p r o d u c e s u r f a c e i r re g u l a r i t i e s
( Si 59 ). A t i n t e r m e d i a t e v e l o c i t i e s, t h i s m e t h o d y i e l d s
g o o d r e s u l t s ( L P 5 1 ).
6.2.4. S p h e r i c a l c o n s t a n t - v o l u m e v e s s e l m e t h o d
T h e s o - c a l l e d s p h e r i c a l b o m b m e t h o d h a s n o t b e e n
u s e d a s e x t e n s iv e l y a s m a n y o f t h e o t h e r s , a l t h o u g h i t
h a s b e e n d e s c r i b e d b y L i n n e t t a s " . . . p o t e n t i a l l y a
p o w e r f u l m e t h o d f o r d e t e r m i n i n g b u r n i n g v e l o c i t i e s"
( L i5 3 ) . I f it s f u l l p o t e n t i a l i t i e s a r e u s e d i t c a n y i e l d
c o n s i d e r a b l y m o r e i n f o r m a t i o n f r o m a s i n g l e e x p e r i -
m e n t t h a n c a n a n y o t h e r m e t h o d . A l s o , t o q u o t e L e w i s ,
" . . . t h e m e t h o d i s se l f - c o r ro b o r a t i n g , a n d s i n c e t h e
e x p e r i m e n t a l p r e c i s i o n i s v e r y h i g h , i t m u s t b e r e -
g a r d e d a s a p r e c i s i o n m e t h o d a n d , a t t h e s a m e t i m e , a
s t a n d a r d m e t h o d a g a i n s t w h i c h t h e v a l id i t y o f o t h e r
m e t h o d s c a n b e t e s t e d " (L e 54 ). I t s l i m i t e d u s e t o d a t e
h a s p e r h a p s b e e n d u e t o a l a c k o f u n d e r s t a n d i n g o f t h e
u n d e r l y i n g t h e o r y , c o u p l e d w i t h s o m e d o u b t s a b o u t
t h e p o s s i b l e e r r o r s i n t r o d u c e d d u r i n g t h e e a r l y s ta g e s
o f c o m b u s t i o n b y t h e i n f lu e n c e o f t h e s p a r k , o f f la m e
c u r v a t u r e , a n d o f fl a m e - f r o n t t h i c k n e s s , a s w e l l a s i t s
r e l a t i v e a n a l y t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l c o m p l e x i t y .
H o p e f u l l y , m o s t o f th i s u n c e r t a i n t y h a s b e e n e l i m -
i n a t e d o v e r t h e y e a r s a s t h e s e p r o b l e m s h a v e b e e n
p r o g r e s s i v e ly o v e r c o m e o r s h o w n t o b e u n i m p o r t a n t
( O R 5 9 , R P 6 2 , R T 6 3 , R a 6 3 , R G 6 5 , R G 6 5 a , R G 6 5 b ,G a 7 3 , G a 7 4 , G R 7 5 , G R 7 5 a , G R 7 6 , G R 7 8 ) .
I n t h i s m e t h o d , a p r e m i x e d c o m b u s t i b l e m i x t u r e
c o n t a i n e d i n a t h i c k - w a l l e d s p h e r i c a l v e ss e l i s i g n i t e d
a t t h e c e n t r e . P r o v i d e d t h e d i f f e re n c e s i n c o n c e n t r a t i o n
a n d d i f f u si v i t y b e t w e e n t h e v a r i o u s c o n s t i t u e n t s a r e
n o t t o o l a r g e a n d t h e s p a t i a l v e l o c i ty i s n o t t o o l o w , t h e
r e s u l ti n g c o m b u s t i o n w a v e i s g e n e ra l l y is o t r o p i c . T h e
p r o p a g a t i o n o f t h e f l a m e t o w a r d s t h e w a l l o f t h e v e s se l
i s a t t e n d e d b y a p r e s s u r e r i s e w h i c h r e s u l t s i n a
t e m p e r a t u r e i n c r e a s e o f t h e u n b u r n t g a s. W h e n t h e s e
c h a n g e s i n p r e s s u r e a n d t e m p e r a t u r e , a s w e l l a s t h e
p o s i t i o n o f t h e f l a m e f r o n t , a r e a c c u r a t e l y m e a s u r e d ,t h e m e t h o d b e c o m e s e x t r e m e l y v e r s a ti l e . T h e e f fe c ts o f
b o t h p r e s s u r e a n d t e m p e r a t u r e o n b u r n i n g v e l o c i t y
c a n t h e n b e o b t a i n e d , o v e r a f a i rl y w i d e r a n g e , f r o m a
s i n g l e e x p e r i m e n t . A l i m i t e d s e t o f e x p e r i m e n t s c a n
t h u s p r o v i d e t h r e e - d i m e n s i o n a l S t p - T sur f aces f or
m i x t u r e s o f g i v e n e q u i v a l e n c e r a t i o (~ b) ( R G 6 5 , G R 7 8 ) .
A l t e r n a t iv e l y , a n y t h r e e o f t h e se f o u r p a r a m e t e r s c a n
b e r e p r e s e n t e d o n s u c h a m a p .
A l t h o u g h H o p k i n s o n ( H o0 6 ) u se d c o m b u s t i o n i n a
c o n s t a n t - v o l u m e v e s se l f o r d e t e r m i n i n g t h e m e a n h e a t
c a p a c i t i e s o f g a s e s a t h i g h t e m p e r a t u r e s , N a g e l ( N a 0 7 ),
a n d F l a m m a n d M a c h e ( F M 1 7 ) a p p e a r t o h a v e b e e nt h e f i rs t t o d e r i v e e q u a t i o n s r e l a t i n g t h e p r e s s u r e a t a n y
i n s t a n t t o t h e v o l u m e o f g a s b u r n t ( L V 5 1 , J o 4 6 ). L a t e r ,
E l l i s a n d W h e e l e r ( E W 2 7 , E 1 2 8) , w i t h t h e i r c l a s s i c a l
p h o t o g r a p h s o f c o m b u s t i o n i n a g l as s s p h e r e, s h o w e d
t h a t , p r o v i d e d t h e s p a t i a l v e l o c i ty w a s n o t t o o l o w , th e
f l am e p r o p a g a t e s i s o t r o p i c a l l y . H o w e v e r , t h e i n i t i a l
d e v e l o p m e n t o f t h e s p h e r i c a l c o n s t a n t - v o l u m e v e s s el
t e c h n i q u e f o r d e t e r m i n i n g l a m i n a r b u r n i n g v e l o c it i es
a p p e a r s t o h a v e b e e n d u e t o L e w i s a n d v o n E l b e , a n d
F i o c k a n d h i s a ss o c i a t e s ( L V 34 , L V 6 1, F K 3 5 , F M 3 7 ,
F M 4 0 ) . U s i n g a s i m p l i f i e d f o r m o f t h e F l a m m a n d
M a c h e e q u a t i o n , L e w i s a n d v o n E l b e d e r i v e d a na p p r o x i m a t e e x p r e s s i o n f or t h e m a s s - f r a c t io n b u r n t , i n
t e r m s o f p r e s s u r e s , w h i c h i s v a l i d d u r i n g t h e e a r l y
s t a g e s o f c o m b u s t i o n w h e n t h e p r e s s u r e r i s e i s s m a l l .
T h i s e n a b l e d t h e m t o d e t e r m i n e b u r n i n g v e l o c i t i e s
d u r i n g t h is p e r i o d . A s a c h e ck o n t h e i r a s s u m p t i o n s ,
t h e y c o m p a r e d c a l c u l a t e d a n d o b s e r v e d v a l u e s o f
f l a m e - f r o n t r a d i u s a n d f o u n d v e r y g o o d a g r e e m e n t
( M V 5 3 ). A t a b o u t t h e s a m e t i m e , F i o c k e t a l . , i n s o m e
e x c e l le n t p a p e r s , r e p o r t e d o n t h e i r a n a l y t i c a l a n d
e x p e r i m e n t a l w o r k u s i n g t h i s m e t h o d ( F K 3 5 , F M 3 7 ,
F M 4 0 ) . U n f o r t u n a t e l y , b o t h t h e s e g r o u p s u s e d e i t h e r
r e s t ri c t e d o r u n s a t i s f a c t o r y fo r m s o f b u r n i n g v e l o c i ty
e q u a t i o n s .
I n 1 9 5 3 , M a n t o n e t a l . ( M V 5 3 ) u s e d a n e q u a t i o n
a t t r i b u t e d t o D e r y , in w h i c h o n l y t h e t i m e d e r i v a t iv e o f
t h e f l a m e r a d i u s w a s r e q u i r e d . R e s u l t s o n s t o i c h i o m e t -
r i c p r o p a n e - a i r s h o w e d g o o d a g r e e m e n t ( f o r m a s s -
f r a c t i o n s b u r n t o f l e ss t h a n 0 .0 1 ) w i t h e q u a t i o n s
i n v o l v i n g b o t h p r e s s u r e a n d r a d i u s. A g n e w a n d c o -
w o r k e r s ( S A 5 7 , E s 5 7 , E A 5 8 ) p r o p o s e d a n d u s e d
s e v e r a l e q u a t i o n s , w h i c h i n c l u d e d a n a l l o w a n c e f o r
t h e f i n i t e v e l o c i t y o f p r o p a g a t i o n o f p r e s s u r e
w a v e s - - n e c e s s a r y f o r v e r y h i g h v e l o c i t y f l a m e s .
U n f o r t u n a t e l y , t h e s e a r e o n l y a p p l i c a b l e t o t h e e a r l y
s t a g e s o f c o m b u s t i o n . G r u m e r e t a l . ( G C 5 9 ) p r o d u c e da m o d i f i e d fo r m o f e q u a t i o n f o r m a s s - fr a c t i o n b u r n t ,
f o r w h i c h t h e y c l a i m g r e a t e r a c c u r a c y t h a n t h a t
p r o p o s e d b y L e w i s a n d v o n E l be . O ' D o n o v a n a n d
R a l l i s d e r i v e d a n e q u a t i o n f o r m a s s - f r a c t i o n b u r n t
w h i c h i s v a l i d t h r o u g h o u t t h e c o m b u s t i o n p r o c e s s .
S u b s e q u e n t t o t h i s , R a l l i s a n d c o w o r k e r s d e r i v e d a
c o m p l e t e s e t o f e q u a t i o n s , a s w e l l a s a v a r i e t y o f
c o r r o b o r a t i v e r e la t i o n s , a n d s h o w e d t h a t a l l p r e v i o u s
e q u a t i o n s w e r e p a r t i c u l a r c a s e s o f t h i s g e n e r a l s e t
( R T 6 3 , R a 6 3 , R a 6 4 ). T h e y u s e d a p a r t i c u l a r l y s t a b l e
f o rm o f e q u a t i o n - - r e f e r r e d t o a s t h e c o m b i n e d
e q u a t i o n - - t o d e t e r m i n e t h e e ffe cts o f e q u i v a l en c er a t i o , p r e s s u r e , a n d t e m p e r a t u r e o n t h e b u r n i n g v e -
l o c i t y o f a c e t y l e n ~ a i r m i x t u r e s , a n d s h o w e d t h a t t h e
n a t u r e o f t h e p r e s su r e a n d t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e
a p p e a r e d t o b e m o r e c o m p l e x t h a n h a d h i t h e rt o b e e n
The determination of lamina r burning veloci ty 317
l a t i o n s h i p f o r t h e b u r n i n g v e l o c i t y o f a s p h e r i c a l g a s -
p o c k e t w i t h i n w a r d f l a m e p r o p a g a t i o n , i n t e r m s o f th e
p l a n e - f l a m e v a l u e a n d t h e f l a m e - f r o n t t h ic k n e s s , a n d
s h o w e d t h a t f l a m e - c u r v a t u r e e ff ec ts a r e s i g n i f i c a n t fo r
r j - < 3 m m . A n d r e w s a n d B r a d l e y ( A B 7 2 a ) d i d a n
a p p r o x i m a t e a n a l y s i s o f c o n s t a n t - p r e s s u r e s p h e r i c a l -
f l am e p r o p a g a t i o n w i t h c e n t r a l i g n i t i o n , i n c l u d i n g t h em a s s o f g a s c o n t a i n e d i n t h e f l a m e fr o n t , a n d s h o w e d
t h a t a t a f l am e r a d i u s o f 2 5 m m w i t h p = 1 a t m o s -
p h e r e , T~ = 30 0 K a n d a f l a m e - f r o n t t h i c k n e s s o f
1 .1 m m , t h e t h i n - f l a m e e q u a t i o n s w e r e p r o b a b l y i n
e r r o r b y a s m u c h a s 2 2~ o. G a r f o r t h a n d R a l l i s d e r i v e d a
m o r e r i g o r o u s s e t o f " t h i c k f l a m e " e q u a t i o n s ( G R 7 5 ) ,
w i t h t h e a i d o f w h ic h t h e y s h o w e d t h a t t h e c o r r e c t i o n s
f o r m e t h a n e - a i r m i x t u r e s a r e n o t a s l a r g e a s s u g g e s te d
b y A n d r e w s a n d B r a d l e y ( G R 7 8) . I n a n y e v e n t, i t i s
d u r i n g t h e e a r l y s ta g e s o f c o m b u s t i o n , w h e n t h e
p r e s s u r e i s e s s e n t i a l l y c o n s t a n t , t h a t t h e r e s u l t s a r e
m o s t u n c e r t a in . Y e t t h i s is t h e r e g i o n m o s t f a v o r e d b yp r e v i o u s i n v e s t i g a t o r s f o r d e t e r m i n i n g b u r n i n g v e l o -
c it ie s . A l t h o u g h t h e r e s u l ts r e p o r t e d o n s t o i c h i o m e t r i c
m e t h a n e - a i r m i x t u r e s ( G R 7 8 ) m u s t b e r e g a r d e d a s
t e n t a t i v e ( i n t h a t t h e c o r r e c t i o n s f o r f la m e - f r o n t t h i c k -
n e s s a r e b a s e d o n a n e q u a t i o n d e r i v e d f ro m r e s u l t s o n
l o w - p r e s s u r e b u r n e r f l a m e s (D W 5 1 ) ) , i t is c o n f i d e n t l y
e x p e c t e d t h a t t h e se v a l u e s o f b u r n i n g v e l o c i t y a r e n o t
l i k e ly t o b e m o r e t h a n 5 ~ l o w i n t h e r a n g e
1.1 < (P/Po) < 6 .0 , n o r m o r e t h a n 9 ~ i n e r r o r o u t s i d e
t h i s ra n g e ( G a 7 5 , G a 7 7 ) .
6.2.4.5. Average burnt - gas dens i ty . L e w i s a n d v o nE l b e r e c o g n i z e d t h a t d u e t o r e c o m p r e s s i o n a n d g a s
m o v e m e n t t h e r e w o u l d e x i s t a t e m p e r a t u r e , a n d h e n c e
d e n s i t y , d i s t r i b u t i o n i n t h e b u r n t g a s ( L V6 1 ). U s i n g a n
a p p r o x i m a t e e x p r e s s i o n f o r t h e m a s s - f r a c t i o n b u r n t
( b u t i g n o r i n g g a s m o v e m e n t ) t h e y c a l c u l a t e d th i s
d i s t ri b u t i o n f o r h y d r o g e n o x y g e n a n d o z o n e - o x y g e n
c o m b u s t i o n i n a s p h e r i c a l v e s s e l . R a l l i s et al . ( R a 5 9 ,
T r 6 2 , R a 6 3 ) p r o v i d e d a s i m p l e e x p r e s s i o n fo r c a l c u l a t -
i n g t h e a v e r a g e b u r n t - g a s d e n s i ty , a s s u m i n g t h e d i s t r i-
b u t i o n o f d e n s i t y w i t h r a d i u s w a s k n o w n , b u t , b e c a u s e
o f t h e l a c k o f a n a c c u r a t e m e t h o d o f a n a l y z i n g t h e
l a t te r , d i d n o t a p p l y i t . T h e y i n s t e a d a s s e s se d t h e e r r o r
i n b u r n i n g v e l o c i t y d u e t o t h e u s e o f P z i n p l a c e o f/ ~b -
T h e d e v e l o p m e n t b y G a r f o r t h o f a c o m p u t e r p r o -
g r a m m e f o r d e t e r m i n i n g a d i a b a t i c e q u i l i b r i u m f l a m e
t e m p e r a t u r e s w a s t h e f i r s t s t e p i n r e s o l v i n g t h i s
p r o b l e m ( G a 73 ) . T h i s w a s f o l l o w e d b y a n a n a l y s i s o f
t h e g a s m o v e m e n t d u r i n g f l a m e p r o p a g a t i o n , w h i c h
t h u s p e r m i t t e d d e t e r m i n a t i o n o f t h e d i s t r i b u t i o n o f g a s
p r o p e r t i e s b e h i n d t h e f l a m e fr o n t ( G R 7 5 a ). F o r t u i t o u s
v a l i d a t i o n o f th i s a n a l y s i s w a s p r o v i d e d b y s o m e
p a r t i c l e t r a c k s a c c i d e n t a l l y o b t a i n e d d u r i n g c e r t a in
t e s t s ( G R 7 5 a , G a 7 5 ) . T h e n e t e f f ec t o f t h e c o r r e c t i o n f o r
b o t h t h e t e m p e r a t u re d i s t ri b u t i o n a n d g a s m o v e m e n t
o n t h e v a l u e s f o r b u r n i n g v e l o c i t y i s o f th e o r d e r o f 1 2 ~o( G R 7 8 ) .
6.2.4.6. Chem ical equi l ibr ium . T h e r e i s s o m e e v i -
d e n c e t o s u g g e s t t h a t c h e m i c a l e q u i l i b r i u m i s n o t
c o m p l e t e l y a c h i e v e d i n t h e f l a m e f r o n t ( R T 6 3 , R a 6 3 ) .
F i r s t ly , th e r e i s a l w a y s a n a f t e rg l o w o r r e i l l u m i n a t i o n
o f th e b u r n t g a s , w h i c h s t a r t s f r o m t h e c e n t r e o f t h e
v e s s e l b e f o r e t h e f l a m e f r o n t r e a c h e s t h e w a l l , a n d
r a p i d l y s p r e a d s o u t w a r d s t o r e a c h t h e f l a m e fr o n t a t
a b o u t t h e s a m e t i m e t h a t t h e l a t t e r r e a c h e s t h e w a l l
( F i g . 1 4 ) . T h i s s t r o n g l u m i n e s c e n c e p e r s i s t s f o r s o m e
c o n s i d e r a b l e t i m e a f t e r th e e n d o f th e p r o c e s s , g r a d u -a l l y c o l l a p s i n g t o w a r d s t h e c e n t r e a s t h e s y s t e m c o o l s
d o w n ( R a 6 3 , R G 6 5 , G a 7 5 ) . T h e r e a s o n f o r t h i s r e -
i l l u m i n a t i o n h a s n e v e r b e e n e x p l a i n e d t o o u r s a t is f a c-
t i o n , a l t h o u g h L e w i s a n d v o n E l b e c o n s i d e r th a t i t m a y
b e d u e t o t e m p e r a t u r e g r a d i e n t s t h a t e x i st in t h e b u r n t
g a s w i th c o n s t a n t - v o l u m e c o m b u s t i o n , s i n ce th e s a m e
e ff e ct i s n o t o b s e r v e d i n c o n s t a n t - p r e s s u r e o r o p e n
v e s s el e x p e r i m e n t s ( LV 6 1) . S e c o n d l y , i n a l l o u r e x p e r i -
m e n t s t o d a t e , w e h a v e o b s e r v e d t h a t t h e m a x i m u m
p r e s s u r e a l w a y s o c c u r s a s h o r t t i m e a f t e r t h e f l a m e h a s
r e a c h e d t h e w a l l o f t h e v e s s e l ( R a 6 3 , G a 7 5 ) . W h e n
i n c o r p o r a t e d i n t o t h e e x p r e s s i o n f o r ~ e = P J P o , t h ed e n s i t y r a t i o a t t h e e n d o f t h e p r o c e s s , t h i s l e a d s t o
v a l u e s w h i c h a r e a l w a y s l e s s t h a n t h e v a l u e u n i t y ,
w h i c h i s t h e o r e t i c a l l y r e q u i r e d ( R T 6 3 , G a 7 5 ) .
F u r t h e r m o r e , t h e v a l u e o f ~ a p p e a r s t o c o r r e l a te i n t h e
c o r r e c t m a n n e r w i t h s p a t i a l v e lo c i t y a n d e q u i v a l e n c e
r a t i o f o r a c e t y l e n e - a i r m i x t u r e s ( R T 6 3) . T h e c u r r e n t
a n t i c ip a t e d e rr o r o f s o m e 5 ~ i n o u r m e t h a n e - a i r
r e s u l t s i s p r o b a b l y m a i n l y d u e t o t h i s e f f e c t ( G R 7 8 ) .
T h e q u e s t i o n o f c h e m i c a l e q u i l i b r i u m w i l l h a v e t o
r e m a i n u n r e s o l v e d u n t i l a n a d e q u a t e m e a n s o f m e a s u r -
i n g t r a n s i e n t b u r n t - g a s t e m p e r a t u r e i s d e v i s e d .
P o s s i b l y t h e u s e o f a f a s t - re s p o n s e i n f r a r e d - r a d i a t i o np y r o m e t e r s u c h a s t h a t r e p o r t e d b y P e n z i a s et al .
( P D 6 6 ) a n d S h i m u z u ( S h 7 3 ), o r a f a s t - r e s p o n s e s o d i u m
D - l i n e r e v e rs a l m e t h o d m i g h t p r o v e s u cc e ss fu l .
6.2.4.7. D issoc ia t ion or pre f lam e reac t ions in the
unburnt gas reg ions d o n o t a p p e a r t o b e s i g n i fi c a n t a t
t h e u n b u r n t g a s t e m p e r a t u r e s , a n d f o r t h e r a n g e o f
s p a t i a l v e lo c i ti e s f o r w h ic h t h e b o m b m e t h o d h a s b e e n
u s e d t o d a t e . T h e u s e o f a n e x t e r n a l h e a t e r t o r a i s e t h e
i n i ti a l u n b u r n t g a s t e m p e r a t u r e o f t h e m i x t u r e , t h e r e b y
i n c r e a si n g t h e r a n g e o f b u r n i n g v e l o c i ty v a l u e s - - a s
s u g g e s t e d b y R a l li s ( R a 6 3) a n d u s e d b y B a b k i n a n d
K a z a c h e n k o ( B K 6 6 ) - - c o u l d i n t r o d u c e p r o b l e m s i n
t h i s r e g a r d .
6.2.4.8. C o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t y . T h a t t h e c o m -
p u t a t i o n a l t e d i u m a s s o c i a t e d w i t h t h e c o r r e c t u s e o f
t h e c o n s t a n t - v o l u m e b o m b i s la r g e c a n n o t b e g a i n s a i d .
H o w e v e r , t h e u s e o f c e r t a i n s i m p l i f i c a t i o n s a r i s i n g o u t
o f t h e c o r r o b o r a t i v e n a t u r e o f t h e m e t h o d c a n m a t e r i -
a l l y r e d u c e t h i s c o m p u t a t i o n a l e f f o r t w i t h o u t s i g n i f i -
c a n t l y a f f e c t i n g i t s a c c u r a c y ( R a 6 3 , G a 7 5 , G R 7 8 ) . A s
w i l l b e s h o w n i n t h e n e x t s e c t i o n , b e c a u s e o f t h e n a t u r e
o f t h e s y s te m , a n u m b e r o f c o r r o b o r a t i v e e q u a t i o n s c a n
b e d e r i v e d - - u s u a l l y i n t e r m s o f t h e p r o p e r t i e s o f t h eu n b u r n t a n d b u r n t ( o r b u r n t a n d b u r n i n g ) ga s , r e s p e c-
t i v e ly . S t r i c t l y , s u c h a l t e r n a t i v e f o r m s s h o u l d y i e l d t h e
s a m e r e s u l t s w h e n a p p l i e d t o a n y g i v e n s e t o f e x p e r i -
m e n t a l d a t a . H o w e v e r , b e c a u s e o f t h e d i f f e r i n g s e n -
s i ti v i ti e s o f th e e q u a t i o n s t o s y s t e m a t i c a n d o t h e r
( b ) P r e s s u r e o nd i n t e r f e r o m e t e r t r o c e s
FIG. 14 . Typica l te s t records in a spher ica l cons tan t vo lume vesse l . (a ) F lame t race . (b ) Pressure andin te rfe romete r t races.
e r r o r s i n h e r e n t i n t h e o b s e r v a t i o n s , t h e y c a n l e a d t o
s l i g h tl y d i ff e r e n t r e s u l ts o v e r t h e r a n g e o f t h e c o m b u s -
t i o n p r o c e s s . T h i s i s u s e d t o a d v a n t a g e , b o t h f o r
p r o v i d i n g i n d i c a t i o n s o f th e p r o b a b l e s o u r c e a n d
e x t e n t o f s u c h e r r o r s , a n d f o r s i m p l i f y in g t h e a n a l y s i s
( R a 6 3 , G a 7 5 , G R 7 8 ) .
C o n s i d e r t h e b u r n t - g a s d e n s i t y r a t i o
= # b / P o . (17)
S i n c e t h e a v e r a g e d e n s i t y o f th e e n t i r e s y s t e m r e m a i n s
c o n s t a n t t h r o u g h o u t t h e p r o c e s s, a n d in p a r t i c u l a r a t
t h e e n d o f t h e p r o c e s s ~ e = P o , t h i s c a n a l s o b e
e x p r e s s e d a s
= f d f e ( 1 8 )
w h i c h m u s t e v i d e n t l y y i e l d t h e c o r r e c t e n d v a l u e c ~= 1. C o m p a r i s o n o f t h e v a l u e s o f ~ f r o m t h e s e t w o
e q u a t i o n s t h u s g i v e s a n i n d i c a t i o n o f t h e m a g n i t u d e o f
a n y e r r o r s m a d e i n c a l c u l a t i n g fib -
F i g u r e 1 5 s h o w s t h e v a r i a t i o n s o f ~ w i t h p r e s s u r e
r a t i o ( P / P o ) , a s d e t e r m i n e d f r o m e q s ( 1 7) a n d ( 18 ),
c a l c u l a t e d f o r a s to i c h i o m e t r i c m e t h a n e - a i r t e s t w i t h
P o = 0 . 1 0 1 3 M P a , (1 a t m o s p h e r e) , i n c l u d in g b o t h
d e n s i t y - d i s t r i b u t i o n a n d g a s - m o v e m e n t e ff ec ts . T h e s e
t w o c u r v e s c a n b e c o n s i d e r e d a s t h e u p p e r a n d l o w e r
e r r o r - b o u n d s i n th e d e t e r m i n a t i o n o f t h is i m p o r t a n t
v a r i a b l e . F o r t h i s t e s t , t h i s e r r o r i s e s s e n t i a l l y c o n s t a n t
a t 4 . 0 ~ o t h r o u g h o u t t h e p r e s s u r e r a n g e . A s t r a i g h t - l i n e
f i t b e t w e e n s o f ro m e q . (1 7 ) a n d ~t = 1 a t p = P e r e s u l t s
i n t h e s am e v a l u e fo r th e m a x i m u m a p p a r e n t e r r o r
b a s e d o n ~ f r o m e q . ( 17 ). T h e i m p o r t a n c e o f t h is l ie s i n
t h e f a c t t h a t , p r o v i d e d c to s k n o w n o r c a n b e c a l c u la t e d ,
s u b s e q u e n t v a l u e s o f ~ c a n b e o b t a i n e d f r o m t h e
e q u a t i o n
= s o -k (1 - - c t o ) [ ( p / p o ) - 1 ] / [ ( p e / p o ) - - 13 .
( 19 )
I t t h e r e f o r e b e c o m e s u n n e c e s s a r y f o r p r o s p e c t i v e u s e rs
o f t h i s m e t h o d t o e n t e r i n t o t h e c o m p l e x i t y o f c a l c u l a t -
i n g t h e f la m e - f r o n t a d i a b a t i c t e m p e r a t u r e s , b u r n t - g a s
d e n s it y d i s tr i b u ti o n , o r b u r n t - g a s m o v e m e n t d u r i n g
t h e p r o c e s s . E q u a t i o n ( 19 ) w i ll y i e l d ~ v a l u e s w e l l
Th e d e t e rmin a t i o n o f l am in ar b u rn in g v e lo c it y 3 19
1.0 F I ! / I
! , 4 . / / / !. 9
: a ' l B ' = P b / P e l ~ / / ~ ( 1 7 > ~ 5 b / 0 o I
t I A,,,o a , v s / = ~ A r ~ . p ,
: P e P o ~
, ~ r i F IG 1 5 VARIATIO NS O F g ERSUS
I 2 3 4 5 6 7 8P / P o
FIG. 15 . Var iat ions fo r a versus p ressure rat io p /p o fo rs t o ich io met r ic meth an e-a i r .
w i t h i n t h e e x p e r i m e n t a l a c c u r a c y o f t h e m e t h o d .
H o w e v e r , a c c u r a t e v a l u e s o f ~o a n d p a r e r e q u i r e d .
A s c u r r e n t l y u s e d ( G R 7 6 , G R 7 8 ) , t h e c o n s t a n t -
v o l u m e m e t h o d h aq t h e f o ll o w i n g i m p o r t a n t
a d v a n t a g e s :
(1 ) O n l y s m a l l q u a n t i t i e s o f c o m b u s t i b l e m i x t u r e a r e
r e q u i r e d .
(2 ) T h e m i x t u r e c o m p o s i t i o n a n d i n i t i a l t e m p e r a t u r e
a n d p r e s s u r e c a n b e a c c u r a t e l y c o n t r o l l e d .
( 3) O n l y a f e w e x p e r i m e n t s a t d i f f e r e n t i n i t i a l p r e s -
s u r e s , o r t e m p e r a t u r e s , a r e r e q u i r e d i n o r d e r t o
e s t a b l i s h t h e s e p a r a t e e f fe cts o f t h e s e p a r a m e t e r s
o n t h e l a m i n a r b u r n i n g v e l o c it y o f a p a r t i c u l a r
m i x t u r e .
(4 ) T r u e f r e e - s p a c e a d i a b a t i c b u r n i n g v e lo c i ti e s c a n b e
d e t e r m i n e d . T h a t i s , t h e r e a r e n o s u r f a c e i n t e r a c -
t i o n e f f ec t s a n d t h e h e a t l o s s i s n e g l i g i b l e .
(5 ) S i n c e i t h a s b e e n e x p e r i m e n t a l l y c o n f i r m e d t h a t
t h e v a r i a t i o n in m e a n d e n s i ty r a t io ~ t h r o u g h o u t
t h e p r o c e s s - - a l l o w i n g b o t h f o r t e m p e r a t u r e a n d
d e n s i t y d i s t r i b u t i o n i n th e b u r n t g a s , a n d g a s
m o v e m e n t - - i s e s s e n ti a ll y a l i n e a r f u n c t io n o f
i n s t a n t a n e o u s p r e s s u r e r a t io , t h e t e d i u m i n c a r ry -
i n g o u t t h e c o m p l e x c a l c u l a t i o n s r e q u i r e d i s d r a s t i -
c a l l y r e d u c e d .
( 6) T h e m e t h o d i s s e l f - c o r r o b o r a t i v e , i n t h a t a t l e a s t
t w o e q u a t i o n s o r m e t h o d s o f c a l c u l a ti n g th e
r e q u i r e d v a r i a b l e s a r e a v a i la b l e . T h i s p e r m i t s
c h e ck s o n a c c u r a c y - - n o t p o s s i b le w i th m o s t o t h e r
m e t h o d s . A l s o , b y p r o v i d i n g a " c a r p e t " o f d a ta ,r e p r e s e n t e d b y t h e t e s t c u r v e s a t d i f f e r e n t i n i t i a l
p r e s s u r e s w i t h s u p e r i m p o s e d i s o b a r s a n d i s o -
t h e r m s , t r e n d s b e c o m e a p p a r e n t w h i c h a s s i s t c o n -
s i d e r a b l y i n p r o p e r e v a l u a t i o n o f th e r e s u l t s
( G R 7 8 ) .
I t s d i s a d v a n t a g e s a r e :
(1 ) T h e a p p a r a t u s r e q u i r e d i s r e l a t iv e l y c o m p l e x a n d
e x p e n s i v e a n d t h e t i m e r e q u i r e d t o d o a t e s t is q u i te
l o n g - - o f t h e o r d e r o f l h r f o r te s t s in w h i c h t h e
i n i t i a l p r e s s u r e i s n o t a t m o s p h e r i c .
(2 ) T r a n s c r i p t i o n o f t h e o b s e r v a t i o n s c a n b e t e d i o u su n l e s s r e la t i v e ly s o p h i s ti c a t e d a p p a r a t u s i s
a v a i l a b l e .
7 . BURNING VELOCITY EQUATIONS--SPHERICALCONSTANT-VOLUME VESSEL METH OD
U n f o r t u n a t e l y , t h e m a j o r i t y o f u s e r s o f t h is m e t h o d
h a v e e m p l o y e d r e s t r i c te d f o r m s o f e q u a t i o n s w h i c h a r e
o n l y a p p l i c a b l e t o t h e e a r l y s t a g e s o f th e p r o c e s s , w h e n
t h e p r e s s u r e r i s e is s m a l l . T h i s h a s s e r i o u s l y r e s t r i c t e d
i ts v a l u e , v i r t u a l l y r e l e g a t i n g i t to t h e s t a t u s o f a
c o n s t a n t - p r e s s u r e t e c h n i q u e , a l b e i t w i t h s e v e r a l a d -
v a n t a g e s o v e r t he s o a p - b u b b l e m e t h o d .S i n c e w e b e l i e v e t h is m e t h o d t o b e t h e m o s t p r e c is e
a v a i l a b l e t o d a te , a s u m m a r y o f t h e p e r t i n e n t e q u a t i o n s
w o u l d s e e m t o b e a p p r o p r i a t e . T h e s e w i l l b e p r e s e n t e d
u n d e r t w o h e a d i n g s : ( 1) t h i n - f l a m e e q u a t i o n s i n w h i c h
t h e f l a m e f r o n t i s c o n s i d e r e d a s a s u r f a c e o f d i s -
c o n t i n u i t y a n d h e n c e i n f i n it e l y t h i n , a n d ( 2) t h i c k - fl a m e
e q u a t i o n s f o r fl a m e f r o n t s h a v i n g a f i n it e t h i c k n e s s z .
7 .1 . T h i n - F l a m e E q u a t i o n s ( R a 6 3 , R a 6 4 )
7.1.1. B a s i c r e l a t i o n s
F o r m a s s c o n s e r v a t i o n
m o = m u + m b . (20)
H e n c e , f o r m a s s c o n t i n u i t y a c ro s s t h e f l a m e f r o n t ,
S , = - - ( 1 / A i p u ) ( d m J d t ) = ( 1 / A ip u ) ( dm b / d t ) . (7 )
D e f i n i n g th e m a s s - f r a c t i o n b u r n t a s n = ( m b / m o ) y i e l d s
( d n / d t ) = ( 1 / m o )( d m b / d t) = - ( 1 / m o ) ( d m J d t ) .
H e n c e
S t = ( m o / A f p u )( d n / d t ) . (21)
F o r i s o tr o p i c f la m e p r o p a g a t i o n i n a c o n s t a n tv o l u m e s p h e r i c a l v e s s e l:
m o = ( 4 /3 ) T z R a p o (22)
m , = ( 4 / 3 ) n ( R 3 - r 3 ) f iu (23)
m b = (4 /3)nr~f ib (24)
A f = 4grg (25)
w h e r e
f t , = [3 / ( R 3 - - r~)3 p 'u r 2 d r (26)b
p ' b e i n g s o m e f u n c t i o n o f r a n d r b < r < R , a n d
f := (3 / r~) p'br 2 d r (2 7 )
p ; b e in g so m e fu n c t i o n o f r an d 0 _< r _< r b .
Th e d e t e rmin a t i o n o f l amin ar b u rn in g v e lo c it y 3 21
= ( 4 /3 ) n R 3 p o 7 3 g ( 1 - F 3) (46)
Au = 4 n R 2 r 2 (4 7 )
w h e r e
F = (1 - z) a nd g = P y / P o . (48)
S u b s t i t u t i n g t h e a p p r o p r i a t e t e r m s i n e q . (4 1 ) y i e ld s
S , = ( R / 3 F 2 f l t e X d n / d ~ . (49)
7.2.2. M a s s - f r a c t i o n b u r n t a n d b u r n i n g
I n t e r m s o f t h e p r o p e r t i e s o f th e u n b u r n t g a s
n , = 1 - ( m d m o ) = 1 - / ~ + p ~3 (5 0 )
w h i l s t i n t e r m s o f t h e p r o p e r t i e s o f t h e b u r n t a n d
b u r n i n g g a s es
n b = ( m J m o ) + ( m y / m o )
= r a [ ~ F 3 + g(1 - - F3) ] (51)
o r e q u a t i n g t h e s e to y i e l d a c o m b i n e d f o r m y i e ld s
n, = (~ - 1)G/(fl - G) (52)
w h e r e
G = a F 3 q- g (1 - - F3) . (53)
7.2.3. L a m i n a r b u r n i n g v e l o c i ty e q u a t i o n s
D i f f e r e n t i a t in g e a c h o f t h e e x p r e s s i o n s f o r m a s s -
f r a c t i o n b u r n t a n d s u b s t i t u t i n g in t o e q . (4 9) in t u r n
y i e ld s t h r e e f o r m s o f t h ic k - f l a m e b u r n i n g v e l o c i ty
e q u a t i o n : i. e. t h e u n b u r n t g a s e q u a t i o n - -
S ~ = ( R / t e X f l / f l ) [ ( d f / d / )
- {(1 - F 3 ) / 3 k a ~ ( d f l / d ? ) ] (54)
th e b u r n t g a s e q u a t i o n - -
S ~ = ( R / t e ) ( 1 / f l ) [ G ( d f / d i )
+ ( f F 3 / 3 ) ( d ~ / d / )
+ {~(1 - F 3 ) / 3 } ( d g / d f )
- f ( ~ - 0 f 2 ( d f / d / ) ] ( 55 )
a n d o n e f o r m o f c o m b i n e d e q u a t i o n
S t = [ { ? ( g / t e ) ( f l / f l ) } / 3 ( f l - G )]
x [ F 3 ( d S / d f ) + {G(1 - - G ) / f l ( f l - 1)}(d j~/d~
+ (1 - F 3X dg/d /) - 3(c~ - e-)F2(d?/d/')]. (56)
H e r e a g a i n , e x c e p t f o r v e r y h i g h - v e l o c i t y fl a m e s i t is
p e r m i s s i b l e t o s e t [1 = f l . -- - P, , /Po .
A l l t h e f o r e g o i n g e q u a t i o n s r e d u c e t o t h e i r c o r -
r e s p o n d i n g t h i n - fl a m e c o u n t e r p a r t s w h e n
f = 0 = (d r / d r ) = (d e /d / )
a n d h e n c e ,
F = 1 a n d G = 5 .
7.2.4. C o r r e c t i o n s f o r f l a r n e - f r o n t t h i c k n e s s ( G R 7 5 )
I t i s g e n e r a l l y c o n v e n i e n t t o c a l c u l a t e b u r n i n g
v e l oc i ti e s u s i n g t h e t h i n - f l a m e e q u a t i o n s a n d t h e n
a p p l y a c o r r e c t i o n f o r t h e e f fe c ts o f f la m e t h i c k n e s s .
I f t h i s c o r r e c t i o n i s w r i t t e n i n t h e f o r m
K c = S , - S ' , (57)
w h e r e S ' i s th e t h i n - f l a m e b u r n i n g v e l o c it y , th e f o r e go -
i n g a n a l y s i s y i e l d s
K c = B ( d r f / d t ) + C ( d £ ( d t )
+ D ( d g / d t ) + E ( d z / d t ) (58)
w h e r e
B = ( 1 / f l ) ( g - ~)(1 - F 2 ) = E(1 - F 2 ) / F 2
C = - ( 1 / f l ) ( r y / 3 ) ( 1 - - F 3 ) = _ D. (59)
A s i m i l a r, b u t u n f o r t u n a t e l y i n a c c u r a t e , e q u a t i o n
h a s b e e n d e r i v e d b y A n d r e w s a n d B r a d l e y ( A B 72 ).
T h e p a r t i c u l a r f o r m o f th e t h i n - f l a m e c o m b i n e d
e q u a t i o n , g i v e n b y e q . (3 3), h a s a d v a n t a g e s f r o m a d a t a
h a n d l i n g p o i n t o f v i ew , a n d i s g e n e r a l l y u s e d t o p r o v i d e
v a l u e s o f S', w h i c h a r e t h e n c o r r e c t e d b y t h e u s e o f e q.
(58).
T h e v a l u e s o f fl a m e - f r o n t t h i c k n e s s , z, a n d a v e r a g e
f l a m e - f r o n t d e n s i t y , g, u s e d t o c o r r e c t t h e r e s u l t s o f t h e
s t o i c h i o m e t r i c m e t h a n e - a i r t e s ts ( d is c u s s ed i n S e c t i o n
8 ) w e r e d e t e r m i n e d a s f o l l o w s :
( 1) A s s u m i n g t h a t z o c 1 / p . S ~ w a s a n a c c u r a t e e n o u g h
r e p r e s e n t a t i o n o f t h e v a r i a t i o n o f f la m e t h i c k n e s s
f or m e t h a n e - a i r , a n a p p r o x i m a t e r e l a t io n s h i p fo r
S t i n t e r m s o f p a n d T~ w a s d e t e r m i n e d f r o m t h e
t h i n - f l a m e r e su l ts , w h i c h o n s u b s t i t u t i o n i n t o t h ea b o v e y i e l d e d
z = 1.848 x 10 7 ( T o / P ° o ' Z t S ) { p - 1 . 0 4 ) (57)
t h e c o n s t a n t b e i n g c h o s e n t o y i e ld z = 1.1 m m a t
To = 3 0 0 K a n d p = P o = 1 a t m o s p h e r e t o c o r -
r e s o n d t o J a n i s c h ' s r e s u l t s ( J a 7 1 ) .
( 2 ) T h e m e a n g a s d e n s i t y r a t i o s , g = P y / P o i n t h e
s p h e r i c a l s h el ls o f b u r n i n g g a s, w e r e t h e n o b t a i n e d
u s i n g t h e t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n p r o f il e s o f
D i x o n - L e w i s a n d W i l s o n ( D W 5 1 ) b y a s s u m i n g
t h a t t h e s e d o n o t v a r y s i g n i f i c a n t l y f o r s p h e r i c a l
f la m e s u n d e r t h e s a m e u n b u r n t - g a s c o n d i t i o n s ,a n d r e m a i n s i m i l a r f o r a ll f la m e s o f t he s a m e
c o m b u s t i b l e m i x t u r e ( G R 7 5 ).
S t r i c tl y , t h is p r o c e s s o f St c o r r e c t i o n f o r f l a m e -
f r o n t t h i c k n e s s e f f e c t s s h o u l d b e a n i t e r a t i v e o n e .
H o w e v e r , w i t h t h e p r e s e n t u n c e r t a i n t y i n z v a l u e s,
t h is d o e s n o t p r o v i d e r e l i a b l e i m p r o v e m e n t o v e r
t h e c u r r e n t l y r e p o r t e d d a t a .
7.2.5. C o r r o b o r a t i v e r e l a ti o n s
A s w i t h t h e t h i n - f l a m e e q u a t i o n s , c o r r o b o r a t i v e
r e l a t i o n s a r e p r o v i d e d b y t h e v a r i o u s f o r m s o f m a s s -f r a c t i o n b u r n t e q s ( 5 0 ) , ( 5 1 ) , ( 5 2 ) , a n d t h e b u r n i n g -
v e lo c i t y eq u a t i o n s (5 4 ) , ( 5 5 ) , ( 5 6 ) . Th e d en s i t y r a t i o , ~ ,
a n d m a x i m u m p r e s s u re , P c, c a n b e c h e c k e d u s i n g e q s
( 3 4 ) a n d ( 3 5 ) r e s p e c t i v e l y . S i m i l a r e q u a t i o n s t o t h o s e
g i v e n b y e q s ( 3 6 ) a n d ( 3 7 ) c a n a l s o b e d e r i v e d .
The determin ation of lamina r burning veloci ty 323
~n
%
ll~7
TN tS SrUOV
. . . . . . . . U N C O a R I C t l O
a 2
p ( M P a )
FIG. 17. Burnin g velocity pressure depend ence for stoichio-metr ic methane-air .
O 6
SO.4
FIG.
0~ 3T u ( K )
18. Burning-velocity tem pera ture dependen ce forstoichiometric methane-air .
A n d r e w s a n d B r a d l e y h a v e , fa i r l y r e c e n t l y , p r e -
s e n t e d c o m p r e h e n s i v e a n d u s e f u l t a b u l a t i o n s o n
m e t h a n e - a i r m i x t u r e s ( A B 7 2 , A B 7 2 a ) . I t i s t h u s u n -
n e c e s s a r y t o r e p e a t a l l th e s e d a t a h e r e . S u ff ic e i t t o s a y
t h a t t h e v a l u e s o f m a x i m u m b u r n i n g v e l o c it i e s r e p -
o r t e d o v e r t h e y e a r s r a n g e f r o m a s l o w a s 0 .3 2 m / s e c t o
a s h i g h a s 0 .5 0 m / s e c w i t h a v a l u e , r e c o m m e n d e d b y
A n d r e w s a n d B r a d l e y (A B 7 2) , o f 0 .4 5 _ 0 . 02 m / s e c a t 1
a t m o s p h e r e a n d 2 98 K . W e b e l i e v e t h i s t o b e t o o h i g h
b y a b o u t 0 . 0 8 m / s e e , f o r r e a s o n s t o b e d i s c u s s e d i n
w h a t f o l l o w s .
8.1. E q u i v a l e n c e R a t i o
F i g u r e 1 6 g i v es s o m e i d e a o f t h e d i s c r e p a n c i e s w h i c h
s t il l e x i st b e t w e e n t h e m o r e r e l ia b l e d a t a r e p o r t e d .
A l t h o u g h t h e r e i s g o o d c o r r e s p o n d e n c e b e t w e e n t h e
v a l u e s o f A n d r e w s a n d B r a d l e y ( A B 7 2 , A B 7 3 ) , R e e d e t
al . ( R M 7 1 ) a n d G u n t h e r a n d J a n i s h ( G J 72 ), t h e r e a r e
q u i t e l a r g e d i f f e re n c e s b e t w e e n t h e s e r e s u l t s a n d t h o s e
o f B a b k i n a n d c o w o r k e r s o b t a i n e d a t d i ff e re n t t i m e s
( B K 6 4 , B K 6 6) . H o w e v e r , r e c o g n i z i n g t h a t B a b k i n ' s
r e s u l t s w e r e d e t e r m i n e d f r o m o b s e r v a t i o n s t a k e n
d u r i n g t h e e a r l y st a g e s o f c o m b u s t i o n i n a s p h e r i c a l
v e s s el , t h a t n o c o r r e c t i o n s f o r fl a m e - f r o n t t h i c k n e s s
w e r e a p p l i e d , a n d t h a t s i m p l i f i e d e q u a t i o n s w e r e u s e d ,
w e c o n c e d e t h a t t h e i r r e s u l ts a r e l i k e l y t o b e l o w b u tn o t t o t h e e x t e n t s u g g e s te d b y A n d r e w s a n d B r a d l e y .
O f c o n s i d e r a b l e i n t e r e s t a r e t h e c o m p u t e r p r e d i c -
t i o n s p u b l i s h e d b y S m o o t et a l . ( S H 7 6 ) a n d m o r e
r e c e n t l y b y T s a t s a r o n i s ( Ts 78 ). T h e l a t t e r a r e b a s e d o n
a m e t h a n e - o x y g e n r e a c t i o n m e c h a n i s m c o n s i s t in g o f
2 9 e l e m e n t a r y r e a c t i o n s . E v e n t h o u g h T s a t s a r o n i s
a d m i t s s e l ec t in g o r a d j u s t i n g t h e c h e m i c a l k i n e ti c d a t a
t o i m p r o v e t h e a g r e e m e n t b e t w e e n c a l c u l a t e d a n d
m e a s u r e d v a l u e s , h i s p r e d i c t i o n , s h o w n o n F i g . 1 6 , i s
a b o u t 8 ~ b e l o w t h o se o f A n d r ew s a n d B r a d l e y (A B 7 2,
A B 7 3) a n d a b o u t 3 ~ h i g h er t h an t h a t r e c o m m e n d e d
b y G a r f o r t h a n d R a l l is (G R 7 8 ) , a l l a t a n e q u i v a l e n c er a t i o o f 1 .0 . T h i s p o i n t w i l l b e t a k e n u p a g a i n e l s e w h e r e
i n t h i s s ec t io n . T h e g r a d u a l c o n v e r g e n c e o f m e a s u r e d
a n d p r e d i c t e d d a t a i s c e rt a i n l y a m o s t e n c o u r a g i n g
d e v e l o p m e n t .
8.2. P r e s s u r e D e p e n d e n c y
F i g u r e 1 7 s h o w s a f a m i l y o f i s o t h e r m s i l l u s t r a t i n g
t h e p r e s s u r e d e p e n d e n c y o f s t o i c h i o m e t r i c m e t h a n e -
a i r m i x t u r e s c o r r e c t e d f o r t h e e f fe ct s o f f l a m e - f r o n t
~ . ~ I
/ S
F I G . 19. Three-dimensional repres entatlo n of burn ing velocity dependence on pressure and tem pera ture forstoichiometric methane-air .
T h e d e te rmin a t io n o f l a min a r b u rn in g v e lo c i ty 3 25
w o r k e r s , s o m e o f t h e s e c o r r e c t e d i s o b a r s h a v e b e e n
r e p l o t t e d o n a l o g - l o g b a s i s i n F i g . 2 1 .
W i t h t h e e x c e p t i o n o f t h e i s o b a r s l y i n g i n t h e r e g i o n
T , h i g h e r t h a n a b o u t 4 3 0 K , t h e n a t u r e o f t h e t e m p e r a -
t u r e d e p e n d e n c e c u r v e s a p p e a r s t o b e l e ss c o m p l e x
t h a n t h e i r p r e s s u r e c o u n t e r p a r t s . T h u s , a t t e m p e r a -
t u r e s b e l o w a b o u t 4 3 0 K t h e y r e d u c e t o s t r a ig h t b u t
s l i g h t ly d i v e r g e n t l i ne s , w h i c h a r e a p p r o x i m a t e l y d e -
s c r i b e d b y a n e q u a t i o n o f th e f o r m S t = c T f , t h e
c o n s t a n t s c a n d d h a v i n g t h e v a l u e s g i v e n o n F i g . 2 1 .
E v i d e n t l y , e m p i r i c a l c u r v e f i t t i n g t o d a t a s u c h a s
t h a t d e p i c t e d o n F i g . 21 i s a r e l a t i v e ly a r b i t r a r y p r o c e s s
w h e n a p p l i e d t o t h e l im i t e d r a n g e o f d a t a a v a i l a b l e.
T h u s , e .g ., o u r m e a s u r e d 0 . 1 M P a ( 0. 99 a t m o s p h e r e s )
i s o b a r c a n b e m a d e t o c o i n c i d e w i t h T s a t s ar o n i s ' c u r v e
b y p l o t t i n g v a l u e s o f ( S - 7 ) r a t h e r t h a n ( S - 1 0)
c m / s e c . U n t i l r e l i a b l e t h e o r e t i c a l r e a s o n s f o r u s i n g a
p a r t i c u l a r e x p o n e n t f o r Tu a r e p r o p o s e d ( s u c h a s t h e
d e t a il e d r e a c t i o n s c h e m e s o f S m o o t e t a l . a n dT s a t s a r o n is ) , i t i s p e r h a p s a d v i s a b l e t o c o n f i n e o n e s e l f
i n a n y a p p l i c a t i o n c o n t e x t t o t h e u s e o f r e l i a b l e
e x p e r i m e n t a l d a t a .
100
90
80
7 0
60 .
50
G A R F O R T H & R A L L I SE X P E R I M E N T A L R E S U L TS ~ - . / ° h ' n ~x
I , / )T S A T S A R O N I S ( T s 7 8 ~ /St - 10 =3 '15 x 10 -4 Tu I
~ ] ~ J ~ D G G E R (D u 5 2 )A N D R E W S B R A D L E Y { A B 7 " 2 0 ) S t - l O = 3 , 7 4 x I O -S T u 2 ' 3 3
,o s , , o 4 5 9 x , O T u ' 3 ' I J200 300 4 0 0 5 0 0
T K
FIG. 21 . C om pariso n o f tempera tu r e dependence resu l ts fo rs to i c h io me t r i c me th a n e -a i r .
s t o i c h io m e t r i c m e t h a n e - a i r a t p = 1 a t m o s p h e r e a n d
T , = 2 9 8 K . T h e p o s i t i o n r e g a r d i n g t h e p r e s s u r e a n d
t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c y o f b u r n i n g v e l o c i t y f o r t h i s
m i x t u r e i s e v i d e n t l y r e l a t i v e l y c o m p l e x a n d r e q u i r e s
f u r t h e r i n v e s t i g a t i o n b o t h f r o m t h e t h e o r e t i c a l a n d
e x p e r i m e n t a l v i e w p o i n t s . H o w e v e r , b e c a u s e o f t h e
c o m p a t i b i l i t y o f t h e c o m p u t e r p r e d i c te d t r e n d s a n d
t h o s e o b t a i n e d b y b o m b m e t h o d s , i t i s p o s s i b l e to
p r o p o s e l i m i t ed e m p i r i c a l c o r r el a t i o n e q u a t i o n s o v e r
l i m i t e d r a n g e s o f T , a n d p .
T h e c o n c l u s i o n i s r e a c h e d t h a t o f t h e e x p e r i m e n t a l
m e t h o d s i n v o l v i n g s t a t i o n a r y f l a m e s , n o z z l e - b u r n e r
m e t h o d s w i t h e i t h e r o p t i c a l o r l a s e r - d o p p l e r p a r t i c l e -
t r a c k i n g t e ch n i q u e s a p p e a r m o s t e f f e c t i v e - - p r o v i d e d
u n b u r n t - g a s t e m p e r a t u r e s c a n b e a c c u ra t e l y m o n i -
t o r e d . A l t e r n a t iv e l y , i n v e r t e d - c o n e b u r n e r s w i t h t h e
s a m e m e a s u r i n g t e c h n i q u e s m i g h t b e w o r t h
i n v e s t i g a t i n g .
O f t h e p r o p a g a t i n g f l a m e m e t h o d s , t h e r e s e e m s l i tt l ed o u b t t h a t t h e c o n s t a n t - v o l u m e v e s se l t e c h n i q u e is t h e
m o s t v e r s a t i l e a n d a c c u r a t e . A l s o , b y u s i n g i t s s e lf -
c o r r o b o r a t i v e c h a r a ct e r i s ti c s , i ts c o m p u t a t i o n a l c o m -
p l e x i t y c a n b e c o n s i d e r a b l y r e d u c e d .
A c k n o w l e d g e m e n t - - T h i s work has been pa r t ia l ly sponsoredover the yea rs by the South Afr ican Counc i l fo r Sc ient i fic andIndus tr ia l Resea rch , to whom the au thors express the irapprec ia t ion .
(AB72)
(AB72a)
(AB73)
(AC60)
(AF49)
(AF50)
(AG61)
9 . SUMM ARY AND CONCLUSIONS (BB55)
T h e v a r i o u s m e t h o d s w h i c h h a v e b e e n u s e d f o r t h e ( B B 6 0 )
e x p e r i m e n t a l d e t e r m i n a t i o n o f l a m i n a r b u r n i n g v e -
l o c i t y h a v e b e e n r e v i e w e d . A v a i l a b l e r e s u l ts f ro m s o m e (B H 71 )
o f t h e m o r e r e c e n t e x p e r i m e n t s o n m e t h a n e - a i r m i x -t u re s h a v e b e e n c o m p a r e d b o t h a g a i n st e a c h o t h e r a n d
a g a i n s t c o m p u t e r p r e d i c t i o n s w h i c h h a v e r e c e n t l y
b e c o m e a v a i l a b l e ( T s 7 8) . T h e s e i n d i c a t e a p r o g r e s s i v e ( BK 6 2)
n a r r o w i n g o f t h e b o u n d s o f u n c e r t a i n ty a n d s u g g es t a
b e n c h m a r k v a l u e o f S t = 0 .3 7 + 0 .0 2 m / s e c f o r
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