ผลของเลขสวอร์ลต่อเสถียรภาพของเปลวไฟในหัวเผาแก๊ส LPG แบบหมุนวนภายใต้สภาวะเปลวไฟอิสระ
Influence of Swirl Number on Flame Stability of an LPG Premixed Swirl Burner under Free-Flame Conditions
Abstract
หัวเผาชนิดหมุนวนถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในงานด้านพลังงานและอุตสาหกรรม เนื่องจากสามารถช่วยเพิ่มการผสมเชื้อเพลิงและอากาศได้ดี และสร้างความเสถียรให้กับเปลวไฟ อย่างไรก็ตามความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับการเผาไหม้ของก๊าซปิโตรเลียมเหลว (LPG) ในหัวเผาแบบผสมก่อนชนิดหมุนวนภายใต้สภาวะเปลวไฟอิสระยังมีอยู่อย่างจำกัด ดังนั้นงานวิจัยนี้จึงมีวัตถุประสงค์ในการศึกษาพฤติกรรมการเผาไหม้ของเตาเผาแบบผสมล่วงหน้าที่ใช้เชื้อเพลิง LPG โดยถึงอิทธิผลของอัตราส่วนสมมูล (ϕ) ค่าเรย์โนลด์ ( ) และค่า swirl number ต่อโครงสร้างเปลวไฟ และเสถียรภาพการเผาไหม้ด้วยวิธีพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (CFD) จากการใช้สมการการอนุรักษ์มวล โมเมนตัม พลังงาน และการขนส่งสปีชีส์ ร่วมกับแบบจำลองการเผาไหม้แบบผสมล่วงหน้าบางส่วน และแบบจำลองความปั่นป่วน RNG รวมถึงแบบจำลองการถ่ายเทรังสี Discrete Ordinates โดยผลการจำลองได้ถูกตรวจสอบความถูกต้องกับผลทดลองพบว่ามีค่าเฉลี่ยความคลาดเคลื่อน 8.19% ซึ่งแสดงทำให้แบบจำลองมีความน่าเชื่อถือ โดยการจำลองจะศึกษาอิทธิพลของ = 2,000 4,000 และ 6,000 และอัตราส่วนสมมูล = 0.8 1.0 และ 1.2 จากผลการวิเคราะห์พบว่าการเผาไหม้บาง (ϕ = 0.8) เปลวไฟแบบมีลักษณะเรียวยาว โดยที่เปลวไฟจากการเผาไหม้ที่สโตอิชิโอเมตริก (ϕ = 1.0) มีลักษณะเปลวกะทัดรัด และสมมาตร ส่วนเปลวไฟแบบการเผาไหม้หนา (ϕ = 1.2) มีโซนปฏิกิริยาที่หนาแน่นขึ้น โดยการเพิ่มค่า ส่งผลให้การผสมเชื้อเพลิง อากาศ และความเสถียรของเปลวไฟดีขึ้น โดยเงื่อนไข = 6,000 และ ϕ = 0.8 ให้ค่า swirl number สูงสุด และก่อให้เกิดบริเวณหมุนวนตรงกลางที่แข็งแรงทำให้เปลวไฟยึดเกาะได้มั่นคง และมีอุณหภูมิสูงสุดเท่ากับ 2,079 เคลวิน ผลการศึกษานี้ได้ยืนยันว่าค่า swirl number เป็นพารามิเตอร์สำคัญในการออกแบบหัวเผาแบบผสมล่วงหน้าเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเผาไหม้และเสถียรภาพของเปลวไฟ อีกทั้งยังสามารถใช้เป็นแนวทางในการพัฒนาหัวเผาเชื้อเพลิง LPG ในระดับอุตสาหกรรมได้อย่างมีประสิทธิภาพ
Swirl burners are widely used in energy and industrial applications due to their ability to enhance fuel–air mixing and stabilize flames. However, a detailed understanding of Liquefied Petroleum Gas (LPG) combustion in premixed swirl burners under free-flame conditions remains limited. Free-flame operation minimizes wall-confinement effects and allows clearer observation of intrinsic swirl-induced flame stabilization mechanisms. This study numerically investigates the combustion behavior of an LPG-fueled premixed swirl burner, focusing on the effects of equivalence ratio, Reynolds number, and swirl number on flame structure and stability. Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations were performed by solving the governing equations of mass, momentum, energy, and species transport. Turbulence was modeled using the RNG k–ε approach, while combustion was represented by the partially premixed combustion model coupled with the discrete ordinates radiation model. The numerical model was validated against experimental data, showing good agreement with a mean error of 8.19%, indicating its reliability. Simulations were conducted for Reynolds numbers of 2,000, 4,000 and 6,000 and equivalence ratios of 0.8, 1.0 and 1.2. The results indicate that lean flames are elongated, stoichiometric flames are compact and symmetric, and rich flames exhibit thicker reaction zones. Increasing Reynolds number improves fuel–air mixing and flame stability. The condition at Reynolds number 6,000 and equivalence ratio 0.8 yields the highest swirl number, producing a strong central recirculation zone, a well-anchored flame, and a maximum temperature of 2,079 K. These findings confirm that swirl number is a key parameter in the design of premixed swirl burners to improve combustion efficiency and flame stability.
Keywords
[1] S. Taamallah, S. J. Shanbhogue, and A. F. Ghoniem, “Turbulent flame stabilization modes in premixed swirl combustion: Physical mechanism and Karlovitz number-based criterion,” Combustion and Flame, vol. 166, pp. 19–33, 2016, doi : 10.1016/j. combustflame.2015.12.007.
[2] B. Y. Belal, G. Li, Z. Zhang, H. M. El-Batsh, H. A. Moneib, and A. M. A. Attia, “The effect of swirl burner design configuration on combustion and emission characteristics of lean pre-vaporized premixed flames,” Energy, vol. 228, Aug. 2021, Art. no. 120622, doi: 10.1016/j.energy.2021.120622.
[3] L. G. Becker, H. Kosaka, B. Böhm, S. Doost, R. Knappstein, M. Habermehl, R. Kneer, J. Janicka, and A. Dreizler, “Experimental investigation of flame stabilization inside the quarl of an oxyfuel swirl burner,” Fuel, vol. 201, pp. 124–135, Aug. 2017, doi: 10.1016/j.fuel.2016.09.002.
[4] D. G. Lilley, “Swirl flows in combustion: A review,” AIAA Journal, vol. 15, no. 8, pp. 1063–1078, Aug. 1977, doi. org/10.2514 /3.60756.
[5] N. Uppatam, W. Boonyopas, C. Aroonrujiphan, N. Kaewchoothong, S. Sae-ung, and C. Nuntadusit, “Heat transfer characteristic for premixed flame jet from swirl chamber,” Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences, vol. 77, no. 2, pp. 33–46, 2020, doi: 10.379 34/arfmts.77.2.3346.
[6] M. Wichangarm, A. Matthujak, T. Sriveerakul, S. Sucharitpwatskul, and S. Phongthanapanich, “Investigation on thermal efficiency of LPG cooking burner using computational fluid dynamics,” Energy, vol. 203, Jul. 2020, Art. no. 117849, doi: 10.1016/j.energy.2020. 117849.
[7] A. Matthujak, M. Wichangarm, T. Sriveerakul, S. Sucharitpwatskul, and S. Phongthanapanich, “Numerical investigation on the influences of swirling flow to thermal efficiency enhancement of an LPG-energy saving burner,” Case Studies in Thermal Engineering, vol. 28, Dec. 2021, Art. no. 101466, doi: 10.1016/j.csite.2021. 101466.
[8] W. Du, S. Zhou, H. Qiu, J. Zhao, and Y. Fan, “Experiment and numerical study of the combustion behavior of hydrogen-blended natural gas in swirl burners,” Case Studies in Thermal Engineering, vol. 39, Nov. 2022, Art. no. 102468, doi: 10.1016/j.csite.2022. 102468.
[9] A. Valera-Medina, R. Marsh, J. Runyon, D. Pugh, P. Beasley, T. Hughes, and P. Bowen, “Ammonia–methane combustion in tangential swirl burners for gas turbine power generation,” Applied Energy, vol. 185, pp. 1362–1371, Jan. 2017, doi: 10.1016/ j.apenergy.2016.02.073.
[10] J. Cheng, C. Zong, and T. Zhu, “A comparative study of combustion models for simulating partially premixed swirling natural gas flames,” Thermal Science and Engineering Progress, vol. 47, Jan. 2024, Art. no. 102310, doi: 10.1016/j.tsep.2023.102310.
[11] J. Zhang, C. Sui, B. Zhang, and J. Li, “Effects of swirl intensity on flame stability and NO emission in swirl-stabilized ammonia/methane combustion,” Applications in Energy and Combustion Science, vol. 14, Jun. 2023, Art. no. 100138, doi: 10.1016/ j.jaecs.2023.100138.
[12] A. M. Steinberg, P. E. Hamlington, and X. Zhao, “Structure and dynamics of highly turbulent premixed combustion,” Progress in Energy and Combustion Science, vol. 85, Jul. 2021, Art. no. 100900, doi: 10.1016/ j.pecs.2020.100900.
[13] D. D. Luo, H. S. Zhen, C. W. Leung, and C. S. Cheung, “Premixed flame impingement heat transfer with induced swirl,” International journal of heat and mass transfer, vol. 53, no. 19–20, pp. 4333–4336, 2010, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.201 0.05.048.
[14] P. Kuntikana and S. V. Prabhu, “Heat transfer characteristics of premixed methane–air flame jet impinging obliquely onto a flat surface,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 101, pp. 133–146, 2016, doi: 10.1016/j.ijheatma sstransfer.2016.05.004.
[15] A. R. Kadam, R. K. Parida, V. Hindasageri, and G. N. Kumar, “Heat transfer distribution of premixed methane-air laminar flame jets impinging on ribbed surfaces,” Applied Thermal Engineering, vol. 163, 2019, Art. no. 114352, doi: 10.1016/j.applthermal eng.2019.114352.
[16] Ansys Fluent. Release 2024 R2. [Online]. Available: https://www.ansys.com/blog/wha ts-new-ansys-fluent-software-2024-r2
[17] S. Candel, D. Durox, T. Schuller, J.-F. Bourgouin, and J. P. Moeck, “Dynamics of swirling flames,” Annual review of fluid mechanics, vol. 46, no. 1, pp. 147–173, Jan. 2014, doi: 10.1146/annurev-fluid-010313-141300.
[18] N. Syred, “A review of oscillation mechanisms and the role of the Precessing Vortex Core (PVC) in swirl combustion systems,” Progress in Energy and Combustion Science, vol. 32, no. 2, pp. 93–161, 2006, doi: 10.1016/j.pecs.2005.10.002.
DOI: 10.14416/j.kmutnb.2026.09.003
ISSN: 2985-2145
Email this article 
Hide
Show all