Impact of flame base dynamics on the non-linear frequency response of conical flames

The response of laminar premixed conical flames to velocity disturbances is considered theoretically and experimentally with a focus on the impact of the flame base dynamics on the non-linear behavior of the Flame Transfer Function (FTF). Unsteady heat transfer between the flame base and the burner lip is considered to model the flame base response. Predictions for the flame base response Ξ(ω) and flame transfer function F(ω) are compared to measurements over a large range of frequencies. The non-linear behavior of the FTF phase is shown to result from a competition between velocity disturbances contributing to a regular increase of the phase lag with frequency and flame base oscillations leading to a saturation of the phase lag at high frequencies. Increasing the forcing level leads to an early saturation of the phase lag of the FTF at lower frequencies. This analysis demonstrates the important role of flame foot oscillations controlling the saturation of the FTF phase lag.

RésuméLa réponse dʼune flamme conique prémélangée soumise à des perturbations de vitesse est étudiée théoriquement et expérimentalement, en se concentrant sur lʼimpact de la dynamique du point dʼaccrochage sur le comportement non-linéaire de la Fonction de Transfert de Flamme (FTF). Cette réponse est modélisée en considérant le transfert de chaleur instationnaire entre le brûleur et la base de la flamme. Les prévisions concernant la réponse du point dʼaccrochage Ξ(ω) ainsi que la Fonction de Transfert de Flamme F(ω) sont comparées à des mesures pour différentes fréquences. On montre notamment que le comportement non-linéaire de la phase de la FTF résulte dʼune compétition entre les effets dus aux perturbations de vitesse, induisant une augmentation regulière de la phase de la FTF, et du point dʼaccrochage de la flamme, résultant en une saturation de la phase de la FTF à hautes fréquences. Cette analyse montre ainsi le rôle important des oscillations de la base de la flamme, contrôlant la saturation de la phase de la FTF.