Heat Flux Measurements in Stagnation-Point Methane Flames Using LED-Based Thermographic Phosphor Thermometry

Öz

This study presents a non-intrusive optical method for heat flux and wall temperature measurements in nearly one-dimensional laminar premixed flames impinging on a flat surface. The approach is based on light-induced phosphorescence from thermographic phosphor thin films applied to both sides of an alumina ceramic plate. Chromium-doped alumina (Cr:Al₂O₃, ruby) was used as the phosphor material, enabling temperature determination on the flame-exposed and cooled sides of the plate. Excitation was provided by a high-power green light-emitting diode (LED) array with a peak wavelength of 525 nm, offering a compact, cost-effective, and safer alternative to conventional laser-based systems. Experiments were conducted using matrix-style and nozzle-type burners to cover a wide range of fuel–air mixture velocities from 0.05 to 1.2 m/s. The ceramic plate was integrated into a water-cooled heat receiver, ensuring controlled boundary conditions and moderate wall temperatures. Phosphorescence signals were detected using photomultiplier tubes and processed through pulse-averaged acquisition to obtain reliable temperature data, from which heat flux values were derived. Experimental results were compared with numerical modeling to evaluate the accuracy of the measurement approach. In addition, the influence of hydrogen enrichment in methane–air flames was examined. Hydrogen addition increased burning velocity and convective heat transfer, leading to higher heat fluxes and altered wall temperature distributions. The results demonstrate the effectiveness of LED-based phosphor thermometry for stagnation-point flame heat transfer studies and hydrogen-enriched combustion systems.

Anahtar Kelimeler

• Thermographic phosphor thermometry
• Heat flux measurement
• Stagnation-point flames
• Laminar premixed combustion
• Hydrogen-enriched flames
• Flame–wall interaction

Etik Beyan

The author of this article declares that the materials and methods used in their study do not require ethics committee approval and/or legal permission.

LED Tabanlı Termografik Fosfor Termometrisi Kullanılarak Durma Noktası Metan Alevlerinde Isı Akısı Ölçümü

Öz

Bu çalışma, düz bir yüzeye çarpan, neredeyse tek boyutlu, laminer ön karışımlı alevlerde ısı akısı ve duvar sıcaklığının ölçümü için temassız bir optik yöntem sunmaktadır. Yöntem, alümina seramik bir plakanın her iki yüzeyine uygulanan termografik fosfor ince filmlerinden kaynaklanan ışıkla uyarılmış fosforesansa dayanmaktadır. Fosfor malzemesi olarak krom katkılı alümina (Cr:Al₂O₃, ruby) kullanılmış ve bu sayede plakanın alevle temas eden ve soğutulan yüzeylerinde sıcaklık tayini gerçekleştirilmiştir. Uyarım, tepe dalga boyu 525 nm olan yüksek güçlü yeşil bir LED dizisi ile sağlanmış; böylece geleneksel lazer tabanlı sistemlere kıyasla daha kompakt, düşük maliyetli ve daha güvenli bir alternatif elde edilmiştir. Deneyler, 0.05–1.2 m/s aralığında geniş bir yakıt–hava karışım hızlarını kapsayacak şekilde matris tip ve nozul tip brülörler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Seramik plaka, kontrollü sınır koşullarını sağlamak ve orta seviyelerde duvar sıcaklıklarını korumak amacıyla su soğutmalı bir ısı alıcısına entegre edilmiştir. Fosforesans sinyalleri fotokatotlu çoğaltıcı tüplerle algılanmış ve darbe ortalamalı veri toplama yöntemiyle işlenerek güvenilir sıcaklık verileri elde edilmiştir; bu verilerden ısı akısı değerleri hesaplanmıştır. Deneysel sonuçlar, ölçüm yaklaşımının doğruluğunu değerlendirmek amacıyla sayısal modelleme ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca, metan–hava alevlerinde hidrojen zenginleştirmenin etkisi incelenmiş; hidrojen ilavesinin yanma hızını ve taşınımla ısı transferini artırarak daha yüksek ısı akılarına ve farklı duvar sıcaklığı dağılımlarına yol açtığı belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, LED tabanlı fosfor termometrisinin durma noktası alevlerinde ısı transferi çalışmaları ve hidrojen zenginleştirilmiş yanma sistemleri için etkili bir tanılama aracı olduğunu göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

• Termografik fosfor termometrisi; Isı akısı ölçümü; Durma noktası alevleri; Laminer ön karışımlı yanma; Hidrojenle zenginleştirilmiş alevler; Alev–duvar etkileşimi
• Termografik fosfor termometrisi
• Isı akısı ölçümü
• Durma noktası alevleri
• Laminer ön karışımlı yanma
• Hidrojenle zenginleştirilmiş alevler
• Alev–duvar etkileşimi

Etik Beyan

Bu makalenin yazarı, çalışmasında kullanılan materyaller ve yöntemlerin etik kurul onayına ve/veya yasal izne ihtiyaç duymadığını beyan eder.

Kaynakça

1. [1] Allison, S. W., & Gillies, G. T. “Remote thermometry with thermographic phosphors: Instrumentation and applications”. Review of Scientific Instruments, 68(7), 2615–2650. (1997).
2. [2] Khalid, A. H., & Kontis, K. “Thermographic phosphors for high temperature measurements: principles, current state of the art and recent applications”. Sensors, 8(9), 5673–5744. (2008).
3. [3] Brübach, J., et al. “Determination of surface normal temperature gradients using thermographic phosphors and filtered Rayleigh scattering”. Applied Physics B, 84, 537–541. (2006).
4. [4] Brübach, J., et al. “On surface temperature measurements with thermographic phosphors: A review”. Progress in Energy and Combustion Science, 39(1), 37–60. (2013).
5. [5] Childs, P. R. N., “Greenwood, J. R., & Long, C. A. Review of temperature measurement”. Review of Scientific Instruments, 71(8), 2959–2978. (2000).
6. [6] Salem, M., et al. “Heat flux measurements in stagnation point methane/air flames with thermographic phosphors”. Experiments in Fluids, 49, 797–807. (2010).
7. [7] Elmnefi, M. S., et al. “Heat flux from stagnation-point hydrogen–methane–air flames: Experiment and modelling”. Heat Transfer XIII, 83, 401. (2014).
8. [8] Jenkins, T. P., et al. “Measurements of turbine blade temperature in an operating aero engine using thermographic phosphors”. Measurement Science and Technology, 31(4), 044003. (2020).

9. [9] Feist, J. P., et al. “Thermographic phosphor thermometry for film cooling studies in gas turbine combustors”. Journal of Power and Energy, 217(2), 193–200. (2003).
10. [10] Pflitsch, C., Siddiqui, R. A., Atakan, B. “Phosphorescence properties of sol–gel derived ruby measured as functions of temperature and Cr³⁺ content”. Applied Physics A, 90, 527–532. (2008).
11. [11] Pflitsch, C., et al. “Sol–gel deposition of chromium-doped aluminium oxide films (ruby) for surface temperature sensor application”. Chemistry of Materials, 20(8), 2773–2778. (2008).
12. [12] Brübach, J., et al. “An algorithm for the characterisation of multi-exponential decay curves”. Optics and Lasers in Engineering, 47(1), 75–79. (2009).
13. [13] Kee, R. J., Coltrin, M. E., Glarborg, P. “Chemically Reacting Flow: Theory and Practice”. Wiley, (2005).
14. [14] Taylor, J. R. “An Introduction to Error Analysis”. University Science Books, (1997).
15. [15] Herzog, J. M., et al. “Combustion-relevant aerosol phosphor thermometry”. Combustion and Flame, 226, 180–193. (2021).
16. [16] Jeon, M. G., et al. “Optical temperature measurement of premixed laminar methane/air flames using CT-TDLAS”. Journal of Mechanical Science and Technology, 35, 527–537. (2021).
17. [17] Feuk, H., et al. “Surface temperature of methane and hydrogen-enriched pilot flames measured using phosphor thermometry”. Journal of Imaging, 7(4), 29. (2022).
18. [18] Xavier, P., et al. “Temperature uncertainty improvements of surface phosphor thermometry for imaging applications”. Optica LACSEA Conference Proceedings. (2022).
19. [19] Joulaei, A., et al. “Phosphor thermometry evaluation of heat transfer performance of a fluidic oscillator”. Experimental Thermal and Fluid Science, 111997. (2024).
20. [20] Ojo, A. O., et al. “Spatiotemporal surface-temperature measurements resolving flame–wall interactions of lean H₂–air and CH₄–air flames using phosphor thermometry”. Flow, Turbulence and Combustion, 112, 445–463. (2024).
21. [21] Shang, Y., et al. “Research progress of smart thermal-barrier coatings based on thermographic phosphors”. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 45, 1–18. (2024).
22. [22] Cui Y., et al. “Advances in the application of non-contact temperature measurement technology for aero-engine blade”. Review of Scientific Instruments, 95(8), 081502, (2024).
23. [23] Kasapis, G., et al. “Temperature and pressure imaging on fast-rotating blades using thermographic phosphors”. AIAA SciTech Forum, Paper 2025-0866. (2025).
24. [24] Badiger, S., et al. “Heat-transfer characteristics of coaxial impinging flames with and without swirl”. Journal of Thermal Engineering, 8(1), 67–77. (2022).
25. [25] Hua, J., et al. “Heat-transfer characteristics of premixed methane–air flames impinging on a flat surface”. Fuel, 353, 129032. (2023).
26. [26] Slastnaya, D. A., et al. “Numerical simulation of impingement heat transfer for a laminar premixed Bunsen flame”. Energies, 18(2), 270. (2025).
27. [27] Chen, X. X., et al. “Prediction and optimization of heat-transfer performance of premixed methane impinging jets using Kriging and genetic algorithms”. Applied Sciences, 14(9), 3731. (2024).
28. [28] İlbaş M., Karyeyen S. ve Çilingir K., “Ön karışımsız ve ön karışımlı metan alevlerinin baca yanma parametrelerinin deneysel olarak incelenmesi”, journal of Polytechnic, 19(3): 357–365, (2016).
29. [29] Yaman K., Bıçakçı N. ve Özgedik A., “Matkap boyunun delik toleranslarına etkisinin incelenmesi”, journal of Polytechnic, 20(4): 765-775, (2017).