본 연구는 케로신과 액체산소를 추진제로 사용하는 동축 와류형 분사기를 해석하기 위해 체계적인 물리 모델링을 수행하였다. 먼저 초임계 압력 조건에서 나타나는 실제유체의 열역학 및 전달 물성치를 계산할 수 있는 서브루틴 라이브러리를 구축하였으며, 층류 화염편 해석 코드와 연동하여 케로신 난류연소장의 국소화염구조를 해석하였다. 설계 목적에 맞는 계산 효율성을 확보하기 위해 동축 와류형 분사기는 RANS 기반의 2차원 축대칭 선회 유동으로 해석하였으며, 실험 결과가 존재하는 비연소 동축선회 제트 유동을 통해 예측정확도를 검증하였다. 실제 고압 연소를 수반하는 동축 와류형 분사기의 경우, 기존의 RANS 모델은 급격한 밀도 구배가 수반되는 선회 막 유동의 혼합층에서 과도한 난류확산을 야기하였으며, 난류모델의 수정을 위해 보다 심도 있는 연구가 필요할 것으로 판단되었다.
The experimental study is carried out to identify the combustion generated noise mechanism in free turbulent jet diffusion flames. Axial mean fluctuating velocities in cold and reacting flow fields were measured using hot-wire anemometer and LDv.The overall sound pressure level and their spectral distribution in far field with and without combustion were also measured in an anechoic chamber. The axial mean velocity is 10-25% faster and turbulent intensities are about 10 to 15% smaller near active reacting zone than those in nonreacting flow fields. And sound pressure level is about 10-20% higher in reacting flow fields. It is also shown that the spectra of the combustion noise has lower frequency characteristics over a broadband spectrum. These results indicate that the combustion noise characteristics in jet diffusion flames are dominated by energy containing large scale eddies and the combusting flow field itself. Scaling laws correlating the gas velocity and heat of combustion show that the acoustic power of the combustion noise is linearly proportional to the 3.8th power of the mean axial velocity rather than 8th power in nonreacting flow fields, and the SPL increases linearly with logarithmic 1/2th power of the heat of combustion.
The autoignition and subsequent flame propagation of initially nonpremixed turbulent system have been numerically analyzed. The unsteady flamelet modeling based on the RIF (representative interactive flamelet) concept has been employed to account for the influences of turbulence on these essentially transient combustion processes. In this RIF approach, the partially premixed burning, diffusive combustion and formation of pollutants(NOx, soot) can be consistently modeled by utilizing the comprehensive chemical mechanism. To treat the spatially distributed inhomogeneity of scalar dissipation rate, the multiple RIFs are employed in the framework of EPFM(Eulerian particle flamelet model) approach. Computations are made for the various initial conditions of pressure, temperature, and fuel composition. The present turbulent combustion model reasonably well predicts the essential features of autoignition process in the transient gaseous fuel jets injected into high pressure and temperature environment.
Combustion using oxygen enriched air is known as a technology which can increase flame stability as well as thermal efficiency due to improving the burning rate. Lift-off, blowout limit and flame length were examined as a function of jet velocity, coflow velocity and OEC(Oxygen Enriched Concentration). Blowout limit of the flame below OEC 25% decreased with increase of coflow velocity, but the limit above OEC 25% increased inversely. Lift-off height decreased with increase of OEC. In particular, lift-off hardly occurred in the condition above OEC 40%. Flame length of the flames above OEC 40% was increased until the blowout occurred. Great flame stability was obtained since lift-off and blowout limit significantly increased with increase of OEC.
Simultaneous measurements of planar laser-induced fluorescence (PLIF) of OH radicals and particle image velocimetry (PIV) were used to investigate the strain rates and OH structure characteristics of turbulent syngas non-premixed jet flames close to blowoff. Mean values of the maximum principal strain rate on OH layer decreases with the axial distance, and its standard deviation is significantly large upstream. Strain rate on stabilization region of the stable flame is only about a half of that of the flame near blowoff.
Accurate assessment of the effect of jet plume on the boattail pressure drag of transonic airbreathing missiles is very important to reduce drag and to satisfy the flight range and the required maneuver. Numerical results of drag analysis for boattail and base pressures due to jet plume are presented considering the turbulence modeling. Drag assessment due to the size of jet plume, the conditions of the exhaust gas, the configurations of the boattail, and transonic mach numbers is included.
The flame structure and soot formation in Acetylene-Air nonpremixed jet flame are numerically analyzed. We employed two variable approach to investigate the soot formation and oxidation processes. The present soot reaction mechanism involves nucleation, surface growth, particle coagulation, and oxidation steps. The gas phase chemistry and the soot nucleation, surface growth reactions are coupled by assuming that the nucleation and soot mass growth has the certain relationship with the concentration of pyrene and acetylene. We also employed laminar flamelet model to calculate the thermo-chemical properties and the proper soot source terms from the information of detailed chemical kinetic model. The numerical and physical model used in this study successfully predict the essential features of the combustion processes and soot formation characteristics in the reaction flow field.
NOx formation in turbulent flames is strongly coupled with temperature, superequilibrium concentration of O radical, and residence time. This implies that in order to accurately predict NO level, it is necessary to develop sophisticated models able to account for the complex turbulent combustion processes including turbulence/chemistry interaction and radiative heat transfer. The present study numerically investigates the turbulent nonpremixed hydrogen jet flames using the laminar flamelet model. Flamelet library is constructed by solving the modified Peters equations and the turbulent combustion model is extended to nonadiabatic flame by introducing the enthalpy defect. The effects of turbulent fluctuation are taken into account by the presumed joint PDFs for mixture fraction, scalar dissipation rate, and enthalpy defect. The predictive capability of the present model has been validated against the detailed experimental data. Effects of nonequilibrium chemistry and radiative heat loss on the thermal NO formation are discussed in detail.
NOx formation in turbulent flames is strongly coupled with temperature, superequilibrium concentration of O radical, and residence time. This implies that in order to accurately predict NO level, it is necessary to develop sophisticated models able to account for the complex turbulent combustion processes including turbulence/chemistry interaction and radiative heat transfer. The present study numerically investigates the turbulent nonpremixed hydrogen jet flames using the laminar flamelet model. Flamelet library is constructed by solving the modified Peters equations and the turbulent combustion model is extended to nonadiabatic flame by introducing the enthalpy defect. The effects of turbulent fluctuation are taken into account by the presumed joint PDFs for mixture fraction, scalar dissipation rate, and enthalpy defect. The predictive capability of the present model has been validated against the detailed experimental data. Effects of nonequilibrium chemistry and radiative heat loss on the thermal NO formation are discussed in detail.
Mach 1.8의 동축공기를 갖는 수소 난류 화산 화염의 특성을 이해하는 것이 본 연구의 목적이다. 화염길이와 연료유동의 자취에 대한 직접사진, Acetone PLIF, Mie scattering, 수치해석법을 이용하여 화염의 구조를 분석하였다. 연료의 유속를 고정시켰을 때, 공기의 유속 증가에 따른 변화를 측정하였다. 아음속 화염의 길이는 급격히 감소한 반면, 초음속 화염의 길이는 완만하게 증가하였다. 또한 연료 노즐 립의 두께 변화에 따른 화염의 소염 특성을 관찰하였다. 노즐 립의 두께에 따라 화염 안정성이 증가하였는데 이는 초음속 화염의 안정화를 위한 최소 두께 값이 존재함을 나타낸다. 유동장 구조를 분석한 결과, 연료 제트가 고압영역에 가로 막혀서 축방향 모멘텀을 잃고, 저산란 영역이 만들어지는 것을 확인하였다. 또한, 모멘텀을 잃은 연료가 재순환 영역을 따라 순환하면서 긴 체류시간을 갖기 때문에 예혼합 영역이 만들어 졌음이 밝혀졌다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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