Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2007.04a
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pp.71-74
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2007
Large Eddy Simulation(LES) has been conducted to insight interaction effects of turbulent flow and chemical reaction of a lean-Premixed swirl combustor. The unsteady turbulent flame is carefully simulated so that the motion of flow and flame can be characterized in detail. Fuel lumps escaping from the primary combustion zone move downstream and consequently produce local hot spots conveying large vortical structures in the azimuthal direction. The correlation between pressure oscillation and unsteady heat release is examined by the spatial and temporal Rayleigh parameter.
The effects of interaction between partially premixed and premixed swirl flames on CO and NOx emissions were experimentally investigated using a hybrid/dual swirl jet combustor for a micro-gas turbine. Under the condition of constant angle ($45^{\circ}$) for outer swirl vane, the angle and direction of inner swirl vane installed for a partially premixed flame were varied as main parameters with a constant fuel flow rate for each nozzle. It was found that for all conditions, CO and NOx emissions were measured below 4 ppm and 15 ppm at 15% $O_2$, respectively, in a wide range of equivalence ratio (0.6~0.9). For co-swirl flows, CO emission increased dramatically as the angle of inner swirl vane increased from $15^{\circ}$ to $45^{\circ}$ near lean-flammability limit (i.e. equivalence ratio of 0.5). On the other hand, the case of swirl $angle=45^{\circ}$ provided the lowest NOx emission at higher equivalence ratios than 0.6. For counter-swirl flows, the case of swirl $angle=45^{\circ}$ extended the lean-flammability limit but higher NOx emissions were found compared to those of co-swirl flows. These results could be inferred by interaction between (inner) partially premixed and (outer) premixed swirl flames. However, these estimations were not clear yet because there was insufficient data on turbulent flow structure and fuel-air mixing in the present experimental approach.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.1
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pp.240-249
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1994
The basic experiments for designing the effective gas turbine combustor were performed. There are several factors that define the characteristics of gas turbine combustor. Among them, experiment was focused on swirl effects by three types of swirler with different swirl numbers(0.0, 0.38, and 0.62). Particularly, an interest was concentrated on primary zone where the flame characteristics of total combustor was dominated strongly and secondary zone where the remaining unburned gas was reacted again or cooling effect was done according to degree of swirl intensity. For this study, following measurements have been carried out, that is, time mean and fluctuating temperature, exhaust gas composition including NO concentration, and ion current. From this study, it was found that swirl intensity affects largely not only flame style but also emission formation, furthermore that it is important to select proper swirl intensity.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.28
no.2
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pp.146-153
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2004
A Promising new approach to achieve low pollutant emissions and improvement of flame stability is tested experimentally using a cyclone jet hybrid combustor employing both premixed and diffusion combustion mode. Three kinds of nozzle are tested for mixing enhancement of fuel and air. The LNG (Liquified Natural Gas) is used as a fuel. The combustor is operated by two methods. One is DC (Diffusion Combustion) mode generated swirl flow by air as general swirl combustor, and the other is HC (Hybrid Combustion) mode. The HC mode consists of diffusion jet flame of axial direction and premixed cyclone flame of tangential direction in order to stabilized the diffusion jet flame. The results showed that the flame stability of HC mode is significantly enhanced than that of DC mode through the change of mixing characteristics by modifications of fuel nozzle. In addition, the reductions of CO and NOx emission in HC mode, as compared with that for the DC mode, is large than about 50% in stable region. Also, even using the low calorific fuel as $CO_2$-blended gas, it is identified that the cyclone jet hybrid combustor has the high performance of flame stability.
The firtst-order conditional moment closure (CMC) model is applied to CH4/air swirl diffusion flame in a gas turbine model combustor. The flow and mixing fields are calculated by fast chemistry assumption with SLFM library and a beta function pdf for mixture fraction. RNG k-e model is used to consider the swirl flame in a confined wall. Reacting scalar fields are calculated by elliptic CMC formulation with chemical kinetic mechanism, GRI Mech 3.0. Validation is done against measurement data for mean flow and scalar fields in the model combustor [1]. Results show reasonable agreement with the mean mixture fraction and its variance, while temperature is overpredicted as the level of local extinction increases. The second-order CMC model is needed to consider local extinction with considerable conditional fluctuations near the nozzle.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.7
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pp.1789-1798
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1994
This paper aimed for numerical simulation of complicated gas turbine combustor with swirler. For the convenience of numerical analysis, fuel nozzle and air linear hole areas of secondary and dilution zone, which are issued to jet stream, were simplified to equivalent areas of annular type. In other to solve these problems, imaginary source terms which are corresponded to supplied fuel amount were added to those of governing equation. Chemical equilibrium model of infinite reaction rate and $k-{\epsilon}-g$ model with the consideration of density fluctuation were applied. As the result, swirl intensity contributed to mixing of supplied fuel and air, and to speed up the flame velocity than no swirl condition. Temperature profiles were higher than experimental results at the upstream and lower at the downstream, but total energy balance was accomplished. As these properties showed the similar trend qualitatively, simplified simulation method was worth to apply to complicated combustor for predicting combustion characteristics.
The effect of swirl flows un the fuel spray characteristics were investigated for various swillers in a model combustor. The interaction between the flow field and fuel spray in the main combustion tone made by frontal devices including fuel injection nozzles and swirlers. which were characterized by flow velocities, fuel droplet sizes and their distributions which were measured by APV(Adaptive Phase/Doppler Velocimetry) under atmospheric condition at 320cc/min kerosine fuel flow and 0.04kg/sec air supply. A dual swirler with circumferential two-stage swirl vanes of $40^{\circ}\;and\;45^{\circ}$ vanes in different directions and two single-stage swillers of $40^{\circ}$ vanes with 12 and 16 vanes were tested. It was found that the dual swirler has the largest recirculating zone with highest reverse flow velocity. The strongest swirl flow was found at the boundary of recirculation zone. Small fuel droplets were observed in the main axial stream and inside the recirculation zone when swirling flow field were generated by the frontal devices. These findings could give the tips on the optimal design of frontal devices to realize low emissions in gas turbine combustion.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.3
no.2
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pp.18-24
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1999
Liquid ramjet combustor is closely connected with complex phenomena due to a series of processes such as intake air, spray, mixing, and combustion. The present numerical experiments were peformed to investigate these flow characteristics for two and three dimensional liquid ramjet combustor. Grid system was made with three domains: intake region where air is supplied and fuel is injected, combustor and nozzle region, and exit atmosphere region. The numerical results showed that two and three dimensional flow patterns in recirculation region of combustor were significantly different each other and spray model was necessary to predict correctly the chemical reaction flow characteristics. Numerically examined for two different location of fuel injector, one is located on the bottom position of curved intake and the other is located on the top position. We found that bottom position of fuel injector is better than top position because fuel influx to the recirculation region which is need to sustain chemical reaction is more than the latter.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.11
no.1
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pp.51-56
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2007
Flow characteristics in a liquid fuel ramjet combustor were investigated using the PIV method. The combustor has two rectangular inlets that form a $90^{\circ}$ angle each other. Three cases of test combustors are made in which those inlet angles are $30^{\circ},\;45^{\circ}\;and\;60^{\circ}$. The experiments were performed in a water tunnel test with the same Reynolds number as Mach 0.3 at the inlet. PIV software was developed to measure the characteristics of the flow field in the combustor. A large and complex recirculating flow was measured in the dome area with 4 different dome size. Experimental results shows that 1/3 dome size of combustor diameter is suitable and smaller inlet angle provide large recirculation flow at the dome of combustor as a frame holder in this experimental ranges but need to consider secondary recirculation flow in a junction region to optimize the configuration of ramjet combustor.
This paper describes experimental results on combustion characteristics with hydrogen contents of synthetic natural gas (SNG) in low swirl combustor. To investigate the effect of hydrogen contents for premixed SNG flame, stability map, CH chemiluminescence images, flame spectrum analysis and emission performances were measured. In the results, as the hydrogen content was increased, the lean flammable limit was expanded and the flame length was decreased. The hydrogen contents affected the flame liftoff height, and it has different tendency according to the equivalence ratio and flame shape. The change of height and length of flame according to hydrogen contents is caused by the fast burning velocity of hydrogen, which can be confirmed by GRI 3.0 reaction mechanism in PREMIX code. The intensity of $OH^*$, $CH^*$ and $C_2^*$ was confirmed by spectrum analysis of flame. As a result, the $CH^*$ intensity was not significantly different according to hydrogen content. The increase of hydrogen contents influenced positively CO and NOx emission performances.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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