Park, Y.H.;Kim, S.L.;Moon, H.J.;Yoon, Y.B.;Jeung, I.S.
Journal of the Korean Society of Combustion
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v.5
no.1
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pp.19-30
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2000
The characteristics of NOx emissions in pure hydrogen nonpremixed flames with coaxial air are analyzed numerically for the three model cases of coaxial air flames classified by varying coaxial air velocity and/or fuel velocity. In coaxial air flames, the flame length is reduced by coaxial air and can be represented as a function of the ratio of coaxial air to fuel velocity. Coaxial air decreases flame reaction zone, resulting in reducing flame residence time significantly. Finally, the large reduction of EINOx is achieved by the decrease of the flame residence time. It is found that because coaxial air can break down the flame self-similarity law, appropriate scaling parameters, which are different from those in the simple jet flames, are recommended. In coaxial air flames, the flame residence time based on the flame volume produces better results than that based on a cube of the flame length. And some portion of deviations from the 1/2 scaling law by coaxial air may be due to the violation of the linear relationship between the flame volume and the flame reaction zone.
Kim, Mun-Ki;Oh, Jeong-Suk;Choi, Young-Il;Yoon, Young-Bin
한국연소학회:학술대회논문집
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2006.10a
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pp.86-94
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2006
This paper investigates the effects of acoustic forcing on NOx emissions and mixing process in the near field region of turbulent hydrogen nonpremixed flames. The resonance frequency was selected to force the coaxial air jet acoustically, because the resonance frequency is effective to amplify the forcing amplitude and reduce NOx emissions. When the resonance frequency is acoustically excited, a streamwise vortex is formed in the mixing layer between the coaxial air jet and coflowing air. As the vortex develops downstream, it entrains both ambient air and combustion products into the coaxial air jet to mix well. In addition, the strong vortex pulls the flame surface toward the coaxial air jet, causing intense chemical reaction. Acoustic excitation also causes velocity fluctuations of coaxial air jet as well as fuel jet but, the maximum value of centerline fuel velocity fluctuation occurs at the different phases of $\Phi$=$180^{\circ}$ for nonreacting case and $\Phi$=$0^{\circ}$ for reacting case. Since acoustic excitation enhances the mixing rate of fuel and air, the line of the stoichiometric mixture fraction becomes narrow. Finally, acoustic forcing at the resonance frequency reduces the normalized flame length by 15 % and EINOx by 25 %, compared to the flame without acoustic excitation.
Many previous works have been performed to provide correlations of flame length, theoretically and experimentally. Most of these results studied were conducted in vertical turbulent flame with no coaxial air condition. The present study analyzes the flame length scaling with coaxial air. In turbulent hydrogen non-premixed jet flames with coaxial air, flame length scaling theoretically proposed so far has been related with the concept of a far-field equivalent source. At high coaxial air to fuel velocity ratio, $U_A/U_F$, however, this scaling theory has some difference with experimental flame length data. This difference is understood to be due to the fact that the theory is based on far-field notion, while the effect of coaxial air on jet flame occurs in the region near the nozzle exit. Therefore, we define effective jet density $P_{eff}$ involving the concept of near-field so that effective jet diameter can be extended to the near-field region. In this condition, we modify the correlation and compare with experimental data.
The relationship among the flame radiation, NOx emissions, residence time, and global strain rate are examined for turbulent non-premixed jet flames with wide variations in coaxial air conditions. Measurements of NOx emission, flame geometry and flame radiation were made to explain the NOx emission scaling based on global parameters such as flame residence time, global strain rate, and radiant fraction. The overall 1/2-power scaling is observed in coaxial air flames, irrespective of coaxial air conditions, but the degree of deviation from the l/2-slope curve in each case differs from one another. From the comparison between the results of pure hydrogen flames and those of helium diluted hydrogen flames, it is observed that flame radiation plays a significant role in pure hydrogen flames with coaxial air and the deviation from 1/2-power scaling may be explained in two reasons: the difference in the flame radiation and the difference in jet similarity in coaxial air flames. From the radiation measurements, more detailed explanations on these deviations were suggested.
The effects of acoustic excitation of coaxial air on mixing enhancement and reduction of nitrogen oxides (NOx) emission were investigated. A compression driver was attached to the coaxial air supply tube to impose excitation. Measurements of NOx emission with frequency sweeping were performed to observe the trend of NOx emission according to the fuel and air flow conditions and to inquire about the effective excitation frequency for reducing NOx. Then, Schlieren photographs were taken to visualize the flow field and to study the effect of excitation. In addition, phase-locked particle image velocimetry (PIV) was performed to acquire velocity field for each case and to investigate the effect of vortices more clearly. Direct photographs and OH chemiluminescence photographs were taken to study the variation of flame length and reaction zone. It was found that acoustic forcing frequencies close to the resonance frequencies of coaxial air supply tube could reduce NOx emission. This NOx reduction was influenced by mixing enhancement due to large-scale vortices formed by fluctuation of coaxial air jet velocity.
Kim, Mun-Ki;Oh, Jeong-Seog;Choi, Young-Il;Yoon, Young-Bin
한국가시화정보학회:학술대회논문집
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2007.11a
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pp.149-154
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2007
This study examines the effect of acoustic excitation using forced coaxial air on the flame characteristics of turbulent hydrogen nonpremixed flames. A resonance frequency was selected to acoustically excite the coaxial air jet due to its ability to effectively amplify the acoustic amplitude and reduce flame length and NOx emissions. Acoustic excitation causes the flame length to decrease by 15 % and consequently, a 25 % reduction in EINOx is achieved, compared to a flame without acoustic excitation. Moreover, acoustic excitation induces periodical fluctuation of the coaxial air velocity, thus resulting in slight fluctuation of the fuel velocity. From phase-lock PIV and OH PLIF measurement, the local flow properties at the flame surface were investigated under acoustic forcing. During flame-vortex interaction in the near field region, the entrainment velocity and the flame surface area increased locally near the vortex. This increase in flame surface area and entrainment velocity is believed to be a crucial factor in reducing flame length and NOx emission in coaxial jet flames with acoustic excitation. Local flame extinction occurred frequently when subjected to an excessive strain rate, indicating that intense mass transfer of fuel and air occurs radially inward at the flame surface.
The relationship among the flame radiation, NOx emissions, residence time, and global strain rate are examined for turbulent non-premixed jet flames with wide variations in coaxial air conditions. Measurements of NOx emission, flame geometry and flame radiation were made to explain the NOx emission scaling based on global parameters such as flame residence time, global strain rate, and radiant fraction. The overall 1/2-power scaling is observed in coaxial air flames, irrespective of coaxial air conditions, but the degree of deviation from the 1/2-slope curve in each case differs from one another. From the comparison between the results of pure hydrogen flames and those of helium diluted hydrogen flames, it is observed that flame radiation plays a significant role in pure hydrogen flames with coaxial air and the deviation from 1/2-power scaling may be explained in two reasons: the difference in the flame radiation and the difference in jet similarity in coaxial air flames. From the radiation measurements, more detailed explanations on these deviations were suggested.
In this paper, we propose structures of a socket that can improve signal transmission characteristics compared to the existing silicone rubber socket. A coaxial rubber socket was proposed to improve signal distortion due to electromagnetic interference between signal lines. And an air gap rubber socket was proposed to improve the degradation of reflection characteristics due to high dielectric constant. Using a 3D electromagnetic field simulator, the S-parameter and crosstalk of the three sockets were compared and the signal transmission characteristics were analyzed. In both coaxial rubber socket and the air gap rubber socket, S-parameter and crosstalk were improved compared to the silicone rubber socket. Among them, the air gap rubber socket was the best for S-parameter, and the coaxial rubber socket was the best for crosstalk.
The purpose of this study is to investigate the combustion emission characteristics changing auxiliary air injection in combustion field of coaxial swirling diffusion combustor. For this purpose, mean temperature, CO, CO2, O2 and HC concentration were measured by changing excess air ratio and auxiliary air injection. As a result of this study, mean temperature, CO2 emission were increased and CO emission decreased by increasing auxiliary air. Therefore, this paper showed the auxiliary air injection effected strongly on flame structure and combustion emission characteristics.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.14
no.5
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pp.1234-1243
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1990
Double coaxial are jets(annular and coaxial air jets) between which propane gas is fed was selected to study the structure of diffusion flames in turbulent shear flow. Schlieren and direct photographs are taken to visualize the flame structure. Mean and fluctuating temperatures and ion currents were measured to investigate the macroscopic and the instantaneous flame structure. The objective of this study is to understand the interaction between combustion and mixing process especially in the transition region of turbulent shear flow. The investigation reported in this paper focuses on the macroscopic and the instantaneous structures of three flames obtained. The increased mixing effect resulting from increase of Reynolds number of central air jet makes the flame bluish and short. When the velocity of surrounding air stream is higher than that of central air jet, the instantaneous flame structure is composed of coherent structure. It is considered that the flame structure of transitional region of mixing layer depends on the structure of mixing layer of non-reacting conditions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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