Partial quenching structure of turbulent diffusion flames in a turbulent mixing layer is investigated by the method of flame hole dynamics in order to develop a prediction model for turbulent flame lift off. The essence of flame hole dynamics is derivation of the random walk mapping, from the flame-edge theory, which governs expansion or contraction of flame holes initially created by local quenching events. The numerical simulation for flame hole dynamics is carried out in two stages. First, a direct numerical simulation is performed for constant-density fuel-air channel mixing layer to obtain the turbulent flow and mixing fields, from which a time series of two dimensional scalar dissipation rate array is extracted at a fixed virtual flame surface horizontally extending from the end of split plate to the downstream. Then, the Lagrangian simulation of the flame hole random walk mapping projected to the scalar dissipation rate array yields temporally evolving turbulent extinction process and its statistics on partial quenching characteristics. The statistical results exhibit that the chance of partial quenching is strongly influenced by the crossover scalar dissipation rate while almost unaffected by the iteration number of the mapping that can be regarded as a flame-edge speed.
Structure of edge flame established in a mixing layer, formed between two uniformly flowing pure $CH_4$ and pure $O_2$ streams, is numerically investigated by employing a detailed methane-oxidation mechanism. The numerical results exhibited the most outstanding distinction of using pure oxygen in the fuel-rich premixed-flame front, through which the carbon-containing compound is found to leak mainly in the form of CO instead of HC compounds, contrary to the rich $CH_4-air$ premixed flames in which $CH_4$ as well as $C_2H_m$ leakage can occur. Moreover, while passing through the rich premixed flame, a major route for CO production, in addition to the direct $CH_4$ decomposition, is found to be $C_2H_m$ compound formation followed by their decomposition into CO. Beyond the rich premixed flame front, CO is further oxidized into $CO_2$ in a broad diffusion-flame-like reaction zone located around moderately fuel-rich side of the stoichiometric mixture by the OH radical from the fuel-lean premixed-flame front. Since the secondary CO production through $C_2H_m$ decomposition has a relatively strong reaction intensity, an additional heat-release branch appears and the resulting heat-release profile can no longer be seen as a tribrachial structure.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.25
no.12
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pp.1793-1801
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2001
A study of low NOx atomizer was carried out to reduce nitrogen oxides(NOx) in a liquid fuel burner flame. The basic concept of NOx reduction in this atomizer is the fuel 2-staging combustion which is generated by a single atomizer forming two different stoichiometric flames. Two orifices swirl atomizer was selected and modified to realize this concept, and it was tested to obtain the design process of low NOx atomizer. These experiments were achieved to find out the relationship between the injection pressures and the flow rate, spray angle and drop size of swirl atomizer as well as to confirm the NOx reduction concept in real plant(power boiler). In comparison between experimental and theoretical results, the correct discharge coefficient and spray angle were obtained. In real burning test, NOx reduction rate was reached to above 27% of the case using conventional swirl atomizer.
A two-dimensional direct numerical simulation is performed to investigate the flame structure of $CH_4/N_2-Air$ counterflow nonpremixed flame interacting with a single vortex. The detailed transport properties and a modified 16-step augmented reduced mechanism based on Miller and Bowman#s detailed reaction mechanism are adopted in this calculation. To quantify the strain on flame induced by a vortex, a scalar dissipation rate (SDR) is introduced. The results show that fuel-side and air-side vortex cause an unsteady extinction. In this case, the flame interacting with a vortex is extinguished at much larger SDR than steady flame. It is also found that air-side vortex extinguishes a flame more rapidly than fuel-side vortex. The unsteady effect induced by flame-vortex interaction does not lead to a transient OH overshoot of the maximum steady concentration observed in experiment, while $HO_2$ radical increases more than the maximum steady concentration with increasing SDR. In addition, it is seen that NO and $NO_2$ are not sensitive to the unsteady variation of SDR.
Partial quenching structure of diffusion flames in a turbulent mixing layer has been investigated by the method of flame hole dynamics in oder to develope a prediction model for the phenomenon of turbulent flame lift off. The present study is specifically aimed to remedy the shortcoming of the stiff transition of the conditioned partial burning probability across the crossover condition by employing the level-set method which enables us to include the effect of finite flame edge propagation speed. In light of the level-set simulation results with two models for the edge propagation speed, the stabilizing conditions for turbulent lifted flame are suggested. The flame hole dynamics combined with the level-set method yields a temporally evolving turbulent extinction process and its partial quenching characteristics is compared with the results of the previous model employing the flame-hole random walk mapping based on three critical scalar dissipation rates. The probability to encounter reacting state, conditioned with scalar dissipation rate, demonstrated that the conditional probability has a rather gradual transition across the crossover scalar dissipation rate. Such a smooth transition is attributed to the finite response of the flame edge propagation.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2010.11a
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pp.85-88
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2010
This study has been mainly motivated to numerically model the supercritical mixing and combustion processes encountered in the liquid propellant rocket engines. In the present approach, turbulence is represented by the extended $k-{\varepsilon}$ turbulence model. To account for the real fluid effects, the propellant mixture properties are calculated by using SRK (Souve-Redlich-Kwong) equation of state. In order to realistically represent the turbulence-chemistry interaction in the turbulent nonpremixed flames, the flamelet approach based on the real fluid flamelet library has been adopted. Based on numerical results, the detailed discussions are made for the real fluid effects and the precise structure of gaseous methane/liquid oxygen coaxial jet flame.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.32
no.3
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pp.224-230
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2008
In this article, $TiO_2$ nanoparticles were synthesized by using $O_2$-enriched coflow, hydrogen, diffusion flames. We investigated the thermal stability of the flame-synthesized $TiO_2$ nanoparticles by examining the crystalline structures of the nanoparticles. Also, the results were compared with those of commercial P-25 nanoparticles. $TiO_2$ nanoparticles, which were spherical with diameters approximately ranging from 30 to 60nm, were synthesized. From the XRD analyses, about 96wt% of the synthesized nanoparticles were anatase-phase. After the heat-treatment at $800^{\circ}C$ for 30 minutes, the synthesized $TiO_2$ nanoparticles showed no significant changes of their shapes and crystalline phases. On the other hand, most of the commercial particles sintered with each other and changed to the rutile-phase. Based on the result of XRD analysis it is believed that the flame-synthesized $TiO_2$ nanoparticles have higher thermal stability at $800^{\circ}C$ than the commercial particles.
The effects of carbon dioxide addition to oxygen have been investigated with swirl-stabilized premixed methane flame in a laboratory-scale pre-mixed combustor. The methane fuel and oxydant mixture gas ($CO_2$ and $O_2$) were mixed in a pre-mixer and introduced to the combustor through different degrees of swirl vanes. The flame characteristics were examined for different amount of carbon dioxide addition to the methane fuel and different swirl strengths. The effects of carbon dioxide addition and swirl intensity on the combustion characteristics of pre-mixed methane flames were examined using chemiluminescence techniques to provide information about flow field. The results show that the flame area increases at upstream of reaction zone because of increase in recirculation flow for increase in swirl intensity. The flame area is also increased at the downstream zone by recirculation flow because of increase in swirl intensity which results in higher centrifugal force. The OH and CH radical intensity of reaction zone decrease with carbon dioxide addition because the carbon dioxide plays a role of dilution gas in the reaction zone.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.5
no.4
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pp.83-93
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2001
A swirler with turbulence generator is designed and manufactured for generating many small-scale eddies in the combustor which contribute to enhancing mixing effect between fuel and air. The method results in not only the disadvantage of pressure loss but also the advantage of promoting combustion and reducing NOx. For the purpose of the study, four kinds of swirler with different turbulence generator area (0%, 3%, 7%, and 12% of reducing flow area) are designed to confirm the effect of mixing according the variation in the area of the turbulence generator. The mixing of combustor in the radial direction is significantly improved and the distributions of flames and temperature are well distributed throughout the cross section of a combustor as area of swirl generator is increased.
To evaluate the effect of lobed structure on pollutant emission, an experimental study examines NOx and CO emissions associated with four burner geometries, such as a conventional circular burner and three lobed ones. Rapid mixing allowed by the lobed burner to produce lean premixed flames, with narrower flame stability diagram than for the conventional circular one. Conventional circular burner of wide and uniform burner rim has an advantage of flame stabilization. Correlation on fuel discharge velocity for flame blowout should be included a variable related to the wall effect of the burner. NOx emission reduces by about 5% at the burner with lobed structure in fuel discharge side compared to conventional circular one. This is due to lower flame temperatures through flame elongation and increased radiative heat losses, caused by partially luminous flame in flame front. Meanwhile, at the burner with lobed structure in air discharge side and both fuel and air discharge sides, NOx emission somewhat increases with reduced radiative heat losses in spite of flame elongation. Therefore, the rapid mixing by lobed structure does not always have an advantage on NOx reduction.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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