Kim, Seung-Gon;Park, Joeng;Kim, Tea-Kwon;Lee, Kee-Man
한국연소학회:학술대회논문집
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2003.05a
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pp.65-73
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2003
An experimental study on flame lift-off characteristics of propane jet flame highly diluted with nitrogen has been conducted introducing acoustic forcing with a tube resonant frequency. A flame stability curve is attained according to forcing strength and nozzle exit velocity for $N_2$ diluted flames. Flame lift-off behavior with forcing strength and nozzle exit velocity is globally categorized into three; a well premixed behavior caused by a collapsible mixing for large forcing strength, a coexistent behavior of well-premixed and edge flames interacting with well-organized inner fuel vortices for moderate forcing strengths, and edge flame behavior for small forcing strengths. Special focus is concentrated on the coexistent behavior of the flame base in lifted flame since this may give a hint to a possibility which the flame base behaves like a well-mixed premixed flame in highly turbulent lifted flames. It is also shown that the acoustic forcing to self-pulsating laminar lifted flame affects flame lift-off behavior considerably which is closely related to downstream flow velocity, mixture strength, effective fuel Lewis number, and flame stretch.
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.
The present study deals with the unique characteristics of hydrogen jet diffusion flames, such as split flames and reignition phenomenon. The split flames are composed of a small flamelet on the nozzle rim and a lifted main flame at downstream. When mass flow rates of fuel reach a critical point, a small-sized flamelet is found to remain in the vicinity of the nozzle exit and the flame reignition subsequent to blowout of main flame occurs repeatedly. In this study, the non-luminous hydrogen jet diffusion flames are visualized by using schlieren technique in order to analyze the combustion characteristics of hydrogen jet diffusion flames with focus on the flame reignition phenomenon.
The characteristics of flame dynamics occurring near bluff body was experimentally investigated in a model combustor with V-gutter bluff body. Flashback occurs due to the change of pressure gradient in the combustor, and flashback distance depends on equivalent ratio. Unstable flames can be classified into three types depending on the flashback distance and structure. Re-stabilization takes place as the flame moves downstream. This process is supported by a strong vortex structure behind bluff body.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.27
no.8
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pp.1089-1096
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2003
An experiment was performed to investigate lift-off, blow-off and combustion characteristics of a lifted coaxial diffusion flame according to fuel jet and air velocity. A jet diffusion flame which is attached on the nozzle rim begins to be lifted with increase of air velocity, and finally becomes blow-off at higher air velocity. In experiment, blow-off limit increased with increase of fuel jet velocity, however lift-off occurred at lower air velocity. Flame structure and combustion characteristics were examined by schlieren photos, temperature distributions and emission concentration distributions. Flame temperature became higher at midstream and its RMS became larger at up and downstream with increase of air velocity. Local NO concentration decreased but $CO_2$concentration increased with increase of air velocity, which shows combustion reaction becomes close to be stoichiometric at higher air velocity in spite of lift-off.
Dynamic structures of unsteady $CH_4$/Air jet diffusion flames with flame-vortex interaction were numerically investigated. A time-dependent, axisymmetric computational model was adopted for this calculation. Two step global reaction mechanism which considers 6 species, was used to calculate the reaction rates. The predicted results including gravitational effect show that the large outer vortices and the small inner vortex street can be well simulated without any additional disturbances in the downstream of nozzle tip. It was found that the temperature and species concentrations had various values for the same mixture fraction in flame-vortex interaction region. This unsteady jet flame configuration accompanying flame-vortex interaction is expected to give good implications for the structure of turbulent flames.
Numerical simulations and experiments are performed to investigate the flame development inside tubes with different diameters at the same burst pressure. It is shown that generation of a stable flame play a role in self-ignition. In the smaller tube, multi-dimensional shock interaction is occurred near the diaphragm. After flame of a cross-section is developed, stable flame remains for a moment then it grows having enough energy to overcome the sudden release at the exit. Whereas shock interaction generate complex flow further downstream for a larger tube, it results in stretched flame. This dispersed flame has lower average temperature which makes it easily extinguished.
The detachment stability characteristics of syngas $H_2$/CO jet attached flames were studied. The flame stability was observed while varying the syngas fuel composition, coaxial nozzle diameter and fuel nozzle rim thickness. The detachment stability limit of the syngas single jet flame was found to decrease with increasing mole fraction of carbon monoxide in the fuel. In hydrogen jet flames with coaxial air, the flame detachment stability was found to be independent of the coaxial nozzle diameter. However, velocities of appearance of liftoff and blowout velocities of lifted flames have dependence. At lower fuel velocity range, the critical coaxial air velocity leading to flame detachment increases with increasing fuel jet velocity, whereas at higher fuel velocity range, it decreases. This increasing-decreasing non-monotonic trend appears for all $H_2$/CO syngas compositions (50/50~100/0% $H_2$/CO). To qualitatively understand the flame behavior near the nozzle rim, $OH^*$ chemiluminescence imaging was performed near the detachment limit conditions. For all fuel compositions, local extinction on the rim is observed at lower fuel velocities(increasing stability region), while local flame extinction downstream of the rim is observed at higher fuel velocities(decreasing stability region). Maximum values of the non-monotonic trends appear to be identical when the fuel jet velocity is normalized by the critical fuel velocity obtained in the single jet cases.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.21
no.4
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pp.518-524
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1997
Experimental studies on combustion phenomena within a porous ceramic burner are reported. Main interest of the present work is to investigate fundamental flame behaviors and their effects on the burner operation. Due to high thermal capacity of the porous ceramic materials, the response of flame to burning condition changes is slow and thus to have a stabilized flame is quite difficult and takes much time. It is found that the temperature profile obtained at downstream of the flame zone is not much sensitive to the movement of flame and the speed of flame movement is less than 0.1 mm/sec for the conditions tested. With the premixed LPG/air flame imbedded within the porous ceramic burner, stable combustion regions and unstable combustion regions leading to blowoff or flashback phenomena are observed and mapped on flow velocity versus equivalence ratio diagram. For the development of burner operation technique which is more practical and safe, intermittent burning technique, where the fuel or/and air is supplied to the burner intermittently, is proposed as one of the flame control methods for the porous ceramic burner and tested in this study. Through the experiment, it is realized that the proposed method is acceptable in respect to burner performance and give much flexibility in the operation of porous ceramic burner.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.26
no.10
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pp.1348-1354
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2002
We investigate the flame behavior and spatial distribution of OH, PAHs and soot in a confined buoyant diffusion flame with decrease of the coflowing air flow rate. Direct photographs and Schlieren images represent that flame is Ally occupied by blue flame and becomes unstable, which is partially detached to the fuel nozzle tip in a near extinction flame under extremely reduced oxidizer condition. Laser induced fluorescence profiles clearly shows that OH is still generated in near-extinction flame, although intensity becomes weak with decreasing air flow rate. But soot scattering image cannot be seen any more in an oxidizer deficient ambience and simultaneously the PAHs are widely distributed downstream. These results are due to that a decrease of oxygen concentration in the combustion chamber leads to a temperature drop of flame, as a consequence, to a delay in soot growth and to a expanding of the PAHs, as soot precursors.
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