Flame stabilization characteristics of premixed flames in narrow annular coaxial tubes (NACT) were investigated experimentally. The NACT burner was proposed as a model of a cylindrical refractory burner, and it was made of quartz tubes. Flame stabilization conditions affected by the characteristic length of the burner was investigated with the variation of the equivalence ratio and the flow rates. Flame behaviors in narrow spaces could be directly observed. Conclusively, more wide flame stabilization conditions could be obtained at the case of the decreased channel scale. A flame instability, such as combustion noise was detected concerned with the flame oscillation observed at the surface of multi channel stage. Some flame propagation characteristics had complicated tendencies that may exist in practical porous-media combustors. Therefore, this NACT burner can be a basic configuration for the development of flame stabilization model in porous media combustor, and it will enhance our understanding about the behavior of flames in meso-scale combustion spaces.
Flame stabilization characteristics of premixed flames in an annular coaxial 5-tubes burner (AC5TB) were investigated experimentally. The AC5TB was made of five quartz tubes, and the flame stabilization conditions in that burner were investigated with the variation of equivalence ratio and the flow velocities. Flame behaviors inside of narrow annular tubes could be observed directly. Overall flame stabilization conditions were similar to that of the previous study, while the flame behaviors and structures were different mainly due to the controlled uniform distribution of the velocities in channels. Flame flashback conditions were thought to be governed by the competition between heat release rate, heat loss and heat recirculation in each channel. Stationary flames at a fixed location were compared in its velocity distribution and burned gas temperature across the channel. This AC5TB can be a basic configuration for the development of flame stabilization model of porous media combustors, and it will help understand about the real behavior of flames in meso-scale combustion spaces.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.25
no.8
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pp.1087-1096
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2001
The dynamic structures of unsteady CH$_4$/Air jet diffusion flame with a flame-vortex interaction were numerically investigated. A timed-dependent, axisymmetric computational model and a low mach number approximation were employed in the present calculation. A two-step global reaction mechanism which considers 6 species, was used to calculate the reaction rates. The predicted results including the gravitational effect show that the large outer vortices and the small inner vortices can be well simulated without any additional disturbances near nozzle tip. It was found that the temperature and species concentrations have deviated values even for the same mixture fraction in the flame-vortex interaction region. It was also shown that the flame surface is not deformed by the inner vortex in upstream region, while in downstream region, the flame surface is compressed or stretched by the outer vortex roll-up. The present unsteady jet flame configuration accompanying a flame-vortex interaction is expected to give good implications for the unsteady structures of turbulent flames.
The Blow-off characteristics of LPG/air lean pre-mixed flames were experimentally investigated using a double and a multiple concentric coflow burners. Experiments were conducted to understand the effects of recirculation motion, thermal interaction between flames, and stratified flame configuration. Here, the stratified premixed flame is a "new concept" of a flame that sequentially contains fuel rich, stoichiometric, and fuel lean reaction zones in a flame. The blow-off from a lean premixed flame was significantly suppressed with recirculation motion. The recirculation motion by itself, however, was not sufficient to prevent the blow-off when the equivalence ratio became low. The existence of a inner premixed flame could also help to prevent the blow-off of lean premixed flame; however, the blow-off suppression effect was rather diminished by weakened recirculation motion with the presence of inner flame. The inner flame could be separated from an outer flame on a multiple concentric coflow burner, causing recirculation motion as well as thermal interaction between flames to become effective; therefore, the blow-off was further suppressed. The lean premixed flame could be stabilized with a fuel rich premixed flames that was produced with the supply of fuel through an inner nozzle. The penetration of lean premixed gas from outside into the fuel stream produced a lifted rich premixed flame. Chemiluminescence images of OH, CH, and $C_2$ radicals confirmed the structure of a stratified premixed flame. The stable premixed flames could be obtained at the very fuel lean condition by applying the stratified premixed flame concept.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.27
no.4
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pp.440-446
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2003
Steady-state structure and acoustic pressure responses of GH$_2$-LOx diffusion flames in stagnation-point flow configuration have been studied numerically with a detailed chemistry to investigate the acoustic instabilities. The Rayleigh criterion is adopted to judge the instability of the GH$_2$-LOx flames from amplification and attenuation responses at various acoustic pressure oscillation conditions for near-equilibrium to near-extinction regimes. Steady state flame structure showed that the chain branching zone is embedded in surrounding two recombination zones. The acoustic responses of GH$_2$-LOx flame showed that the responses in near-extinction regime always have amplification effect regardless of realistic acoustic frequency. That is, GH$_2$-LOx flame near-extinction is much sensitive to pressure perturbation because of the strong effect of a finite-chemistry.
Mittal, Garima;Dhand, Vivek;Rhee, Kyong Yop;Kim, Hyeon-Ju;Jung, Dong Ho
Carbon letters
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v.16
no.1
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pp.1-10
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2015
In recent years, flame synthesis has absorbed a great deal of attention as a combustion method for the production of metal oxide nanoparticles, carbon nanotubes, and other related carbon nanostructures, over the existing conventional methods. Flame synthesis is an energy-efficient, scalable, cost-effective, rapid and continuous process, where flame provides the necessary chemical species for the nucleation of carbon structures (feed stock or precursor) and the energy for the production of carbon nanostructures. The production yield can be optimized by altering various parameters such as fuel profile, equivalence ratio, catalyst chemistry and structure, burner configuration and residence time. In the present report, diffusion and premixed flame synthesis methods are reviewed to develop a better understanding of factors affecting the morphology, positioning, purity, uniformity and scalability for the development of carbon nanotubes along with their correlated carbonaceous derivative nanostructures.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.32
no.5
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pp.351-358
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2008
Extinction characteristics of hydrogen-air diffusion flames at various pressures are investigated numerically by adopting counterflow flame configuration as a model flamelet. Especially, effect of radiative heat loss on flame extinction is emphasized. Only gas-phase radiation is considered here and it is assumed that $H_2O$ is the only radiating species. Radiation term depends on flame thickness, temperature, $H_2O$ concentration, and pressure. From the calculated flame structures at various pressures, flame thickness decreases with pressure, but its gradient decreases at high pressure. Flame temperature and mole fraction of $H_2O$ increase slightly with pressure. Accordingly, as pressure increases, radiative heat loss becomes dominant. When radiative heat loss is considered, radiation-induced extinction is observed at low strain rate in addition to transport-induced extinction. As pressure increases, flammable region, where flame is sustained, shifts to the high-temperature region and then, shrunk to the point on the coordinate plane of flame temperature and strain rate. The present numerical results show that radiative heat loss can reduce the operating range of a combustor significantly.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.21
no.9
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pp.1218-1229
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1997
The diffusional-thermal instability of diffusion flames in the premixed-flame regime is studied in a constant-density two-dimensional counterflow diffusion-flame configuration, to investigate the instability mechanism by which periodic wrinkling, travelling or pulsating of the reaction sheet can occur. Attention is focused on flames with small departures of the Lewis number from unity and with small values of the stoichiometric mixture fraction, so that the premixed-flame regime can be employed for activation-energy asymptotics. Cellular patterns will occur near quasisteady extinction when the Lewis number of the more completely consumed reactant is less than a critical value( ~ =0.7). Parametric studies for the instability onset conditions show that flames with smaller values of the Lewis number and stoichiometric mixture fraction and with larger values of the Zel'dovich number tend to be more unstable. For Lewis number greater than unity, near-extinction flame are found to exhibit either travelling instability or pulsating instability.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.24
no.12
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pp.1652-1661
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2000
A visualization study using the schlieren method is adopted in an optically-accessible, cylindrical constant volume combustion chamber to identify the mechanism of ignition energy and ignition system interaction in spark ignited, lean gasoline-air mixture. In order to research the effects of ignition system on flame propagation, two kinds of ignition system are designed, and several kinds of spark plugs are tested and evaluated. To control the discharge energy, the dwell time is varied. The initial flame development is quantified in terms of 2-D images which provides information about the projected flame area and development velocity as a function of ignition system and discharge energy. The results show that high ignition energy and extended spark plug gap can shorten the combustion duration in lean mixtures. The material, diameter and configuration of electrodes the flame development by changing the transfer efficiency from electrical energy to chemical energy and discharge energy. However these factors do not affect of flame development as much a ignition energy or extended gap does.
Self-excited noise generation from laminar flames in thin annular jets of methane/air premixture has been investigated experimentally. Various flames were observed in this flow configuration, including conical shape flames, ring shape flames, steady crown shape flames, and oscillating crown shape flames. Self-excited noise with the total sound pressure level of about 70dB was generated from the oscillating crown shape flames for the equivalence ratio larger than 0.95. Sound pressure and $CH^*$ chemiluminescence were measured by using a microphone and a photomultiplier tube. The frequency of generated noise was measured as functions of equivalence ratio and premixture velocity. A frequency doubling phenomena have also been observed. The flame shape during flame oscillation was reconfirmed by a synchronized PIV experiment. The velocity and pressure field were obtained from PIV. The minimum pressure was formed near the edge of flame representing circulation. By comparing the results of sound pressure, flame luminosity and PIV, the noise source can be attributed to the flame front fluctuation near the edge of the oscillating crown-shape flames.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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