Air-assisted atomizer flames are investigated numerically to study spray structures in nonburning and burning conditions based on experimental data. A PDA is used to measure droplet size, velocity, and number density for both nonburning and burning spray. Computations utilize time-averaged gas-phase equations and $k-{\varepsilon}$ turbulence model for simplicity. The major features of the liquid-phase model are that a SSF approach is used to represent the effect of gas-phase turbulence on droplet trajectories and vaporization, an infinite-diffusion model is employed to represent the transient liquid-phase process. Computation and experiment results show that the droplet acceleration and evaporation proceed quickly in near the atomizer, characterizing high number densities and a strong convective effect. The primary combustion zone, however, is dorminated by the gas phase reaction and exhibits a sheath combustion.
Diode laser sensor is conducted to measure the gas temperature in the liquid-gas 2-phase counter flow flame. C$\_$10/H/ sub 22/ and city gas were used as liquid fuel and gas fuel, respectively. Two vibrational overtones of H$_2$O were selected and measurements were carried out in the spray flame region stabilized the above gaseous premixed flame. The path-averaged temperature measurement using diode laser absorption method succeeded in the liquid fuel combustion environment regardless of droplets of wide range diameter. The path-averaged temperature measured in the post flame of liquid-gas 2-phase counter flow flame showed qualitative reliable results. The successful demonstration of time series temperature measurement in the liquid-gas 2-phase counter flow flame gave us motivation of trying to establish the effective control system in practical combustion system. These results demonstrated the ability of real-time feedback from combustor inside using the non-intrusive measurement as well as the possibility of application to practical combustion system. Failure case due to influence of spray flame was also discussed.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2004.03a
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pp.186-191
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2004
The reactive flowfield of the transverse injecting combustor has been studied using Euler-Lagrange method in order to develop an efficient solution procedure for the understanding of liquid spray combustion in the transverse injecting combustor which has been widely used in ramjets and turbojet afterburners. The unsteady two-dimensional gas-phase equations have been represented in Eulerian coordinates and the liquid-phase equations have been formulated in Lagrangian coordinates. The gas-phase equations based on the conservation of mass, momentum, and energy have been supplemented by combustion. The vaporization model takes into account the transient effects associated with the droplet heating and the liquid-phase internal circulation. The droplet trajectories have been determined by the integration of the Lagrangian equation in the flow field obtained from the separate calculation without considering the iterative effect between liquid and gas phases. The reported droplet trajectories had been found to deviate from the initial conical path toward the flow direction in the very end of its lifetime when the droplet size had become small due to evaporation. The integration scheme has been based on the TEACH algorithm for gas-phase equation, the second order Runge-Kutta method for liquid-phase equations and the linear interpolation between the two coordinate systems. The calculation results has shown that the characteristics of the droplet penetration and recirculation have been strongly influenced by the interaction between gas and liquid phases in such a way that most of the vaporization process has been confined to the wake region of the injector, thereby improving the flame stabilization properties of the flowfield.
Experimental investigations were carried out in an atmospheric pressure, optically accessible and laboratory-scale dump combustor operating on natural gas. The objective of this study is to obtain the phase-resolved gas temperatures at different phases of the oscillating pressure cycle during unstable combustion. CARS temperature measurements were made at several spatial locations under lean premixed conditions to get the information on temperature field within the combustor. Also the effect of incomplete fuel-air mixing on phase-resolved temperature fluctuation was investigated. Results including phase-resolved averaged temperature, normalized standard deviation and temperature probability distribution functions (PDFs) were provided in this paper. Temperature PDFs give an insight on the flame behavior. And strong correlation between phase-resolved temperature profile and pressure cycle was observed. Results of the phase-resolved high temperature give an additional information on the perturbation of equivalence ratio at flame as well as the effect of mixing quality on NOx emission characteristics.
Lee, Min Chul;Park, Seik;Kim, Sungchul;Yoon, Jisoo;Joo, Sungpeel;Yoon, Youngbin
한국연소학회:학술대회논문집
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2013.06a
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pp.109-110
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2013
This paper describes gas turbine combustion characteristics of synthetic natural gas which contains a small amount hydrogen content. By conducting ambient pressure high temperature combustion test at gas turbine relevant combustor geometry, the combustion characteristics such as combustion instability, NOx and CO emission, temperatures at turbine inlet, nozzle and dump plane, and flame structure from high speed OH chemiluminescence images were investigated when changing hydrogen content from zero to 5%. From the results, qualitative and quantitative relationships are derived between key aspects of combustion performance, notably NOx/CO emission and combustion instability. Natural gas containing hydrogen up to 5% does not show significant difference in view of all combustion characteristics except combustion instability. Only up to 1% hydrogen addition could not change the pressure fluctuation and phase gas between fluctuations of pressure and heat release. From the results, it can be concluded that synthetic national gas which contains 1% of hydrogen can be guaranteed for the stable and reliable operation of natural gas firing gas turbine.
The purpose of this study is to assess approaches to modeling coal gasification and combustion in general purpose CFD codes. Coal gasification and combustion involve complex multiphase flows and chemical reactions with strong influences of turbulence and radiation. CFD codes would treat coal particles as a discrete phase and gas species are considered as a continuous phase. An approach to modeling coal reaction in $FLUENT^{(R)}$, selected in this study as a typical commercial CFD code, was evaluated including its devolatilization, gas phase reactions, and char oxidation, turbulence, and radiation submodels. CFD studies in the literature were reviewed to show the uncertainties and limitations of the results. Therefore, the CFD analysis gives useful information, but the results should be carefully interpreted based on understandings on the uncertainties associated with the modelings of coal gasification and combustion.
Flameless combustion, well known as MILD (Moderate Intensity Low oxygen Dilution) combustion or CDC(Colorless Distributed Combustion), is considered as one of the promising technology for achieving low NOx and CO emissions with improving thermal efficiency of combustion system. In this paper, the effects of exhaust gas dilution rate on formation of flameless combustion of liquid fuel were analyzed using three-dimensional numerical simulations for application of gas turbine combustor with high power density. Results show that the local high temperature region was decreased and flame temperature was spatially uniformly distributed due to higher dilution rate of burnt gas as similar pattern of gas phase flameless combustion. But the evaporation and mixing process of liquid fuel are found to be another important factors for formation of flameless combustion.
Computational fluid dynamics(CFD) analysis of the thermal flow in a municipal solid waste(MSW) incinerator combustion chamber provides crucial insight on the incinerator performance. However, the combustion of the waste bed is typically treated as an arbitrarily selected profile of combustion gas. A strategy for simultaneous simulation of the waste bed combustion and the thermal flow fields in the furnace chamber was introduced to substitute the simple inlet condition. A waste bed combustion model was constructed to predict the progress of combustion in the bed and corresponding generation of the gas phase species, which assumes the moving bed as a packed bed of homogeneous fuel particles. When coupled with CFD, it provides boundary conditions such as gas temperature and species distribution over the grate, and receives radiative heat flux from CFD. The combined simulation successfully predicted the physical processes of the waste bed combustion and its interaction with the flow fields for various design and operating parameters, which was limited in the previous CFD simulations.
This paper presents the methods and examples of proper orthogonal decomposition analysis for the understanding of high speed flame movements induced by combustion instabilities in a gas turbine. Phase resolved high-speed flame images were obtained from the combustion test of an industrial gas turbine at the rate of 2000 frame per second, and were utilized for the proper orthogonal decomposition. This analyzing method provided useful information regarding combustion instability characteristics bringing alleviation idea of the instabilities, such as principle modes of flame movement and their energy fractions which mean by which modes and how much the flame coherent structures are composed.
Kim, Ki-Hong;Kim, Hak-Jun;Kim, Hyoung-Won;Yoh, Jai-Ick
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2008.11a
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pp.60-63
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2008
Phase change in combustion of energetic materials happens inevitably. The product gas generated by combustion is at extreme temperature and pressure state. The interaction between a gas and metal generates high strain rate deformation and complex wave phenomena. In order to perform combustion simulation containing phase changes, we develop an elegant model for phase change and provide a proof of performance via vapor explosion example.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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