Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.16
no.6
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pp.32-40
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2012
For predicting eigenfrequency and initial growth rate of combustion instabilities in lean premixed gas turbine combustor, linear thermoacoustic analysis model was developed in the current paper. A model combustor was selected for the model validation, which has well-defined inlet and outlet conditions and a relatively simple geometry, compared to the combustor in the previous works. Analytical linear equations for thermoacoustic waves were derived for a given combustion system. It was found that the prediction results showed a good agreement with the measurements, even though there was underestimation for instability frequencies. This underestimation was more obvious for a longer flame (i.e. wider temperature distribution) than for a shorter flame.
Combustion instability is a major issue in design and maintenance of gas turbine combustors for efficient operation with low emissions. With the thermoacoustic view point the instability is induced by the interaction of the unsteady heat release of the combustion process and the change in the acoustic pressure in the combustion chamber. In an effort to study the combustion dynamics of gas turbine combustors, Morgans et al (2014) have developed OSCILOS (open source combustion instability low order simulator) code and it is currently available online. In this study the code has been utilized to predict the combustion instability of a reported case for lean premixed gas turbine combustion, and then its prediction results have been compared with the corresponding experimental data. It turned out that both the predicted and the experimental combustion instability results agree well. Further the effects of some typical inlet acoustic boundary conditions on the prediction have been investigated briefly. It is believed that the validity and effectiveness of the open source code is reconfirmed through this benchmark test.
An experimental study of the effect of operating conditions on the behavior of a lean premixed laboratory combustor operating on natural gas has been conducted. Measurements were made characterizing the pressure fluctuations in the combustor and the flame structure over a range of inlet temperatures, inlet velocities and equivalence ratios. In addition the fuel distribution at the inlet to the combustor was varied such that it was an independent parameter in the experiment. Inlet temperature, inlet velocity and equivalence ratio were all found to have an effect on the stability characteristics of the combustor. The nature of this effect, however, depended on the fuel distribution. For example, with one fuel distribution the combustor would become unstable when the temperature was increased, whereas with a different fuel distribution the combustor would become unstable when the temperature was decreased. Similarly, the operating conditions had an effect on the flame structure. For example the intensity-weighted center of mass of the flame was found to move closer to the center body as either the temperature or equivalence ratio increased. It was interesting and somewhat surprising to note, however, that as the location of the center of mass changed with operating conditions it did so by moving along a line of constant flame angle.
This paper described an experimental investigations of combustion instability mode in a lean premixed dual swirl combustor for micro-gasturbine system. When such the instability occurs, a strong coupling between pressure oscillations and unsteady heat release excites a self-sustained acoustic wave which results in a loud, annoyed sound and may also lead a structural damage to the combustion chamber. The detailed period of flame behavior and heat release in combustion instability mode have been examined with high speed OH and CH-PLIF system and $CH^*$ chemiluminescence measurement, flame tomography with operated at 10 kHz and 6 kHz each. Experiment results suggest that unstable flame behavior has a specific frequency with 200 Hz and this frequency is accords with about 1/2 sub-harmonic of combustor resonance frequency, not fundamental frequency. This is very interesting phenomenon that have not reported yet from other previous works. Therefore, when a thermo-acoustic instability with Rayleigh criterion occurs, the fact that the period of heat release and flame behavior are different each other was proposed for the first time through this work.
Jo, Sang-Mu;Jeon, Jae-Hyeuk;Jang, In-Sun;Jeong, Sung-Sik;Park, Kweon-Ha
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.27
no.9
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pp.1309-1316
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2003
A premixed-compression-ignition engine has been studied to improve the efficiency and to decrease exhaust emissions. However those systems have some difficulties for controlling combustion process. Radical is an activated chemical species formed by a chemical chain reaction between reactant and product. When the chain reactions occur, the energy bond of species is broken easily by the released radicals. The combustion chamber of the premixed-compression-ingnition engine is consist of a main chamber with lean premixture and a subchamber with rich premixture. Those are connected by narrow cylinderical connections. With ignition start in the subchamber, many different kinds of radical is jetted into the main chamber. The premixed gas in main chamber is quickly burned up by the radical ignition in multi-pionts. In this paper, the combustion phenomena in a constant volume combustor having a radical injector are numerically analyzed. The some constants in the reaction rate equation are adjusted by the experimental results tested in the same geometrical chamber. The code is applied on the two combustors in a wide range of equivalence ratio. The results show that the burning time is much shorter in the combustor having radical injector.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.21
no.4
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pp.44-51
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2017
An experimental results on the dynamic characteristics of hydrocarbon/air premixed flames with ultrasonic standing waves are presented and compared. Images of the propagating flames were acquired by using a high-speed camera, and the flame behavior of methane/air and propane/air premixed flame were closely scrutinized through the image post-processing. At the fuel-lean conditions, the flame propagation velocity increased due to the intervention of the ultrasonic standing wave and vice versa at the fuel-rich conditions.
To investigate cell formation in hydrocarbon/hydrogen/carbon monoxide-air premixed flames, the outward propagation and cellular instabilities were experimentally studied in a constant pressure combustion chamber at room temperature and elevated pressures. Unstretched laminar burning velocities and Markstein lengths of the mixtures were obtained by analyzing high-speed schlieren images. In this study, hydrodynamic and diffusional- thermal instabilities were evaluated to examine their effects on flame instabilities. The experimentally-measured unstretched laminar burning velocities were compared to numerical predictions using the PREMIX code. Effective Lewis numbers of premixed flames with methane addition decreased for all of the cases; meanwhile, effective Lewis numbers with propane addition increased for lean and stoichiometric conditions and increased for rich and stoichiometric cases for hydrogen-enriched flames. With the addition of propane, the propensity for cell formation significantly was diminished, whereas cellular instabilities for hydrogen-enriched flames were promoted. However, similar behavior of cellularity was obtained with the addition of methane to the reactant mixtures.
Numerical study was conducted to clarify effects of added $CO_2$ for the downstream interaction between $H_2$-air and CO-air premixed flames in counterflow configuration. The reaction mechanism adopted was Davis model which had been known to be well in agreement with reliable experimental data. The results showed that both lean and rich flammable limits were reduced. The most discernible difference between the two with and without having $CO_2$ addition into $H_2$-air and CO-air premixtures was two flammable islands for the former and one island for the latter at high strain flame conditions. Even a small amount of $H_2$, in which $H_2$-air premixed flame cannot be sustained by itself, participates in CO oxidation, thereby altering the CO-oxidation reaction path from the main reaction route $CO+O_2{\rightarrow}CO_2+O$ with a very long chemical time in CO-air flame to the (H, O, OH)-related reaction routes including $CO+OH{\rightarrow}CO_2+H$ with relatively short chemical times. This intrinsic nature alters flame stability maps appreciably. The results also showed that chemical effects of added $CO_2$ suppressed flame stabilization. Particularly this phenomenon was appreciable at flame conditions which lean and rich extinction boundary was merged. The detailed discussion of chemical effects of added $CO_2$ was addressed to the present downstream interaction.
Park, Jeong;Kwon, Oh Boong;Kim, Tae Hyung;Park, Jong Ho
Journal of the Korean Society of Combustion
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v.20
no.1
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pp.6-14
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2015
Numerical study was conducted to clarify effects of added $H_2O$ for the downstream interaction between $H_2$-air and CO-air premixed flames in counterflow configuration. The reaction mechanism adopted was Davis model which had been known to be well in agreement with reliable experimental data. The results showed that both lean and rich flammable limits were reduced in increase of strain rate. The most discernible difference between the two with and without having $H_2O$ and/or $H_2$ addition into $H_2$-air and CO-air premixtures was two flammable islands for the former and one island for the latter at high strain flame conditions. Even a small amount of $H_2$, in which $H_2$-air premixed flame cannot be sustained by itself, participates in CO oxidation, thereby altering the CO-oxidation reaction path from the main reaction route $CO+O_2{\rightarrow}CO_2+O$ with a very long chemical time in CO-air flame to the OH-related reaction routes including $CO+OH{\rightarrow}CO_2+H$ with very short chemical times. This intrinsic nature alters flame stability maps appreciably. The results also showed that chemical effects of added $H_2O$ help lean flames at relatively low strain rate be sustained, and suppress the flame stabilization at high strain rates.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.32
no.1
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pp.7-14
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2008
It has been reported that partially premixed interacting flame could be sustained till sonic exit velocities if eight small nozzles are arranged optimally and one nozzle on the center is fed small amount of fuel. But the equivalence ratios in this experiments were 20-60. In this research, experiments were conducted to know the effects of lean-rich staging in multiple jet flames on the blowout velocity. The fuel mole tractions in the fuel-air mixture, the nozzle exit velocity and the diameter between adjacent nozzles were alternatively changed. When the lower mole fraction fuel was fed to the nozzles located near the center and small amount of fuel to the center nozzle, flame was not extinguished even at the nozzle exit velocity of 200m/s. Also the interacting flame could be sustained till that velocity when four small size nozzles for lean mixture were located within the arrangement of four nozzles for rich mixture and configured optimally.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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