Turbulent nonpremixed $H_2$-air jet flames are numerically investigated using the joint PDF model. The reaction progress variable is derived by assuming the radicals 0, H, and OH to be in partial equilibrium and additional species $HO_2$ and $H_2O_2$ in steady state. The model is extended to npnadiabatic flame by introducing additional variable for the transport of enthalpy and radiative source term is calculated using a local, geometry independent model. In terms of flame structure and NO formation, the predicted results are favorably agreed with experimental data. The effects of nonequilibrium chemistry and radiative heat loss on the thermal NO formation are discussed in detail.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.29
no.12
s.243
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pp.1352-1359
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2005
Unsteady simulations were performed to investigate the flame structure and the dynamic behavior of a premixed flame exposed to the wall heat loss. A 3-step global reaction mechanism was adopted in this study. Simulations were performed for two tube combustors with inner diameters($d_i$) of 1mm and 4mm. The material of tube combustor was assumed to be a Silicon Nitride($Si_{3}N_4$). The heat loss from the outer tube wall was controlled by adjusting the amount of convective and radiative heat loss. A conical premixed flame could be stabilized inside a tube of $d_i=4mm$. The flame stability inside a tube of $d_i=4mm$ combustor was not much sensitive to the amount of heat loss. In case of a tube of $d_i=1mm$, an oscillating flame was observed in very low heat loss condition and a flame could not be sustained in realistic heat loss condition.
Emission characteristics of NOx and CO with heat loss under high efficiency combustion conditions of $CH_4$/Air prmixed flame were examined numerically using detailed-kinetic chemistry. The one-dimensional combustor length was fixed 5cm, and the equivalence ratio was varied from 0.75 to 0.95. To consider the effects of heat loss on NOx and CO formation, the radiative heat loss rate and combined heat loss rate of conductive and convective heat transfer are included. The following conclusions were drawn. In order to reduce the NOx and CO emission level simultaneously, the temperature of product gases must be reduced under 1,800K as soon as possible but kept over 1,300K during the residence time which is needed to converge CO to $CO_2$.
Inorganic oxide colloids dispersed in alcohol were applied to a stainless steel substrate to produce oxide coatings for the purpose of minimizing emissive thermal transfer. The microstructure, roughness, infrared emissive energy, and surface heat loss of the coated substrate were observed with a variation of the nano oxide sol and coating method. It was found that the indium tin oxide, antimony tin oxide, magnesium oxide, silica, titania sol coatings may reduce surface heat loss of the stainless steel at 300${\circ}C$. It was possible to suppress thermal oxidation of the substrate with the oxide sol coatings during an accelerated thermal durability test at 600${\circ}C$. The silica sol coating was most effective to suppress thermal oxidation at 600${\circ}C$, so that it is useful to prevent the increase of radiative surface heat loss as a heating element. Therefore, the inorganic oxide sol coatings may be applied to improve energy efficiency of the substrate as the heating element.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.37
no.1
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pp.95-98
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2013
Plate thermometers are used for measuring the radiative heat flux in high-temperature surroundings. The heat flux is calculated from the temperature measured at the back surface of the stainless steel surface of the meter. Heat fluxes from a Schmidt-Boelter gauge are measured as reference heat fluxes. A combined conductive coefficient is introduced to consider the heat loss to insulation, conduction through the stainless plate depth, and conduction from the non-uniform temperature of the plate of the plate thermometer. This coefficient is obtained using the repulsive particle swarm optimization.
Park, June-Sung;Kim, Hyun-Pyo;Park, Jeong;Kim, Jeong-Soo;Keel, Sang-In
한국연소학회:학술대회논문집
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2006.10a
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pp.65-72
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2006
Experiments in methane-air low strain rate counterflow diffusion flames diluted with nitrogen have been conducted to study the behavior of flame extinction and edge flame oscillation in which flame length is less than the burner diameter and thus lateral conduction heat loss in addition to radiative heat loss could be remarkable at low global strain rates. Critical mole fraction at flame extinction is examined with velocity ratio and global strain rate. Onset conditions of edge flame oscillation and flame oscillation modes are also provided with global strain rate and added nitrogen mole fraction to fuel stream (fuel Lewis number). It is seen that flame length is closely relevant to lateral heat loss, and this affects flame extinction and edge flame oscillation considerably. Edge flame oscillations in low strain rate flames are experimentally described well and are categorized into three: a growing oscillation mode, a decaying oscillation mode, and a harmonic oscillation mode. The regime of flame oscillation is also provided at low strain rate flames. Important contribution of lateral heat loss even to edge flame oscillation is clarified.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.19
no.11
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pp.2995-3002
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1995
The cooling problem of the hot internal pipe flow has been investigated. Simultaneous conduction, convection, and radiation were considered with azimuthally varying convective heat loss at the pipe wall. A complex, nonlinear integro-differential radiative transfer equation was solved by the discrete ordinates method (or called S$_{N}$ method). The energy equation was solved by control volume based finite difference technique. A parametric study was performed by varying the conduction-to-radiation parameter, optical thickness, and scattering albedo. The results have shown that initially the radiatively active medium could be more efficiently cooled down compared with the cases otherwise. But even for the case with dominant radiation, as the medium temperature was lowered, the contribution of conduction became to exceed that of radiation.n.
Heat losses from the receivers of a dish-type solar energy collecting system at the Korea Institute of Energy Research (KIER) are numerically investigated. It is assumed that a number of flat square mirrors are arranged on the parabolic dish structure to serve as a reflector. Two different types of receivers, which have conical and dome shapes, are considered for the system, and several modes of heat losses from the receivers are thoroughly studied. Using the Stine and McDonald model convective heat loss from a receiver is estimated. The Net Radiation Method is used to calculate the radiation heat transfer rate by emission from the inside surface of the cavity receiver to the environment. The Monte-Carlo Method is used to predict the radiation heat transfer rate from the reflector to the receiver. Tracing the photons generated, the reflection loss from the receivers can be estimated. The radiative heat flux distribution produced by a multifaceted parabolic concentrator on the focal plane is estimated using the cone optics method. Also, the solar radiation spillage around the aperture is calculated. Based on the results of the analysis, the performances of two different receivers with multifaceted parabolic solar energy collectors are evaluated.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.30
no.9
s.252
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pp.905-912
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2006
Experiments in low strain rate methane-air counterflow diffusion flames diluted with $CO_2$ have been conducted to investigate the flame extinction behavior and edge flame oscillation in which flame length is less than the burner diameter and thus lateral conductive heat loss in addition to radiative loss could be remarkable at low global strain rates. The critical mole fraction at flame extinction is examined in terms of velocity ratio and global strain rate. It is seen that flame length is closely relevant to lateral heat loss, and this sheets flame extinction and edge flame oscillation considerably. Lateral heat loss causes flame oscillation even at fuel Lewis number less than unity. Edge flame oscillations are categorized into three: a growing-, a harmonic- and a decaying-oscillation mode. Onset conditions of the edge flame oscillation and the relevant modes are examined with global strain rate and $CO_2$ mole fraction in fuel stream. A flame stability map based on the flame oscillation modes is also provided at low strain rate flames.
Kim, Seong-Ku;Kim, Yong-Mo;Ahn, Kook-Young;Oh, Koon-Sup
Journal of Mechanical Science and Technology
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v.14
no.8
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pp.879-890
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2000
This study investigates the nonpremixed $H_2/CO$-air turbulent flames numerically. The turbulent combustion process is represented by a reaction progress variable model coupled with the presumed joint probability function. In the present study, the turbulent combustion model is applied to analyze the nonadiabatic flames by introducing additional variable in the transport equation of enthalpy and the radiative heat loss is calculated using a local, geometry independent model. Calculations are compared with experimental data in terms of temperature, and mass fraction of major species, radical, and NO. Numerical results indicate that the lower and higher fuel-jet velocity flames have the distinctly different flame structures and NO formation characteristics in the proximity of the outer core vortex zone. The present model correctly predicts the essential features of flame structure and the characteristics of NO formation in the bluff-body stabilized flames. The effects of nonequilibrium chemistry and radiative heat loss on the thermal NO formation are discussed in detail.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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