Bae, Seong Hun;Hong, Joon Yeol;Kim, Heuy Dong;Kim, Jeong Soo
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.21
no.2
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pp.1-8
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2017
In order to analyze combustion characteristics of methane-oxygen diffusion flame in a model combustor, combustion experiments were carried out under various spray conditions of propellant scrutinizing combustion stability limit and flame shapes. As the propellant approached the theoretical equivalence ratio condition, a stable detached flame was observed even under high oxygen Reynolds number. And the length of the visible flame increased and the lift-off distance of the flame exhibited a tendency toward decrease. Due to the swirl effect of the propellant by the swirl-coaxial injector, a wide and short flame was produced. Thus, it may be appropriate to employ the swirl-coaxial injector in thrusters having a limited physical dimension.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.1
no.1
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pp.1-9
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2008
In the first part of the paper, Computational Fluid Dynamics analysis of the combusting flow within a high-swirl lean premixed gas turbine combustor and over the $1^{st}$ row nozzle guide vanes is presented. In this analysis, the focus of the investigation is the fluid dynamics at the combustor/turbine interface and its impact on the turbine. The predictions show the existence of a highly-rotating vortex core in the combustor, which is in strong interaction with the turbine nozzle guide vanes. This has been observed to be in agreement with the temperature indicated by thermal paint observations. The results suggest that swirling flow vortex core transition phenomena play a very important role in gas turbine combustors with modern lean-premixed dry low emissions technology. As the predictability of vortex core transition phenomena has not yet been investigated sufficiently, a fundamental validation study has been initiated, with the aim of validating the predictive capability of currently-available modelling procedures for turbulent swirling flows near the sub/supercritical vortex core transition. In the second part of the paper, results are presented which analyse such transitional turbulent swirling flows in two different laboratory water test rigs. It has been observed that turbulent swirling flows of interest are dominated by low-frequency transient motion of coherent structures, which cannot be adequately simulated within the framework of steady-state RANS turbulence modelling approaches. It has been found that useful results can be obtained only by modelling strategies which resolve the three-dimensional, transient motion of coherent structures, and do not assume a scalar turbulent viscosity at all scales. These models include RSM based URANS procedures as well as LES and DES approaches.
Kim, Jong-Gyu;Lee, Kwang-Jin;Seo, Seong-Hyeon;Lim, Byoung-Jik;Ahn, Kyu-Bok;Han, Yeoung-Min;Choi, Hwan-Seok
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2007.04a
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pp.128-134
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2007
Combustion performance and characteristics of high-pressure subscale liquid rocket combustors were studied experimentally. Four different models of combustor were considered in this paper. The high-pressure subscale combustor is composed of the mixing head, the water cooling cylinder and the nozzle. One model of the combustors employed regenerative cooling combustor in that the kerosene used for the chamber cooling is burned. This combustor was damaged due to a high frequency combustion instability occurred during a firing test. The results of the firing tests, comparison of performance, and characteristics of static and dynamic pressures of the combustors are described.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.37
no.12
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pp.1079-1089
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2013
The flow characteristics in a solid particle incinerator are investigated numerically for high burning rate of wastes. The studied incinerator employs both a swirl flow used in the furnace of powerplants and a design concept applied to a rocket combustor. As the first step, the non-reactive flow field is analyzed in the incinerator with primary and secondary injectors through which solid fuel and air are injected. The deflection angle of a primary injector, inclination angle of a secondary injector, and gap between the two types of injectors are selected as design parameters. The swirl number is adopted for evaluating the degree of swirl flow and estimated over wide ranges of three parameters. The swirl number increases with deflection angle, but it is affected little by inclination angle. Recirculation zones are formed near the injectors, and their size affects the swirl number. The swirl number decreases with the zonal size of recirculation. From the numerical results, the design points can be found with strong swirl flow.
Kim, Han-Seok;Ahn, Kook-Young;Kim, Ho-Keun;Yu, Myung-Jong;Baek, Seung-Wook
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.27
no.2
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pp.215-226
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2003
Experimental and numerical studies have been done to examine the effects of excess air ratio and tertiary air swirl number on the formation characteristics of NOx in a pilot scale combustor adopting a multi-air staged burner. In numerical calculation the mathematical models for turbulence, radiation and nitric oxide chemistry were taken into account. The radiative transfer equation was solved using the discrete ordinates method with the weighted sum of gray gases model. In the NOx chemistry model, the chemical reaction rates for thermal and prompt NOx were statistically averaged using a probability density function. The results were validated by comparison with measurements. For the experiment, a 0.2 MW pilot multi-staged air burner has been designed and fabricated. Using the numerical simulation developed here, a variation of thermal and prompt NOx formation was predicted by changing the excess air ratio and tertiary air swirl number. As the excess air ratio increased up to 1.9, the formation of the total as well as thermal NOx at exit increased while the prompt NOx decreased. The formation of thermal NOx was more affected by concentration of $O_2$ and $N_2$ than gas temperature. When the tertiary air swirl number increased, the formation of the total as well as the prompt NOx slightly decreased.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.11
no.5
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pp.37-50
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2007
This study investigated the characteristics of spray generated by a liquid coaxial swirl injector used in a combustor of the liquid rocket engine. The linear stability analysis considered long and short wave was introduced in liquid sheet breakup. Through the hydrodynamic analysis the initial liquid sheet thickness spray angle and injection velocity were predicted. To evaluate the effect of turbulence model standard $k-{\varepsilon}$ and RNC $k-{\varepsilon}$ model were applied to numerical calculation and it was known that RNC $k-{\varepsilon}$ model was more applicable to predict spray characteristics. On the basis of this evaluation validation of the developed model was performed with swirl injector installed in LPRE and the predicted results of breakup length, spray angle, and SMD agreed well with experiments qualitatively and quantitatively.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.11
no.5
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pp.51-59
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2007
The end-burning combustion field using impinging oxidizer injectors are analyzed with tangential type injectors in order to examine their mixing and combustion characteristics. The impinging type showed further improved mixing effect as well as the combustion efficiency compared to the previously studied tangential injector. A novel injector capable of delivering impinging and swirl effect is introduced in this study where it demonstrated that the grain coning effect can be avoided. It was found that the combined impinging and swirling flow would promote the radial mixing rate increasing the residence time and the turbulent intensity. However, the use of the step combustor which may augment the turbulent intensity did not show any notable difference compared to the basic combustor.
The emission characteristics, flame stability, the composition of the flame zone and temperature profile were studied experimentally. The compositions of oxydant were varied by substituting $N_2$ with $CO_2$ at the constant $O_2$ concentration. Results showed that flame became unstable due to the high heat capacity, low transport rate and strong radiation effect of $CO_2$ in comparison with those of $N_2$. The reaction zone was cooled, broadened, as the conversion ratio of $CO_2$ to $N_2$ was increased. Temperature has a large effect on the NOx emission. The concentration of NOx in flue gas decreased due to the decreased temperature of reaction zone. It was also shown that the reaction was delayed by the cooling effect. As the conversion ratio of $CO_2$ to $N_2$ was increased, the emission of CO and the higher temperature zone increased due to the decrease of reaction rate by the cooling effect.
Flame structure, which contains a useful information for studying combustion instability of the flame, is often quantitatively visualized with PLIF (planar laser-induced fluorescence) and/or chemiluminescence images. The latter, a line-integral of a flame property, needs to be preprocessed before being inverted, mainly due to its inherent noise and the axisymmetry assumption of the inversion. A preprocessing scheme utilizing multi-division of ROI (region of interest) of the chemiluminescence image is proposed. Its feasibility has been tested with OH PLIF and $OH^*$ chemiluminescence images of SNG (synthetic natural gas) swirl-stabilized flames taken from a model gas turbine combustor. It turns out that the multi-division technique outperforms two conventional ones: those are, one without preprocessing and the other with uni-division preprocessing, reconstructing the SNG flame structure much better than its two counterparts, when compared with the corresponding OH PLIF images. It is also found that the Canny edge detection algorithm used for detecting edges in the multi-division method works better than the Sobel algorithm does.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.15
no.10
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pp.835-842
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2003
A three dimensional numerical analysis has been conducted for a stoker type incinerator which has the capacity of 1.5 ton/hr. The objective of the present study is to predict the effects of swirl induced by secondary air and to find an optimal operating condition of the incinerator. In this study, combustion characteristics such as distributions of temperature, velocity and concentration of each species have been examined with various injection types of secondary air and with different flow rates of secondary air in the incinerator. It is found that the secondary air injection on the combustion process makes the path of fluid particle longer in the combustor and enhances the mixing between air and combustion gas by arousing a swirl. Therefore, the injection type of secondary air can be an important key in the design process of incinerator.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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