Kim, Han-Seok;Lee, Young-Duk;Choi, Won-Seok;Ahn, Kook-Young
Journal of Hydrogen and New Energy
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v.19
no.4
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pp.276-282
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2008
The effects of hydrogen enrichment to methane have been investigated with swirl-stabilized premixed hydrogen-enriched methane flame in a laboratory-scale pre-mixed combustor. The hydrogen-enriched methane fuel and air were mixed in a pre-mixer and introduced to the combustor through different degrees of swirl vanes. The flame characteristics were examined for different amount of hydrogen addition to the methane fuel and different swirl strengths. The hydrogen addition effects and swirl intensity on the combustion characteristics of pre-mixed methane flames were examined using micro-thermocouple, particle image velocity meter (PIV) and chemiluminescence techniques to provide information about flow field. The results show that the flame area increases at upstream of reaction zone because of increase in ignition energy from recirculation flow for increase in swirl intensity. The flame area is also increased at the downstream zone by recirculation flow because of increase in swirl intensity which results in higher centrifugal force. The higher combustibility of hydrogen makes reaction faster, raises the temperature of reaction zone and expands the reaction zone, consequently recirculation flow to reaction zone is reduced. The temperature of reaction zone increases with hydrogen addition even though the adiabatic flame temperature of the mixture gas decreases with increase in the amount of hydrogen addition in this experiment condition because the higher combustibility of hydrogen reduces the cooler recirculation flow to the reaction zone.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.18
no.4
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pp.43-49
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2014
This experimental study has been conducted to scrutinize the effects of an ultrasonic standing wave (USW) on the propagating velocity and structure of methane/air premixed flame. Propagating flame was caught by high-speed Schlieren photography, and the variation of flame-behavior was analyzed in detail. It is revealed that horizontal splitting in burnt zone is resulted by the USW, and the flame propagation velocity is augmented due to the strengthened chemical reaction. Evolutionary feature of the flame perturbed by USW, maintaining a pseudo-symmetry of top and bottom flame-front about the propagation axis tends to be free from buoyancy effect.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.19
no.5
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pp.1333-1339
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1995
Recently developed technique of measuring minor species concentration by using the modulation dip in broadband CARS has been applied to the flame structure study of methane/air premixed flames in a counterflow. This method used the modulation dip from the cold band CO Q-branch resonant signal superimposed on the nonresonant background. The measured CO concentration profile in a symmetric and unsymmetric methane/air premixed flames together with the velocity and temperature by using LDV and CARS have been compared with the numerical results adopting detailed chemistry modeling. The results show that there is a satisfactory agreement between the experimental data and numerical results for velocities, temperatures and CO concentrations. And the modulation dip technique of measuring minor species, such as CO is a viable tool for a quantitative measurement in a flame.
Structure of edge flame established in a mixing layer, formed between two uniformly flowing pure $CH_4$ and pure $O_2$ streams, is numerically investigated by employing a detailed methane-oxidation mechanism. The numerical results exhibited the most outstanding distinction of using pure oxygen in the fuel-rich premixed-flame front, through which the carbon-containing compound is found to leak mainly in the form of CO instead of HC compounds, contrary to the rich $CH_4-air$ premixed flames in which $CH_4$ as well as $C_2H_m$ leakage can occur. Moreover, while passing through the rich premixed flame, a major route for CO production, in addition to the direct $CH_4$ decomposition, is found to be $C_2H_m$ compound formation followed by their decomposition into CO. Beyond the rich premixed flame front, CO is further oxidized into $CO_2$ in a broad diffusion-flame-like reaction zone located around moderately fuel-rich side of the stoichiometric mixture by the OH radical from the fuel-lean premixed-flame front. Since the secondary CO production through $C_2H_m$ decomposition has a relatively strong reaction intensity, an additional heat-release branch appears and the resulting heat-release profile can no longer be seen as a tribrachial structure.
Structure of edge flame established in a mixing layer, formed between two uniformly flowing pure $CH_4$ and pure $O_2$ streams, is numerically investigated by employing a detailed methane-oxidation mechanism. The numerical results exhibited the most outstanding distinction of using pure oxygen in the fuel-rich premixed-flame front, through which the carbon-containing compound is found to leak mainly in the form of CO instead of HC compounds, contrary to the rich $CH_4-air$ premixed flames in which $CH_4$ as well as $C_2H_m$ leakage can occur. Moreover, while passing through the rich premixed flame, a major route for CO production, in addition to the direct $CH_4$ decomposition, is found to be $C_2H_m$ compound formation followed by their decomposition into CO. Beyond the rich premixed flame front, CO is further oxidized into $CO_2$ in a broad diffusion-flame-like reaction zone located around moderately fuel-rich side of the stoichiometric mixture by the OH radical from the fuel-lean premixed-flame front. Since the secondary CO production through $C_2H_m$ decomposition has a relatively strong reaction intensity, an additional heat-release branch appears and the resulting heat-release profile can no longer be seen as a tribrachial structure.
The first-order conditional moment closure (CMC) model is applied to $CH_4$/Air turbulent jet diffusion flames(Sandia Flame D, E and F). The flow and mixing fields are calculated by fast chemistry assumption and a beta function pdf for mixture fraction. Reacting scalar fields are calculated by elliptic CMC formulation. The results for Flame D show reasonable agreement with the measured conditional mean temperature and mass fractions of major species, although with discrepancy on the fuel rich side. The discrepancy tends to increase as the level of local extinction increases. Second-order CMC may be needed for better prediction of these near-extinction flames.
Using a counterflow burner, downstream interactions between $CH_4$-air and $H_2/N_2$-Air premixed flames with various equivalence ratios has been experimentally investigated. Flame stability maps on triple and twin flames are provided in terms of global strain rate and equivalence ratio. Lean and rich flammable limits are examined for methane/air and hydrogen/nitrogen/air mixtures over the entire range of mixture concentrations in the interacting flames. Results show that these flammable limits can be significantly modified in the presence of interaction such that mixture conditions beyond the flammability limit can be still burn if it is supported by stronger flame. The experiment also discusses various oscillatory instabilities in a stability map.
The axisymmetric methane-air counterflow flame was simulated to investigate changes in the flame structure due to the fuel concentration and to evaluate the numerical method. The global strain rates $a_g=20,\;60,\;90\;s^{-1}$ and the mole fractions of methane $x_m=20,\;50,\;80\%$ in the fuel stream were taken to be numerical parameters. The axisymmetric simulation was conducted by using the Fire Dynamics Simulator (FDS) which employed a mixture fraction combustion model, and the results were compared with those of OPPDIF, which is an one-dimensional flamelet code and includes detail chemical reactions. In all the cases tested, there was good agreement in the temperature and axial velocity profiles between the axisymmetric and one-dimensional simulations. It was shown that the flame thickness and peak flame temperature increase and the flame radius decreases as the fuel concentration increases.
To evaluate the numerical method in simulation of diffusion flames and to see the effects of strain rate and fuel concentration on the flame radius and thickness, the nonpremixed methane-air counterflow flames in microgravity were simulated axisymmetrically by using the MST Fire Dynamics Simulator (FDS). The $1000^{\circ}C$ based flame radius and thickness were investigated for the mole fraction of methane in the fuel stream, $X_m=20,\;50,\;and\;80\%$ and the global strain rates $a_g=20,\;60,\;and\;90s^{-1}$ for each mole fraction. The flame radius increased with the global strain rate while the flame thickness decreased linearly as the global strain rate increased. The flame radius decreased as the mole fraction increased, but it was not so sensitive to the mole fraction compared with the global strain rate. Since there was good agreement in the nondimensional flame thickness obtained with OPPDIF and FDS respectively, it was confirmed that FDS is capable of predicting well the counterflow flames in a wide range of strain rate and fuel concentration.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.29
no.9
s.240
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pp.979-987
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2005
Numerical simulations were performed at atmospheric pressure in order to understand the effect of additives on flame speed, flame temperature, radical concentrations, $NO_x$ formation, and heat flux in freely propagating $CH_4-Air$ flames. The additives were both carbon dioxide and hydrogen chloride which had a combination of physical and chemical behavior on hydrocarbon flame. In the flame established with the same mole of methane and additive, hydrogen chloride significantly contributed toward the reduction of flame speed, flame temperature, $NO_x$ formation and heat flux by the chemical effect, whereas carbon dioxide mainly did so by the physical effect. The impact of hydrogen chloride on the decrease of the radical concentration was about $1.4\~3.0$ times as large as that of carbon dioxide. Hydrogen chloride had higher effect on the reduction of $EI_{NO}$ than carbon dioxide because of the chemical effect of hydrogen chloride. The reaction, $OH+HCl{\rightarrow}Cl+H_2O$, played an important role in the heat flux from flames added by hydrogen chloride instead of the reaction, $OH+H_2{\rightarrow}H+H_2O$ which was an important reaction in hydrocarbon flames.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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