The present study deals with experimental investigations on the syngas-oxygen combustion characteristics of a swirl-stabilized premixed flame in a 10 kW combustor. The effect of hydrogen in syngas has been investigated with different swirl angles to identify the role of hydrogen and swirl strength on the flame stability and CO emissions. The results show that hydrogen addition extended the blowout limit while narrowing the flashback limit. The dependence of blowout on the swirl angle is negligible while the dependence of flashback on the swirl angle is evidenced by two regimes depending on the amount of hydrogen. CO emission is decreased with increasing excess $O_2$ supply or increasing hydrogen content. Chemiluminescence diagnostics is utilized to provide information on the structure of a swirl-stabilized premixed flame. The OH chemiluminescence intensity is more concentrated near the burner exit with an increase in the hydrogen content, which results from high reactivity of hydrogen.
가스터빈 연소기의 스월러와 노즐을 제작하여 스월러 형상 변화에 따른 비연소시 케로신 분무 특성과 연소시에 열유동장의 특성을 조사하였다. 액적의 크기(SMD)와 속도를 파악하기 위해서 위상도플러입자분석기(PDPA)를 이용하였고, 연소 온도를 조사하기 위해서 R-type 열전대(Platinum vs. Platinum-13%rhodium)를 이용하였다. 분무와 화염의 가시화는 스틸 카메라를 이용하였다. 스월러각이 커서 스월수가 큰 경우에 분무 및 화염이 반경방향으로 빠르게 발전하였다. 화염은 스월수가 작을 때는 원추형의 화염이 형성되지만 스월수가 커지면서 스월 모멘텀이 중심축으로 이송되고 혼합이 촉진되어 원통형으로 바뀌었다.
This paper presents spray and combustion characteristics of hydrocarbon fuel injected from pressure-swirl nozzles. Three commercial nozzles with orifice diameters of 0.256, 0.308 and 0.333mm and injection pressures ranging from 0.7 to 1.3 MPa were selected f9r the experiments. Spray characteristics such as breakup length. spray angle and drop size (SMD) were analyzed using photo image analyses and Malvern Panicle Size Analyzer. The drop size was measured with and without a blower at the same measuring locations. The flame length and width were measured using photo image analyses. The temperature distribution along the axial distance and the gas emission such as CO, $CO_2\;and\;NO_x$ were studied. The breakup length decreased with an increase in injection pressure for each nozzle but increased with an increase in nozzle orifice diameter. The spray angle increased and SMD decreased with an increase in injection pressure. The flame with an increased linearly with an increase in injection pressure and in nozzle orifice diameter. The flame temperature increased with an increase in injection pressure but decreased along the axial distance. The maximum temperatures occurred closer to the burner exit and flame at axial distance of 242mm from the diffuser tip. The experimental results showed that the level of CO decreased while that of $CO_2\;and\;NO_x$ increased with an increase in injection pressure and nozzle orifice diameter.
In this study, the laminar burning velocities of SNG fuel were studied using both experimental measurements and kinetic simulations. They were measured using the angle method of Bunsen flame configuration and the annular diverging channel combustor. And they were also numerically calculated by CHEMKIN Package with GRI 3.0 mechanisms. Spectrometer was used for characteristics of flame chemiluminescence of SNG fuels. From results of this work, first, we found that according to adding $H_2$ contents in the fuels the laminar burning velocities of SNG fuels were increased. And second, we also discovered existence of OH*, CH*, $C_2*$, HCO*, $CH_2*$ radicals and their correlation.
Static and non-static flame methods were used to measure the laminar burning velocity of methane, ethane and natural gas. The flame slot angle and velocity of unburned gas mixture were determined by Schlieren method and LDV, respectively, for static flame. The diameter of nozzle was selected as 11 mm. The experimental results containing the stretch effect showed that the maximum burning velocities were 41.5 for natural gas, 40.8 for methane and 43.4 cm/sec for ethane on equivalence ratio of 1.1. Constant volume combustion chamber was also used for non-static flame. The propagation process of flame front was visualized by high speed camera during constant pressure. The maximum burning velocity of natural gas was determined as 42.1 cm/sec on equivalence ratio of 1.15.
In the present paper, the effects of combustion instability on flow structure and flame dynamic with the configurations of burner exit in a model gas turbine combustor are investigated using large eddy simulation(LES). A G-equation flamelet model is employed to simulate the unsteady flame behavior. As a result of mean flow field, the change of divergent half angle(${\alpha}$) at burner exit results in variations in the size and shape of the central toroidal recirculation(CTRZ) as well as flame length by changing corner recirculation zone(CRZ). The case of ${\alpha}=45^{\circ}$ show smaller size and upstream location of CTRZ than that of $90^{\circ}$ and $30^{\circ}$ by the development of higher swirl velocity. The flame length in the case of ${\alpha}=45^{\circ}$ is the most shortest, while that in the case of ${\alpha}=30^{\circ}$ is the longest by the decrease of effective reactive area with the absence of CRZ. Through the analysis of pressure fluctuation, it is identified that the case of ${\alpha}=45^{\circ}$ shows the most largest damping effect of pressure oscillation in all configurations and brings in the noise reduction of 2.97dB, comparing with that of ${\alpha}=30^{\circ}$ having the largest pressure oscillation. These reasons are discussed in detail through the analysis of unsteady phenomena about recirculation zone and flame surface. Finally the effects of flame-acoustic interaction are evaluated using local Rayleigh parameter.
The effects of tumble and swirl flows on the flame propagation were investigated experimentally in a 4-valve optical gasoline engine. The tumble flow patterns, generated by various intake ports of different entry angle; $25^{\circ}$ , $20^{\circ}$ and $15^{\circ}$ , were characterized under motored conditions with laser Doppler velocirnetry. Inclined tumble(swirl) flows were induced by three different swirl control valves. The initial flame propagation was visualized by an ICCD camera and its image were analyzed to compare the enflamed area and displacement of initial flames. It was found that there is a correlation between the stronger tumble during induction and turbulence levels at the time of ignition resulting in faster flame development. Inclined tumble was proved to be more beneficial than the pure tumble for faster and stable combustion under lean mixture conditions, which was confirmed by faster propagating flame images.
This study presents the combustion characteristics and flame structure of annular swirling flow when there were changes the equivalence ratio and swirl number of swirling jet of fuelair mixture. The conclusions of this study are as follows; During the investigations in which the change of equivalence ratio and swirl number were studied, three basic shapes of flame were observed in this study. Visible flame lengths of swirling jet results in the decrease with increasing of swirl number and air-fuel ratio of mixture. Radial distribution of flame temperature with strong swirl is higher than that of weak swirl at the same equivalence ratio of mixture. The angle of spread of the annular jet increases with the increase of swirl number. When the swirl intensity is increased in a jet, the decay of concentration of carbon dioxide is decreased with the distance from nozzle exit of burner.
End-gas temperatures were measured using CARS technique in a conventional DOHC spark- ignition engine fueled with PRF80. The measured pressure data were analyzed using band pass filter method. The measured CARS temperatures were compared with adiabatic core temperatures calculated from measured pressures. Significant heating by pre-flame reaction in the end gas zone was observed in the late part of compression stroke under both knocking and non-knocking conditions. CARS temperatures measured at 10 crank angle degree before knock occurrence was higher than adiabatic core temperatures. These results indicate that there exist some exothermic reactions in low pressure and temperature region. CARS temperatures began to be higher than the adiabatic core temperature when the end-gas temperatures reached look. The temperature elevation due to the pre-flame reaction correlated better with CARS temperature than with cylinder pressure.
End-gas temperatures were measured using CARS technique in a conventional DOHC spark-ignition engine fueled with PRF80. The measured pressure data were analyzed using band pass filter method. The measured CARS temperatures were compared with adiabatic core temperatures calculated from measured pressure. Significant heating by pre-flame reaction in the end gas was observed in the late part of compression stroke under both knocking and non-knocking condition. CARS temperatures measured at 10 crank angle degree before knock occurrence was higher than adiabatic core temperatures. These results indicate that there exist some exothermic reactions in low pressure and temperature region. CARS temperatures began to be higher than the adiabatic core temperature when the end-gas temperatures reached 700 K. The temperature elevation due to the pre-flame reaction correlated better with CARS temperature than with cylinder pressure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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