Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.20
no.7
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pp.2337-2346
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1996
One of the most useful method for increasing combustion loading of premixed flame is to strengthen the turbulent intensity of unburned mixture. It produces an important information to a design of efficient combustion equipment that analysing microstructure of strong turbulence premixed flame. The flame structure and characteristics are depend on the turbulence of unburned mixture. Therefore, to strengthen the turbulent intensity of unburned mixture make flame scale small and accomplish efficient combustion. We measured the velocity of local flame front movements, local eddy radius and local reaction zone thickness quantitatively with increasing turbulent intensity of unburned mixture. We researched the microstructure of flame using ion currents that react sensitively in the reaction zone. Consequently, the velocity of local flame front movements is depend on the velocity of unburned mixture and local eddy scale is to be small with increasing turbulent intensity. But there is no change in local reaction zone thickness with turbulence.
When large size nozzle with low jet velocity is used, the buoyancy effect arises from the density difference among propane, air, and burnt gas. Flame characteristics in such buoyant jets have been investigated numerically to elucidate the effect of buoyancy on lifted flames. It has been demonstrated that the cold jet has circular cone shape since upwardly injected propane jet decelerates and forms stagnation region. In contrast to the cold flow, the reacting flow with a lifted flame has no stagnation region by the buoyancy force induced from the burnt gas. To further illustrate the buoyancy effect on lifted flames, the reacting flow with buoyancy is compared with non-buoyant reacting flow. Non-buoyant flame is stabilized at much lower height than the buoyant flame. At a certain range of fuel jet velocities and fuel dilutions. an oscillating flame is demonstrated numerically showing that the height of flame base and tip vary during one cycle of oscillation. Under the same condition. non-buoyant flame exhibits only steady lifted flames. This confirms the buoyancy effect on the mechanism of lifted flame oscillation.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2007.11a
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pp.377-380
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2007
Large Eddy Simulation has been conducted to investigate both stable and unstable flame structures in a swirl turbulent combustor. While a flame is stabilized with periodic dynamic structure at 600K, a slight increase in the flame temperature of inlet mixture, 660K, lead to bifurcation of flame at swirl angle 45 degrees. It was observed that both swirl number and mixture temperature affect a flame bifurcation and the former is a major parameter. One major mechanism contributing to the unstable flame is that the local flame speed overshadows the local flow velocity near the wall of the combustor.
The prediction performance of 9 model sets, which combine 3 turbulent models and 3 combustion models, was investigated numerically for turbulent partially-premixed jet flame. The standard ${\kappa}-{\varepsilon}$ (SKE), Realizable ${\kappa}-{\varepsilon}$ (RKE) and Reynolds stress model (RSM) were used as a turbulence model, and the eddy dissipation concept (EDC), steady laminar flamelet (SLF) and unsteady laminar flamelet model (ULF) were also adopted as a combustion model. The prediction performance of those 9 model sets was evaluated quantitatively and qualitatively for Sandia D flame of which flame structure was measured precisely. The flame length was predicted as, from longest to shortest, RSM > SKE > RKE, and the RKE predicted the flame length of the jet flame much shorter than experiment. The flame temperature was over predicted by the combination of RSM + SLF or RSM + ULF while the flame length obtained by RSM + SLF and RSM + ULF was well agreed with the experiment. The combination of SKE + SLF and SKE + ULF predicts well the flame length as well as the temperature distribution. The SKE turbulence model was most superior to the other turbulent models, and SKE + ULF showed the best prediction performance for the structure of turbulent partially-premixed jet flame.
The effects of velocity boundary conditions on the structure of methane-air nonpremixed counterflow flames were investigated by two-dimensional numerical simulation. Two low global strain rates, 12 s$\^$-1/ and 20 s$\^$-1/, were considered for comparison with measurements. Buoyancy was conformed to have strong effects on the flame structure at a low global strain rate. It was shown that the location where a top hat velocity profile was imposed is sensitive to the flame structure, and that the computed temperature along the centerline agrees well with the measurements when plug flow was imposed at the inner surface of the screen nearest the duct exit.
The present study numerically investigate the effects of the Syngas chemical kinetics on the basic flame properties and the structure of the Syngas nonpremixed flames. In order to realistically represent the turbulencechemistry interaction and the spatial inhomogeneity of scalar dissipation rate, the Eulerian Particle Flamelet Model (EPFM) with multiple flamelets has been applied to simulate the combustion processes and NOx formation in the syngas turbulent nonpremixed flames. Validation cases include the Syngas turbulent nonpremixed jet and swirling flames. Based on numerical results, the detailed discussion has been made for the effects of the chemical kinetics, the flame structure, and NOx formation characteristics in the turbulent Syngas nonpremixed flames.
The present study numerically investigate detailed flame structure of the Syngas diffusion flames. In order to realistically represent the turbulence-chemistry interaction and the spatial inhomogeneity of scalar dissipation rate, the Eulerian Particle Flamelet Model(EPFM) with multiple flamelets has been applied to simulate the combustion processes and NOx formation in the syngas turbulent nonpremixed flames. And level-set approach is also utilized to account for the partially premixing effect at fuel and oxidizer injector in KEPRI nonpremixed combustor. Based on numerical results, the detailed discussion has been made for the precise structure and NOx formation characteristics of the turbulent syngas nonpremixed flames.
Jeong Yong Ki;Oh Jeong Seog;Jeon Chung Hwan;Chang Young June
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.29
no.2
s.233
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pp.263-270
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2005
An experimental study was performed to investigate the effects of partially premixing, varying the equivalence ratios from $0.79{\sim}{\infty}$, on NOx emissions and chemiluminescence of excited $OH^{\ast},\;CH^{ast}\;C_2^{\ast}$ radicals in laminar partially premixed flames. the signal from the electronically excited state of $OH^{\ast},\;CH^{ast}\;C_2^{\ast}$ was detected through a band pass filter with a photo multiplier tube, which are processed to the intensity ratio ($C_2^{\ast}/CH^{\ast},\;C_2^{\ast}/OH^{\ast},\;and\;CH^{\ast}/OH^{\ast}$) to reveal the correlation with local equivalence ratio. And measurements of NOx emission were made to investigate the relationship between visible flame appearance, chemiluminescence, and EINOX. The results demonstrated that (1) the flames at ${\phi}<1.59$ exhibited classical double flame structure, at ${\phi}>4.76$, the flames exhibited diffusion flame structure, and the intermediate flames at $1.59<{\phi}<4.76$ was a merged flame, (2) the $OH^{\ast}$ peak was located inside the $CH^{\ast}\;and\;C_2^{\ast}$ radical for all measured conditions and the emission intensity ratio of $C_2^{\ast}/CH^{\ast}\;and\;C_2^{\ast}/OH^{\ast}$ were identified as good marker for local equivalence ratio over a range of ${\phi}=0.79{\sim}1.2\;and\;CH^{\ast}/OH^{\ast}\;is\;0.79<{\phi}<1.9$. However, it was difficult to predict the equivalence ratio in partially premixed flames using this system for ${\phi}>2.38$, (3) the minimum NOX emission index (EINOx) is obtained for a equivalence ratio of 3.19 in the intermediate flames.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.27
no.12
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pp.609-619
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2015
A preprocessing scheme utilizing multi-division of the ROI (region of interest) in a chemiluminescence image during inversion is proposed. The resulting inverted image shows the flame's structure, which can be useful for studying combustion instability. The flame structure is often quantitatively visualized with PLIF (planar laser-induced fluorescence) images as well. The chemiluminescence image, which is a line-integral of the flame, needs to be preprocessed before inversion, mainly due to the inherent noise and the assumption of axisymmetry during the inversion. The feasibility of the multi-division preprocessing technique has been tested with experimentally-obtained OH PLIF and $OH^*$ chemiluminescence images of jet and swirl-stabilized flames burning substitute natural gas (SNG). It turns out that the technique outperforms two conventional methods, specifically, the technique without preprocessing and the one with uni-division, reconstructing the SNG flame structures much better than its two counterparts when compared using corresponding OH PLIF images. The characteristics of the optimum degree of polynomials to be applied for curve-fitting of the flame region data for the multi-division method involving two flames has also been investigated.
Numerical study is conducted to grasp the flame structure and NO emissions for a wide range of oxy-fuel combustion (covering from air blown combustion to pure oxygen combustion) and for various mole fractions of recirculated $CO_2$ in $CH4-O_2/N_2/CO_2$ counterflow diffusion flames. Special concern is given to the difference of the flame structure and NO emissions between air blown combustion and oxy-fuel combustion w/o recirculated $CO_2$ and is also focused on chemical effects of recirculated $CO_2$. Air blown combustion and oxy-fuel combustion w/o recirculated $CO_2$ are shown to be considerably different in the flame structure and NO emissions. Modified fuel oxidation reaction pathways in oxygen-enriched combustion are provided in detail compared to those in air blown combustion w/o recirculated $CO_2$. The formation and destruction of NO through Fenimore and thermal mechanisms are also compared for air blown combustion and oxyegn-enriched combustion w/o recirculated $CO_2$, and the role of the recirculated $CO_2$ and its chemical effects are discussed. Importantly contributing reaction steps to the formation and destruction of NO are also estimated in oxygen-enriched combustion in comparison to air blown combustion.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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