The present study numerically investigate the effects of the Syngas chemical kinetics on the basic flame properties and the structure of the Syngas diffusion flames. In order to realistically represent the turbulence-chemistry interact ion 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. Due to the ability for interactively describing the transient behaviors of local flame structures with CFD solver, the EPFM model can effectively account for the detailed mechanisms of NOx format ion including thermal NO path, prompt and nitrous NOx format ion, and reburning process by hydrocarbon radical without any ad-hoc procedure. validation cases include the Syngas turbulent nonpremixed jet and swirling flames. Based on numerical results, the detailed discussion has been made for the sensitivity of the Syngas chemical kinetics as well as the precise structure and NOx formation characteristics of the turbulent Syngas nonpremixed flames.
The isothermal flow structure and mixing characteristics of a hybrid/dual swirl jet combustor for micro-gas turbine were numerically investigated. Location of pilot nozzle, angle and direction of swirl vane were varied as main parameters with constant fuel flow rates for each nozzle. As a result, the variation in location of pilot nozzle resulted in significant change in turbulent flow field near burner exit, in particular, center toroidal recirculation zone (CTRZ) as well as turbulent intensity, and thus flame stability and emission characteristics might be significantly changed. The swirl angle of $45^{\circ}$ provided similar recirculating flow patterns in a wide range of equivalence ratio (0.5~1.0). Compared to the co-swirl flow, the counter-swirl flow leaded to the reduction in CTRZ and fuel-air mixing near the burner exit and a weak interaction between the pilot partially premixed flame and the lean premixed flame. With the comparison of experimental results, it was confirmed that the case of co-swirl flow and swirl $angle=45^{\circ}$ would provided an optimized combustor performance in terms of flame stability and pollutant emissions.
In this study, the laminar burning velocity of syngas fuel($H_2/CO$) and flame structure with various hydrogen contents were studied using both experimental measurements and detailed kinetic analysis. The laminar burning velocities were measured by the angle method of Bunsen flame configuration and the numerical calculations including chemical kinetic analysis were made using CHEMKIN Package with USC-Mech II. A wide range of syngas mixture compositions such as $H_2$ : CO = 10 : 90, 25 : 75, 50 : 50, 75:25 and equivalence ratios from lean condition of 0.5 to rich condition of 5.0 have been considered. The experimental results of burning velocity were in good agreement with previous other research data and numerical simulation. Also, it was shown that the experimental measurements of laminar burning velocity linearly increased with the increment of $H_2$ content although the burning velocity of hydrogen is faster than the carbon monoxide above 10 times. This phenomenon is attributed to the rapid production of hydrogen related radicals such as H radical at the early stage of combustion, which is confirmed the linear increase of radical concentrations on kinetic analysis. Particular concerns in this study are the characteristics of burning velocity and flame structure different from lean condition for rich condition. The decrease of OH radicals and double peaks are observed with $H_2$ content in rich condition once $H_2$ fraction exceeds over threshold.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.28
no.4
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pp.371-381
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2004
Numerical simulation of $CO_2$ addition effects to fuel and oxidizer streams on flame structure has been conducted with detailed chemistry in H$_2$-O$_2$ diffusion flames of a counterflow configuration. An artificial species, which displaces added $CO_2$ in the fuel- and oxidizer-sides and has the same thermochemical, transport, and radiation properties to that of added $CO_2$, is introduced to extract pure chemical effects in flame structure. Chemical effects due to thermal dissociation of added $CO_2$ causes the reduction flame temperature in addition to some thermal effects. The reason why flame temperature due to chemical effects is larger in cases of $CO_2$ addition to oxidizer stream is well explained though a defined characteristic strain rate. The produced CO is responsible for the reaction, $CO_2$+H=CO+OH and takes its origin from chemical effects due to thermal dissociation. It is also found that the behavior of produced CO mole fraction is closely related to added $CO_2$ mole fraction, maximum H mole fraction and its position, and maximum flame temperature and its position.
Jo, Soonhye;Lee, Pilhyong;Cha, Chunloon;Hong, Seongweon;Hwang, Sangsoon
한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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2011.05a
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pp.96.1-96.1
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2011
Solid oxide fuel cells(SOFCs) can convert the chemical energy of fuel into electricity directly. With the rising fuel prices and stricter emission requirement, SOFCs have been widely recognized as a promising technology in the near future. In this study, lean premixed flame using the orifice swirl burner was analyzed numerically and experimentally. We used the program CHEMKIN and the GRI 3.0 chemical reaction mechanism for the calculation of burning velocity and adiabatic flame temperature to investigate the effects of equivalence ratio on the adiabatic flame temperature and burning velocity respectively. Burning velocity of hydrogen was calculated by CHEMKIN simulation was 325cm/s, which was faster than that of methane having 42 cm/s at the same equivalence ratio. Also Ansys Fluent was used so as to analysis the performance with alteration of swirl structure and orifice mixer structure. This experimental study focused on stability and emission characteristics and the influence of swirl and orifice mixer in Solid Oxide Fuel Cell Systme burner. The results show that the stable blue flame with different equivalence ratio. NOx was measured below 20 ppm from equivalence ratios 0.72 to 0.84 and CO which is a very important emission index in combustor was observed below 160 ppm under the same equivalence region.
The effect of micro scale turbulence on flame structure and stability were experimentally investigated by changing the area of micro turbulence generator(MTG) and air velocity in terms of low NOx and high efficiency combustion. NOx and CO concentration were also measured for different MTG areas to investigate whether a vane swirler having MTG has a possibility of using as part for low NOx combustor. From the obtained results, it is shown that flame stability region increases and flame size becomes small as MTG area increases since MTG in itself makes small scale recirculation flow and swirler does large scale recirculation one. It is also shown that low NOx concentration(about 20${\sim}$30ppm@$O_2$ 11%) is achieved for all MTG areas without any increase in CO concentration regardless of air velocity range tested in this study when the equivalence ratio is 0.7. The results obtained in this study can give basic guideline for the design of compact low NOx high efficiency combustor using a vane swirler having MTG.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.22
no.2
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pp.162-172
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1998
A numerical study of premixed combustion within a porous ceramic burner (PCB) is performed to understand flame behavior with respect to various model parameters. Basic flame structure within the porous ceramic burner and species profiles such as NO and CO are examined. Sensitivity analysis of flame speed, gas and solid temperature, NO and CO emission from the burner with respect to reaction steps and various physical properties of the ceramic material is applied to find the most significant parameters in selection of porous materials for the porous ceramic burner. Effects of thermal conductivity, extinction coefficient and scattering albedo on the burner characteristics are studied through the sensitivity analysis. The results of sensitivity study reveal the order of importance in ceramic material properties to get suitable burner performance. Scattering albedo, which governs the ratio of absorbed energy by the ceramic material to total radiative energy transferred, is one of the most important parameters in the material properties since it affects the actual absorbed radiation rate and thus it largely affects the flame structure. Through the study, it is found that the sensitivity study can be used to estimate the flame behavior within the porous ceramic burner more effectively.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.19
no.4
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pp.45-51
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2015
An experimental study was performed for the analysis of frequency-equivalence ratio correlation in the methane-air premixed flame influenced by ultrasonic standing wave. The propagating flame was caught by high-speed Schlieren photography, and the variation of flame-behavior including the flame structure was investigated in detail employing a post-processing analysis of the high-speed images. It was found that a structural variation and propagation-velocity augmentation of the methane-air premixed flame by the intervention of ultrasonic standing wave were more caused off around the stoichiometry. Also, a dependency of the flame behaviors on the driving frequency and equivalence ratio of the reactants was confirmed.
The technique detects radiant energy form a flaming fire of fuels contained carbonaceous material can be applied to fast growing fires. This technique applied detectors are ultimately effective when early detecting fire alarm system is required or the smoke and heat detectors can not applied. In Korea Fire regulation, a flame detector should be install in case that the installation height is higher than 20[m], chemical plant, hangar refinery. Therefore it is really necessary that a flame detector has to be developed as soon as possible. With foundation technique of flame detector, ideal sensing element and stable circuit design, a trial UV flame detector is manufactured. The stable and reliable technique of flame detector is established through the repeateed perfomance test and modification. An early detecting fire alarm device is developed through the modification, supplement of the structure and circuit. Results of the R & D for the manufacture of an excellent flame detecting device is carried out with the establishment of technique for the mass production and the qualified manufacturing process.
Authors' previous works on thermoacoustic(TA) model development showed good results in predicting combustion instability characteristics in a gas turbine combustor. However, they also suggested there were some limitations in growth rate estimation, which might be related with over-simplification of flame structure. As a first trial for improving the model accuracy, the current paper introduces the modified TA model considering the actual flame location in the combustor. The combustor is divided into the unburned and the burned area before and after the flame location, and then acoustic equations are re-organized. The modified TA model results show a better accuracy in predicting the growth rate of instabilities comparing with the previous results. However, obtained results still overestimate the conditions where the combustor goes unstable. Further researches considering heat release distribution through flames are required.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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