Lee Uen Do;Lee Ki Ho;Oh Kwang Chul;Lee Eui Ju;Shin Hyun Dong
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.29
no.3
s.234
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pp.390-401
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2005
In this study, extinction limit extension of unsteady $(CH_{4}+N_{2})$/air diffusion flames was investigated experimentally. A spatially locked flame in an opposing jet burner was perturbed by linear velocity variation, and time-dependent flame luminosity, transient maximum flame temperature and OH radical were measured over time with the high speed camera, Rayleigh scattering method and OH laser-induced fluorescence, respectively. Unsteady flames survive at strain rates that are much higher than the extinction limit of steady flames, and unsteady extinction limits extend as the slope of the strain rate increases or the initial strain rate decreases. We verified the validity of the equivalent strain rate concept by comparing the course of unsteady extinction process and steady extinction process, and it was found that the equivalent strain rate concept represents well the unsteady effect of a convective-diffusive zone. To investigate the reason of the unsteady extinction limit extension, we subtracted the time lag of the convective-diffusive zone by using the equivalent strain concept. Then the modified unsteady extinction limits become smaller than the original unsteady extinction limits, however, the modified unsteady extinction limits are still larger than the steady extinction limits. These results suggest that there exist the unsteady behavior of a diffusive-reactive zone near the extinction limit due to the chemical non-equilibrium states associated with unsteady flames.
This study evaluated comparison of the risk according to the type of fuel by three-dimensional simulation tool(FLACS). The consequence analysis of fire explosion and jet-fire was carried out in the layout of a typical high-pressure gas filling stations using CNG, hydrogen and 30%HCNG. Under the same conditions, hydrogen had a 30kPa maximum overpressure, CNG had a 0.4kPa and HCNG had a 3.5kPa. HCNG overpressure was 7.75 times higher than the CNG measurement, but HCNG overpressure was only 11.7% compared to hydrogen. In case of flame propagation, hydrogen had a very fast propagation characteristics. On the other hand, CNG and HCNG flame propagation velocity and distance tended to be relatively safe in comparison to hydrogen. The estimated flame boundary distance by jet-fire of hydrogen was a 5.5m, CNG was a 3.4m and HCNG was a 3.9m.
A micro cyclone combustor was developed to be used as a heat source of thermoelectric power generator (TPG). The cyclone combustor was designed so that fuel and air were supplied to the combustion chamber separately. The mixing and flow characteristics in the combustor were investigated numerically. The global equivalence ratio (${\Phi}$), defined using the fuel and air flow rates, was introduced to examine the flow features of the combustor. The mixing of fuel and air inside the combustor could be well understood using the fuel concentration distribution. It was found that the weak recirculating zone was formed upper the fuel-supplying tube in case of ${\Phi}$ < 1.0. In addition, it was found that small regions that have a negative axial velocity exist near the fuel injection ports. It is assumed that these negative axial velocity regions can stabilize a flame inside the micro cyclone combustor.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.27
no.1
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pp.95-104
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2003
The objective of this work is to investigate the turbulent reacting flow in a three dimensional combustor with emphasis on thermal NO emission through a numerical simulation. Flow field is analyzed using the SIMPLE method which is known as stable as well as accurate in the combustion modeling, and the finite volume method is adopted in solving the radiative transfer equation. In this work, the thermal characteristics and NO emission in a three dimensional combustor by changing parameters such as equivalence ratio and inlet swirl angle have investigated. As the equivalence ratio increases, which means that more fuel is supplied due to a larger inlet fuel velocity, the flame temperature increases and the location of maximum temperature and thermal NO has moved towards downstream. In the mean while, the existence of inlet swirl velocity makes the fuel and combustion air more completely mixed and burnt in short distance. Therefore, the locations of the maximum reaction rate, temperature and thermal NO were shifted to forward direction compared with the case of no swirl.
The diversification of import districts of natural gas is trying to prepare an increase in the demand and price. The interchangeability of natural gases should be examined prior to supply to gas appliances, although compositional differences among natural gases are not large. The object of this study is to investigate numerically the thermodynamic and transport properties as well as information on combustion of 6 natural gases. Comparing the properties of BOG1 with those of standard gas, the maximum differences of heating value, Wobbe index, air-fuel ratio, and specific heat are 10%, 4%, 10% and 5.54%, respectively. That is, the BOG1 is required careful application. However, all gases except for BOG1 show the similar properties with standard gas. Finally, the combustion information such as flame temperature and burning velocity are examined. These results will provide the useful information related to the interchangeability of various natural gases in practical combustion appliances.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2005.11a
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pp.445-449
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2005
The mixed acoustic-convective mode combustion instability and the possibility of combustion control using a loudspeaker to these instabilities were studied. By changing inlet velocity, combustor length and equivalence ratio, the dynamic pressure signals and the flame structures were simultaneously taken. The results showed that as the combustor length increased and the inlet velocity decreased, the instability frequency decreased and the maximum power spectral densities of the dynamic pressures generally decreased. The instability frequency could be affected by an equivalence ratio over the operating conditions. From the data of close-loop control, as the loudspeaker may work out-of-phase with the natural instability, the optimum time-delay controller was confirmed to be able to reduce the vortex shedding from the mixed acoustic-convective mode combustion instability.
Laminar burning velocities of propane- and iso-octane-air mixtures have been numerically modelled over a wide range of equivalence ratio, pressure and temperature. These correlations are applicable to the modelling of stratified charged combustion like that of lean bum and GDI engine combustion. The numerical models are based on the results calculated by PREMIX code with Sloane's detailed chemical reaction mechanism for propane and FlameMaster code with Peters' for iso-octane. Laminar burning velocity for two fuels showed a pressure and temperature dependence in the following form, in the range of $0.1{\sim}4MPa$, and $300{\sim}1000K$, respectively. $S_L={\alpha}\;{\exp}[-\xi({\phi}-{\phi}_m)^2-{\exp}\{-{\xi}({\phi}-{\phi}_m)\}-{\xi}({\phi}-{\phi}_m)]$ where ${\phi}_m=1.07$, and both of ${\alpha}$ and ${\xi}$ are functions of pressure and temperature. Compared with the results of the existing models, those of the present one showed the good agreement of the recent experiment data, especially in the range of lean and rich sides. Judging from the calculated results of the stratified charged combustion by using STAR-CD, the above modelling prove to be more suitable than the other ones.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.29
no.6
s.237
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pp.711-721
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2005
In order to design of emergency ventilation systems, the smoke movements in tunnel fire with natural and forced ventilation were investigated. Reduced-scale experiments were carried out under the Froude scaling with novel fire source consisting many wicks. Temperature profiles were measured under the ceiling and vertical direction along the center of the tunnel and poisonous gases were measured at emergency exit point in the natural ventilation case. In forced ventilation, temperature profiles were measured with various flow rate to obtain critical velocity. The results showed that the interval of emergency exit having 225m was estimated reasonably through the measurements of temperature variation and poisonous gas in the natural ventilation. In the case of forced ventilation, the temperature distribution near fire source is remarkably different from that of natural ventilation. Also, the critical velocity to prevent upstream smoke flow has the range of 0.57m/s between 0.64m/s. Finally, it was also identified that although the increase of flow rate can suppress the backward flow of smoke to upstream direction, brings about the increase of flame intensity near stoichiometric fuel/air ratio.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2007.11a
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pp.359-364
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2007
Spray characteristics of the APU gas turbine engine were investigated. In order to understand blow out phenomena of the APU engine, we performed fuel spray test. In the test, four operating conditions such as sea level idle, sea level max power, 20,000 feet idle, 20,000 feet max power were used as spray experimental conditions. PDPA(phase Doppler Particle Analyzer) was used for measuring the particle diameter and velocity. Also spray visualization was performed by using ND-YAG sheet laser beam. From the test result, in the case of 20,000 feet idle condition, SMD is about 100 ${\mu}m$ and maximum particle velocity is about 10 m/s. For the flame stability, spray quality should be improved at 20,000 feet idle condition.
The optimization of frontal device including fuel nozzle and swirler is required to secure the mixing of fuel and air, and the combustion stability in the gas turbine combustor design for the reduction of pollutant emissions and the increase of combustion efficiency. The effects of injection nozzle and swirler on the flow field, spray characteristics and consequently the combustion stability, were experimentally investigated by measuring the velocity field, droplet sizes of fuel spray, lean combustion limit and the temperature field in the main combustion region. The effect of fuel injection nozzle was tested by adopting three different nozzles; a dual orifice fuel nozzle, a hollow cone nozzle and a solid cone nozzle. These tests were combined with the three different swirler geometries; a dual-stage swirler with 40$^{\circ}$ /-4 5$^{\circ}$ vanes and two single-stage swirlers with 40$^{\circ}$ vane angle having 12 and 16vanes, respectively. Flow fields and spray characteristics were measured with APV(Adaptive Phase Doppler Velocimetry) under atmospheric condition using kerosine fuel. Temperatures were measured by Pt-PtI3%Rh, R-type thermocouple which was 0.2mm thick. It was found that the dual swirler resulted in the biggest recirculation zone with the highest reverse flow velocity at the central region, which lead the most stable combustion. The various combustion characteristics were observed as a function of the combination between the injector and swirler, that gave a tip for the better design of gas turbine combustor.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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