An experimental study is carried out on turbulent diffusion flames stabilized by a circular cylinder in a divergent duct flow. A commercial grade gaseous propane is injected from two slits on the rod as fuel. Flame stability limits, as well as size and temperrature of recirculation zone, are measured by direct and schlieren photographs to clarify the characteristics and structure of diffusion flames and to assess the effect of various divergent angle of duct. The results of the present study are as follows. Temperature in the recirculation zone decreases with increasing divergent angle. The blow-off velocity in parallel duct is higher than that in divergent duct. Critical blow-off velocity is expected to be about 8-12 degree through blow-off velocity pattern. Regardless of divergent angles, the length of recirculation zone is nearly constant, and this length becomes longer with rod diameter. Pressure gradient has an effect on the eddy structure in shear layer behind the rod. With the increase of divergent angle, large scale eddies by dissipated energy in shear layer are split into small scale eddies, and the flame becomes a typical distributedreacting flame.
The diffusional-thermal instability of diffusion flames in the premixed-flame regime is studied in a constant-density two-dimensional counterflow diffusion-flame configuration, to investigate the instability mechanism by which periodic wrinkling, travelling or pulsating of the reaction sheet can occur. Attention is focused on flames with small departures of the Lewis number from unity and with small values of the stoichiometric mixture fraction, so that the premixed-flame regime can be employed for activation-energy asymptotics. Cellular patterns will occur near quasisteady extinction when the Lewis number of the more completely consumed reactant is less than a critical value( ~ =0.7). Parametric studies for the instability onset conditions show that flames with smaller values of the Lewis number and stoichiometric mixture fraction and with larger values of the Zel'dovich number tend to be more unstable. For Lewis number greater than unity, near-extinction flame are found to exhibit either travelling instability or pulsating instability.
We analyze piecewise homogenization with flux-weighted cross sections and preservation of averaged currents at the boundary of the homogenized domain. Introduction of a set of flux discontinuity ratios (FDR) that preserve reference interface currents leads to preservation of averaged region reaction rates and fluxes. We consider the class of numerical discretizations with one degree of freedom per volume and per surface and prove that when the homogenization and computing meshes are equal there is a unique solution for the FDRs which exactly preserve interface currents. For diffusion submeshing we introduce a Jacobian-Free Newton-Krylov method and for all cases considered obtain an 'exact' numerical solution (eight digits for the interface currents). The homogenization is completed by extending the familiar full assembly homogenization via flux discontinuity factors to the sides of regions laying on the boundary of the piecewise homogenized domain. Finally, for the familiar nodal discretization we numerically find that the FDRs obtained with no submesh (nearly at no cost) can be effectively used for whole-core diffusion calculations with submesh. This is not the case, however, for cell-centered finite differences.
Numerical simulation of an axisymmetric ethylene-air jet diffusion flame has been carried out in order to investigate flame dynamics and soot formation. The model solves the time-dependent Navier-Stokes equations and includes models for soot formation, chemical reaction, molecular diffusion, thermal conduction, and radiation. Numerically FCT(Flux Corrected Transport) and DOM(Discrete Ordinate Method) methos are used for convection and radiation trasport respectively. Simulation was conducted for a 5 cm/sec fuel jet flowing into a coflowing air stream. The maximum flame temperature was found to be approximately 2100 K, and was located at an axial position of approximately 5 cm from the base of the flame. The maximum soot volume fraction was about $7{\times}10^{-7}$, and was located within the high temperature region where the fuel mole fraction ranges from 0.01 to 0.1. The buoyancy-driven low-frequency(12~13 Hz) structures convected along the outer region of the flame were captured. In case without radiation trasport, the maximum temperature was higher by 150 K than in case with radiation. Also the maximum soot volume fraction reached about $8{\times}10^{-6}$. As the the hydrocarbon fuel forms many soot particles, the radiation transport becomes to play a more important role.
Refined analysis depicting mass transportation and physicochemical reaction and reasonable computing load with acceptable DOFs are the two major challenges of numerical simulation for concrete durability. Mesoscopic numerical simulation for chloride diffusion considering binder, aggregate and interfacial transition zone is unable to be expended to the full structure due to huge number of DOFs. In this paper, a multiscale approach of combining both mesoscopic model including full-graded aggregate and equivalent macroscopic model was introduced. An equivalent conversion of chloride content at the Interfacial Transition Layer (ITL) connecting both models was considered. Feasibility and relative error were discussed by analytical deduction and numerical simulation. Case study clearly showed that larger analysis model in multiscale model expanded the diffusion space of chloride ion and decreased chloride content in front of rebar. Difference for single-scale simulation and multiscale approach was observed. Finally, this paper addressed some worth-noting conclusions about the chloride distribution and rebar corrosion regarding the configuration of rebar placement, rebar diameter, concrete cover and exposure period.
The synergistic effect of ethylene/propane mixture on soot formation is studied experimentally using a concentric co-flow diffusion burner, which provides the stratified fuel mixture. The soot volume fraction, soot particle diameter, number density and PAH concentrations are measured with various fuel supply configurations and compared to the homogeneously mixed case. When propane is supplied through the inner nozzle, an increase of soot formation is observed. However, when propane is supplied through the outer nozzle, a decrease is observed. The reaction path of PAH's formed from the pyrolysis process of propane is likely to be responsible to the observed differences. When propane is supplied through the outer nozzle, PAH's are formed in the relatively near oxidation region and exposed to the oxidization environment; on the other hand, when propane is supplied through the inner nozzle, PAH's are not likely to be oxidized and thus get involved in soot formation process. The synergistic effect in ethylene/propane diffusion flames is found to be affected not only by the com position of the mixture but also by the way of mixing.
Recently, attention has been paid to the flame diagnostic by noncontact methods which dose not deform the flame shape. One of them is a method which is using the radical luminous intensity. Generally, this diagnostic method using radical luminous has been investigated its reliability by applying to laminar flame. This study, however, investigated each radical luminous signals through stocastical analysis like auto-correlation, cross-correlation, phase and coherence which were acquired from measuring radical luminous intensity of OH, CH, $O_{2}$, radicals in turbulent diffusion flame. To compare radical luminous intensity in flame with temperature, ion current and concentration , radious distribution of each properties was investigated and considered. In radical luminous intensity, correlation in the reaction zone of flame was higher than in correlation in combusted gas zone. And radious distribution of radical luminous intensity was corresponded with radious distribution of temperature, ion current and concentration. The result of the study confirms that a radical luminous flame diagnosis is possible in the turbulent diffusion flame.
Based on the recently derived general expression for the rates of diffusion-controlled reactions, we calculate the rates of dismutation of the superoxide anion radical catalyzed by Cu/Zn superoxide dismutases (SOD). This is the first attempt to calculate the absolute rates of diffusion-controlled enzyme reactions based on the atomiclevel molecular dynamics simulations. All solvent molecules are included explicitly and the effects of the structural flexibility of enzyme, especially those of side chain motions near the active site, are included in the present calculation. In addition, the actual mobility of the substrate molecule is taken into account, which may change as the molecule approaches the active site of enzyme from the bulk solution. The absolute value of the rate constant for the wild type SOD reaction obtained from MD simulation is shown to be in good agreement with the experimental value. The calculated reactivity of a mutant SOD is also in agreement with the experimental result.
Selection of flow channel in the separation plate of PEMFC is very important parameter to improve its performance and reduce parasite loss. Flow patterns in the channel have great influence on the transport of hydrogen and all and water generated from electrochemical reaction in diffusion layer In this study, fluid flow in flow channel with parallel and interdigitated patterns are simulated three dimensionally on full flow domain including anode and cathode electrode together. The numerical results show that the fuel cell with interdigitated flow channel represents better performance than that with parallel flow channel due to its strong convective transport across the gas diffusion layer. But the pressure drop in parallel flow channel is much more than that in nterdigitated flow channel. The effect of temperature and stoichiometric number on performance can be calculated and analyzed as well.
The flame stabilization and the combustion characteristics of diffusion flame formed in the wake of a cylindrical bluff body with fuel injection are studied. With the turbulence generator, the flame stability limits and ion currents were measured and analyzed. The results from this experimental study are summarized as follows. The region with highest average value of ion currents in the middle of flame is moved to the upstream side by the turbulent components of main stream. The flame mass with partially active reaction is moved fast for uniform flow and turbulence generator G3, but the flame mass with relatively slow reaction is moved slowly for turbulence generator G1. If the turbulence generator with strong turbulent component is installed, the turbulent time scale is increased with movement from main stream side to recirculation zone as well as the flame stability limits is deteriorated. Though the special dominant frequency is not appeared in the eddy which exists in flame, high frequency characteristics are appeared in uniform flow and turbulence generator G3, and low frequency characteristics are appeared in uniform flow, turbulence generator G3 and G1.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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