The stabilization mechanism of turbulent, lifted jet flames in a non-premixed condition has been studied experimentally. The objectives are to explain the phenomenon of a liftoff height decreasing as increasing fuel velocity and to reveal the mechanisms of flame stability Hydrogen was varied from 100 to 300 m/s and a coaxial air was fixed at 16 m/s with a coflow air less than 0.1 m/s. The technique of PIV and OH PLIF was used simultaneously with CCD and ICCD cameras. It was found that the liftoff height of the jet decreased with an increased fuel jet exit velocity. The leading edge at the flame base was moving along the stoichiometric line. Finally we confirmed that the stabilization of lifted hydrogen diffusion flames is related with a turbulent intensity, which means combustion is occurred where the local flow velocity is equal to the turbulent flame propagation velocity.
본 연구에서는 저자들이 이미 발표한 난류 화염에서의 매연 농도 분포 해석을 포함한 화염 구조 및 복사 열전달의 해석에 대한 연구와 관련하여, 난류 화염에서의 생성된 매연 입자의 재연소 속도에 관한 새로운 모델을 제시한다.구체적인 방법 으로, 난류 화염에 대한 난류 지배 방정식의 매듭(closure) 문제로서 문제가 되고 있는 난류 모델과 반응 속도 모델에 대해서는 비교적 잘 정립되어 있다고 할 수 있는 축대칭 분류 유동을 선택하여, 난류 모델과 난류 연소 속도 모델을 고정하고, 난류 화염에서의 매연 생성 및 연소 모델을 검토하였다.
The relationship among the flame radiation, NOx emissions, residence time, and global strain rate are examined for turbulent non-premixed jet flames with wide variations in coaxial air conditions. Measurements of NOx emission, flame geometry and flame radiation were made to explain the NOx emission scaling based on global parameters such as flame residence time, global strain rate, and radiant fraction. The overall 1/2-power scaling is observed in coaxial air flames, irrespective of coaxial air conditions, but the degree of deviation from the l/2-slope curve in each case differs from one another. From the comparison between the results of pure hydrogen flames and those of helium diluted hydrogen flames, it is observed that flame radiation plays a significant role in pure hydrogen flames with coaxial air and the deviation from 1/2-power scaling may be explained in two reasons: the difference in the flame radiation and the difference in jet similarity in coaxial air flames. From the radiation measurements, more detailed explanations on these deviations were suggested.
Experimental investigations were conducted for two hydrogen-nitrogen coaxial jet diffusion flames. A flame was a conventional coaxial jet diffusion flame and the other was a coaxial jet diffusion flame of which ambient air-jet turbulence was intensified. In this study, firstly two kinds of NOx measuring system were campared by using different convertors, secondly the NOx formation characteristics were investigated in order to examine the effect of turbulence intensity. In this study it is known that stainless convertor has some problem in the converting process from NO$_2$to NO in fuel rich region but molybdenum convertor can detect the amount of NOx correctly. The increase of turbulence intensity reduces the thermal NOx less than a half in our experiment and this effect is conspicuous near the nozzle. The conversion rate from NO to NO$_2$and the portion of NO$_2$among NOx are increased with turbulence intensity. These NOx measurements will help to understand the influences of turbulence intensity on NOx formation.
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.
To reveal the newly found liftoff height behavior of hydrogen jet, we have experimentally studied the stabilization mechanism of turbulent, lifted jet flames in a non-premixed condition. The objectives of the present research are to report the phenomenon of a liftoff height decreasing as increasing fuel velocity, to analyse the flame structure and behavior of the lifted jet, and to explain the mechanisms of flame stability in hydrogen turbulent non-premixed jet flames. The velocity of hydrogen was varied from 100 to 300m/s and a coaxial air velocity was fixed at 16m/s with a coflow air less than 0.1m/s. For the simultaneous measurement of velocity field and reaction zone, PIV and OH PLIF technique was used with two Nd:Yag lasers and CCD cameras. As results, it has been found that the stabilization of lifted hydrogen diffusion flames is related with a turbulent intensity, which means that combustion occurs at the point where the local flow velocity is balanced with the turbulent flame propagation velocity.
The combustion characteristics of 0.03MW turbulent methane/oxygen diffusion flames have been investigated to give basic informations for designing industrial oxyfuel combustors. NOx reduction has become one of the most determining factors in the combustor design since 3-5% nitrogen is intrinsically included from the current oxygen producing processes. Flame lengths and NOx concentrations were measured by varying flow velocities with and without installing quarls. Flame stabilities are significantly enhanced by oxyfuel combustion in contrast to air-fuel combustion. Flame length decreases with increasing fuel or oxygen velocity because of the enhancement of turbulent mixing. NOx concentration was reduced with increasing flo velocities. This can be attributed to the entrainment of inert product gases into flame decreasing flame temperature. The installation of quarl on the burners rather increased NOx concentration since the quarl blocked the entrainment above the nozzles.
Extinction characteristics and acoustic response of hydrogen-air diffusion flames at various pressures are numerically studied by employing counterflow diffusion flame as a model flamelet in turbulent flames in combustion chambers. The numerical results show that extinction strain rate increases linearly with pressure and then decreases, and increases again at high pressures. Thus, flames are classified into three pressure regimes. Such nonmonotonic behavior is caused by the change in chemical kinetic behavior as pressure rises. The investigation of acoustic-pressure response in each regime, for better understanding of combustion instability, shows different characteristics depending on pressure. At low pressures, pressure-rise causes the increase in flame temperature and chain branching/recombination reaction rates, resulting in increased heat release. Therefore, amplification in pressure oscillation is predicted. Similar phenomena are predicted at high pressures. At moderate pressures, weak amplification is predicted since flame temperature and chain branching reaction rate decreases as pressure rises. This acoustic response can be predicted properly only with detailed chemistry or proper reduced chemistry.
Numerical simulations were carried out using standard Reynolds stress turbulence model(LRR model) and modified RSM(Janicka model ) to validate these models in combustion flow fields. Two flames were selected for use as a benchmark data for model testing. One is a conventional jet diffusion flame that has the effect of suppression of turbulence by combustion. The other is a triple jet diffusion flame that designed to give high turbulence to the periphery of the flame and to remove the low Reynolds-number flow fields. As a result, it was found that the modification of standard RSM model is indispensable in the modelling of flames with low turbulence region. And it is also necessary to improve the existing modified models for the universal use.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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