본 연구에서는 선회가 없는 중심기류와 주위기류의 난류 전단층에서 형성되는 난류확산화염의 천이영역(transition region)에 주목하여 전단층내의 혼합작용과 화염 구조와의 상호작용을 규명하기 위해 거시적 및 순간적인 화염구조에 대해 실험적으로 조사 연구한 결과를 보고한다.
Measurements of flame length, width and NOx emissions have been conducted to investigate the effect of an acoustic excitation on flame structure in turbulent hydrogen diffusion flames with coaxial air. The resonance frequency of oscillations was varied between 259 ,514 and 728 Hz with power rate of 0.405 and 2.88w. When these frequencies imposed to hydrogen flames, dramatic reduction of flame length and NOx emission was achieved. And acetone planar laser-induced fluorescence technique was used to measure a concentration of the near field of driven axisymmetric jet. The air-fuel stoichiometric line was plotted to investigate the mixing layer and development of air entrainment to fuel jet. Consequently, acoustic excitation on flame could enhance the air-fuel mixing resulting in abatement of NOx emission quantitatively.
Extinction characteristics of pure hydrogen-oxygen diffusion flames, at high pressures in the neighborhood of the critical pressure of oxygen, is numerically studied by employing counterflow diffusion flame as a model flame let in turbulent flames in rocket engines. The numerical results show that extinction strain rate increases almost linearly with pressure up to 100 atm, which can be explained by comparison of the chain-branching-reaction rate with the recombination-reaction rate. Since contributions of the chain-branching reactions, two-body reactions, are found to be much greater than those of the recombination reactions, three-body reactions, extinction is controlled by two-body reactions, thereby resulting in the linearity of extinction strain rate to pressure. Therefore, it is found that the chemical kinetic behaviors don't change up to 100 atm. Consideration of the pressure fall-off reactions shows a slight increase in extinction strain rate, but does not modify its linearity to pressure. The reduced kinetic mechanisms, which were verified at low pressures, are found to be still valid at high pressures and show good qualitative agreement in prediction of extinction strain rates. Effect of real gas is negligible on chemical kinetic behaviors of the flames.
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.
It was experimentally studied that the stabilization mechanism of turbulent, lifted jet flames in a non-premixed condition to reveal the newly found liftoff height behavior of hydrogen jet. The objectives 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 hydrogen jet velocity was changed 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 a result, it was found that the stabilization of lifted hydrogen diffusion flames is correlated with a turbulent intensity and Karlovitz number.
The performance in the practical combustion system including reciprocating engines and gas turbine combustors is being much governed by turbulent reacting flow that is often analyzed by both a laminar flamelets concept and flame interaction. The characteristics of laminar flame interaction have been investigated numerically to provide basic understanding of wrinkled turbulent flames under concentration interaction resulting from inhomogeneity in fuel-air mixing, especially focused on the transition of flame characteristics such as diffusion flame, partially premixed diffusion flame, and triple-layer flame by the variation in the degree of premixedness. The extinction stretch rates to the premixedness have also been obtained in this paper. The boundary defining the regime of the existence of triple-layer flames as functions of both stretch rate and premixedness has been determined which agrees well with previously reported experiment measuring OH radical concentration peaks based on PLIF.
The stability of turbulent nonpremixed interacting flames is investigated in terms of nozzle configuration shapes and kind of fuels. Four nozzle arrangements - cross 5, matrix 8, matrix 9 and circle 8 nozzles - are used in the experiment. There are many parameters affecting flame stability in multi-nozzle flames such as nozzle separation distance, fuel flowrates and nozzle configuration etc. Key factors to enhance blowout limit are the nozzle configuration and the existence of center nozzle. Even nozzle exit velocity equal 204 m/s, flame is not extinguished when there is not a center nozzle and s/d=15.3∼27.6 in matrix-8 and circular-8 configurations. At these conditions, recirculation of burnt gas is related with stability augmentation. Fuel mole fraction measurements using laser induced fluorescence reveal lifted flame base is not located at the stoichiometric contour.
The flame chemiluminescence is a good tracer of flame statement. In this study, the characteristics of flame chemiluminescence($OH^*$, $CH^*$, ${C_2}^*$) according different measuring locations using photomultiplier(PMT), spectrometer and CCD camera. Measurements are made for $OH^*$, $CH^*$, ${C_2}^*$ radicals in gas & light oil diffusion flames. At turbulent nonpremixed combustion mode, the equivalence ratio is varied. The experimental results showed that measuring location affects the result of flame chemiluminescence.
The effects of radiative heat transfer are investigated in a turbulent combustion flow field with highly non-adiabatic flames. Turbulent combustion is modeled by the $k-{\varepsilon}-g$ model and a one step irreversible reaction scheme for the combustion chemistry. The radiative trasport equation is solved by the finite volume method considering the radiative transfer from $CO_2,\;H_{2}O$ and soot only. Gray gas is assumed to calculate the radiative properties of $CO_2\;and\;H_2O$. A two-equation soot formation model is applied to predict soot volume faction distribution. All equations are solved in a coupled manner and the numerical results are compared with available experimental data.
The effects of burnt gas mixing, which can be caused by turbulent eddy mixing, on the interaction and extinction characteristics of premixed flames are analyzed using large activation energy asymptotics adopting counterflow as a model problem. The results show that the burnt gas mixing, preferential diffusion and heat loss affect the fuel consumption rate, flame temperature and the oxidizer concentration at the flame which influence the flame behavior and the extinction characteristics.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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