This study has numerically modelled the combustion processes of the turbulent swirling premixed lifted flames in the low-swirl burner (LSB). In these turbulent swirling premixed flames, the four tangentially- injected air jets induce the turbulent swirling flow which plays the crucial role to stabilize the turbulent lifted flame. In the present approach, the turbulence-chemistry interaction is represented by the level-set based flame let model. Two-dimensional and three-dimensional computations are made for the various swirl numbers and nozzle length. In terms of the centerline velocity profiles and flame liftoff heights, numerical results are compared with experimental data The three-dimensional approach yields the much better conformity with agreements with measurements without any analytic assumptions on the inlet swirl profiles, compared to the two-dimensional approach. Numerical clearly results indicate that the present level-set based flamelet approach has realistically simulated the structure and stabilization mechanism of the turbulent swirling stoichiometric and lean-premixed lifted flames in the low-swirl burner.
The low NOx characteristics have been investigated to develop the combustor for micro turbine. The lean premixed combustion technology was applied to reduce the NOx emission. The test was conducted at the condition of high temperature and ambient pressure. The combustion air which has the temperature of $450\sim650K$ were supplied to the combustor through the air preheater. The temperature and emissions of NOx and CO were measured at the exit of combustor, The exit temperature and NOx were increased and CO was decreased with increasing inlet air temperature. The premixing chamber can be operated very lean condition of equivalence ratio around 0.35. The NOx was decreased with decreasing the equivalence ratio. The CO was decreased with decreasing the equivalence ratio, but the CO was increased with decreasing the equivalence ratio below 0.4. But, at the very lean condition of equivalence ratio below 0.35 both NOx and CO were increased because of the flame unstability. The NOx was decreased and CO was increased with increasing inlet air flowrate. This results can be used to determine the size of combustor. Consequently the performance of combustor shows the possibility of the application to the gas turbine system.
Co-flow axisymmetric laminar premixed flame of methane was used to study the influence of air temperature and $N_2$ addition on the flame structure, temperature field and emission characteristics. OH 2-D images and temperatures along the centerline were measured experimentally by PLIF and CARS techniques respectively to observe the influences of dilution and thermal effects of $N_2$ in the gas mixture. Also, the concentration of NOx was measured at each condition by gas analyser to see the suppression effect of N2 addition on NOx emissions. It was found that OH concentrations distribute widely as air temperature goes higher, while the effect of $N_2$ addition is not significant. But $N_2$ addition highly contributes to the flame front and NOx emissions which was argued to be due to the reduction of flame temperature. In accordance with experimental study, numerical simulation using CHEMKlN code was carried out to compare the temperature results with those acquired by CARS measurement, and we could find that there is good agreement between those results.
To clarify the effects of equivalence ratio, initial pressure and temperature on the flame propagation and radicals characteristics, a series of the experimental study were conducted in a quiescent methane-air premixture using a constant volume chamber. The development of the flame was visualized following the start of ignition using high speed schlieren photo and radical images by intensified CCD camera. Combustion pressure and ion current were recorded simultaneously according to the experimental conditions which were equivalence ratio with 0.7 to 1.2, initial pressure with 0.08 MPa to 0.40 MPa and initial premixture temperature with 3l3.2K to 403.2K. The results showed that the flame speed by ion current and mass fraction burned by combustion pressure characterized the effects of flame propagation very well. And increased combustion duration due to lean combustion condition that was below equivalence ratio, 0.8 caused cycle variation and decreasing the power of engine.
The propagation rates ($U_{edge}$) of various premixed edge-flames were measured as a function of global strain rate (${ \sigma}$), mixture strength, and Lewis number (Le). Using a counterflow slot-jet burner with electrical heaters at each end, both advancing (positive $U_{edge}$) and retreating (negative $U_{edge}$) edges can be studied as they propagate along the long dimension of the burner. Preliminary results are presented for single and twin premixed hydrocarbon edge-flames in terms of the effects on $U_{edge}$. A low-${\sigma}$ extinction limit has been discovered for all mixtures tested but further analysis is necessary for full characterization since sufficiently $high-{\sigma}$ leads to an apparent stability limit. Propagation rates clearly show a strong dependence on Le. Future work will focus on completing the premixed hydrocarbon edge-flame analysis and include investigations into non-premixed edge-flames and edge-flames composed of fuels such as hydrogen ($H_2$) with significantly lower Le.
In the present paper, the effects of combustion instability on flow structure and flame dynamic with the configurations of burner exit in a model gas turbine combustor are investigated using large eddy simulation(LES). A G-equation flamelet model is employed to simulate the unsteady flame behavior. As a result of mean flow field, the change of divergent half angle(${\alpha}$) at burner exit results in variations in the size and shape of the central toroidal recirculation(CTRZ) as well as flame length by changing corner recirculation zone(CRZ). The case of ${\alpha}=45^{\circ}$ show smaller size and upstream location of CTRZ than that of $90^{\circ}$ and $30^{\circ}$ by the development of higher swirl velocity. The flame length in the case of ${\alpha}=45^{\circ}$ is the most shortest, while that in the case of ${\alpha}=30^{\circ}$ is the longest by the decrease of effective reactive area with the absence of CRZ. Through the analysis of pressure fluctuation, it is identified that the case of ${\alpha}=45^{\circ}$ shows the most largest damping effect of pressure oscillation in all configurations and brings in the noise reduction of 2.97dB, comparing with that of ${\alpha}=30^{\circ}$ having the largest pressure oscillation. These reasons are discussed in detail through the analysis of unsteady phenomena about recirculation zone and flame surface. Finally the effects of flame-acoustic interaction are evaluated using local Rayleigh parameter.
본 연구에서는 다공성 매질을 이용하여 예혼합기체를 맥동연소시킬 때의 진동 특성, 열적특성 및 연소특성에 관한 것이다. 먼저, 맥동의 모우드형상 및 발생조건 을 열전달과 음향이론을 바탕으로하여 예측하고 실험을 통하여 검토하였다. 또한 맥 동에 의한 화염형상의 변화를 가시화하여 관측하고, 온도분포 및 배기가스의 조성등을 측정하여 맥동 연소와 비맥동 연소를 비교 고찰하였다.
Porous metal plates (Metal fiber, muti-hole metal plate) using mainly in surface burner are known to have a corrosion and durability problem under high temperature condition. In this study, premixed flat flame with perforated ceramic tile of more durable cordierite material was examined with respect to combustion stability and emission. The flat premixed ceramic burner consists of perforated ceramic tile and various type of baffle plates to form stable surface flame. The results show that most stable flat flame is generated using baffle plate with open ratio of 0.193. In downward flat flame mode which is widely used in condensing boiler, CO is measured below 50ppm from equivalence ratio 0.755 to 0.765 and $NO_X$ is measured below 12ppm from equivalence ratio 0.75 to 0.79. It is also found that the range of blue flame in flame stability curve becomes wider with increasing heat capacity.
In order to evaluate the effects of equivalence ratio, initial pressure and temperature on the laminar flame propagation process, and combustion radicals characteristics, experimental approaches are carried out in methane-air premixture using a constant volume chamber. Local and average radical intensities were measured to determine the time and spatial correlations between each radicals; C $H^{*}$(431 nm), $C_{2}$$^{*}$ (517 nm) and O $H^{*}$(309 nm) . The results are showed that two kinds of equation were proposed for the cases of continuous flame and intermittent flame type to evaluate actual equivalence ratio using relative intensities with each radicals. Both equations were agreed with actual equivalence ratio within 10% errors range. And schlieren photo and CCD image were compared with flame sizes at equivalence ratio 1.0.o 1.0.
고주파 연소불안정은 비정상 화염의 열방출율 섭동과 연소실 내부에서 공진되는 음향파의 상호 결합으로 발생하는 열음향 문제로, 다양한 해석적 접근방법이 존재한다. 본 논문에서는 주파수 영역에서 선형음향 가정과 시간지연 이론을 이용한 3차원 FEM Helmholtz solver의 개발 사례를 소개하였으며, 가변길이 희박 예혼합 연소기의 자발 연소불안정 예측과 수동제어기구(배플, 음향공진기)의 설계분석 결과를 제시하였다. 또한 시간 영역에서 시간지연 이론을 이용한 압축성 유동 해석코드를 통해, 고진폭 압력섭동에 의해 야기되는 비선형 음향 특성과 한계사이클 현상을 분석하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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