The effects of interaction between partially premixed and premixed swirl flames on CO and NOx emissions were experimentally investigated using a hybrid/dual swirl jet combustor for a micro-gas turbine. Under the condition of constant angle ($45^{\circ}$) for outer swirl vane, the angle and direction of inner swirl vane installed for a partially premixed flame were varied as main parameters with a constant fuel flow rate for each nozzle. It was found that for all conditions, CO and NOx emissions were measured below 4 ppm and 15 ppm at 15% $O_2$, respectively, in a wide range of equivalence ratio (0.6~0.9). For co-swirl flows, CO emission increased dramatically as the angle of inner swirl vane increased from $15^{\circ}$ to $45^{\circ}$ near lean-flammability limit (i.e. equivalence ratio of 0.5). On the other hand, the case of swirl $angle=45^{\circ}$ provided the lowest NOx emission at higher equivalence ratios than 0.6. For counter-swirl flows, the case of swirl $angle=45^{\circ}$ extended the lean-flammability limit but higher NOx emissions were found compared to those of co-swirl flows. These results could be inferred by interaction between (inner) partially premixed and (outer) premixed swirl flames. However, these estimations were not clear yet because there was insufficient data on turbulent flow structure and fuel-air mixing in the present experimental approach.
In this study, the fire extinguishing experiment was performed using a water mist nozzle with variation of factors which affect on the extinguishing time. The variables were distance from nozzle center to fire location, droplet size, height of nozzle and opening or not. With the experimental data, interaction and sensitivity between factors were analysed with Mini tab and deduce a optimum model of fire extinguishing of water mist system. Based on the experiment and modeling of fire extinguishing with water mist system, the most important factor on extinguishing time is the distance from the center of nozzle to fire and the opening effect was small compare with other factors.
A two-dimensional direct numerical simulation is performed to investigate the flame structure of $CH_4/N_2-Air$ counterflow nonpremixed flame interacting with a single vortex. The detailed transport properties and a modified 16-step augmented reduced mechanism based on Miller and Bowman#s detailed reaction mechanism are adopted in this calculation. To quantify the strain on flame induced by a vortex, a scalar dissipation rate (SDR) is introduced. The results show that fuel-side and air-side vortex cause an unsteady extinction. In this case, the flame interacting with a vortex is extinguished at much larger SDR than steady flame. It is also found that air-side vortex extinguishes a flame more rapidly than fuel-side vortex. The unsteady effect induced by flame-vortex interaction does not lead to a transient OH overshoot of the maximum steady concentration observed in experiment, while $HO_2$ radical increases more than the maximum steady concentration with increasing SDR. In addition, it is seen that NO and $NO_2$ are not sensitive to the unsteady variation of SDR.
Experimental investigations were performed to examine the characteristics of propagating flame fronts around multiple bars within a rectangular chamber. The explosion chamber is 400 mm in height, $700{\times}700mm^2$ in cross-section and has a large top-venting area, $A_v$, of $700{\times}210mm^2$. This results in a value of 0.44 for $A_v/V^{2/3}$ and a L/D value of 0.57. The multiple obstacles of length 700 mm with a blockage ratio of 30 % were placed within the chamber. Temporally resolved flame front images were recorded by a high speed video camera to investigate the interaction between the propagating flame and the obstacles. Results showed that the flame propagation speeds before the flame impinges onto the obstacle almost equal to the laminar burning velocity. As the propagating flame impinged on the obstacle, the central region of flame began to become concave, this resulted in the flame deceleration in the region. As the flame interacted with the modified flow filed generated behind the central obstacle, the probability density functions(PDFs) of the local flame displacement speed were extensively distributed toward higher speeds.
Kim, Hyun-Jun;Cho, Soo-Yeong;Lee, Young-hun;Yoh, Jai-ick
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.48
no.2
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pp.135-146
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2020
To define an interface in a conventional level-set method, an analytical function must be revealed for an interfacial geometry. However, it is not always possible to define a functional form of level sets when interfaces become complex in a Cartesian coordinate system. To overcome this difficulty, we have developed a new level-set formalism that discriminates the interior from the exterior of a CAD modeled interface by parameterizing the stereolithography (STL) file format. The work outlined here confirms the accuracy and scalability of the hydrodynamic reactive solver that utilizes the new level set concept through a series of tests. In particular, the complex interaction between shock and geometrical confinements towards deflagration-to-detonation transition is numerically investigated. Also, a process of flame spreading and damages caused by point source detonation in a real-sized plant facility have been simulated to confirm the validity of the new method built for reactive hydrodynamic simulation in any complex three-dimensional geometries.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.39
no.2
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pp.135-146
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2015
This paper is the fourth on the combustion characteristics of the landfill gas in a constant volume combustion chamber for a large displacement volume commercial engine and the second dealing with torch ignition. It discusses the combustion characteristics of torch ignition on the basis of the heat release and visualization. The results show that the jet and/or spout from the torch promote combustion by accelerating the flame front in the main combustion chamber. In addition, a hot gas jet exists when the orifice diameter is 4 mm, whereas the flame passes directly through the orifice if the diameter is 6 mm or greater. In addition, the effect of torch ignition differs according to the combination of the methane fraction, torch volume, and orifice size because various combustion processes occur as a result of the interaction of these parameters. Finally, it was found that the most suitable torch should have an orifice diameter of not less than 6 mm and an area ratio of not more than 0.15 to secure a consistent combustion process in a real engine.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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v.y2005m4
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pp.274-280
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2005
Experimental investigations were carried out in an atmospheric pressure, optically accessible and laboratory-scale dump combustor. The objective of this study is to obtain the phase-resolved gas temperatures at different phases of the oscillating pressure cycle during unstable combustion. To see the effect of incomplete fuel-air mixing on phase-resolved temperature characteristics, CARS temperature measurements were performed. Results including phase-resolved averaged temperature, normalized standard deviation and temperature probability distribution functions (PDFs) were provided in this paper. It could be found that the profile of mean temperature showed the in-phase relationship with pressure cycle. Temperature PDFs give an insight on the flame behavior as well as NOx emission characteristics. These results would be expected to play an important role in better understanding of driving mechanisms and thermo-acoustic interactions.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.32
no.10
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pp.28-37
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2004
A two-dimensional direct numerical simulation was performed to investigate the evolution and vortical structure of a single vortex in reacting and non-reacting jet flow fields. A predictor-corrector-type numerical scheme with a low Mach number approximation was used, and a two-step global reaction mechanism was adopted as the combustion model. Through the comparisons of single vortex behaviors in reacting and non-reacting jet flow fields, it was found that the evolution characteristics and vortical structure of the single vortex were significantly influenced by a outer vortex that was generated from the buoyance effect as well as the chemical heat release. Furthermore, it was also identified that the differences of the vortical structure in reacting and non-reacting jet flow fields were mainly attributed to the thermal expansion, Baroclinic torque and buoyance effect.
The effects of strain rate and preferential diffusion of $H_2$ on flame extinction are numerically studied in interacting premixed syngas-air flames with fuel compositions of 50% $H_2$ + 50% CO and 30% $H_2$ + 70% CO. Flame stability diagrams mapping lower and upper limit fuel concentrations at flame extinction as a function of strain rate are examined. Increasing strain rate reduces the boundaries of both flammable lean and rich fuel concentrations and produces a flammable island and subsequently even a point, implying that there exists a limit strain rate over which interacting flame cannot be sustained anymore. Even if effective Lewis numbers are slightly larger than unity on extinction boundaries, the shape of the lean extinction boundary is slanted even at low strain rate, i.e. $a_g=30s^{-1}$ and is more slanted in further increase of strain rate, implying that flame interaction on lean extinction boundary is strong and thus hydrogen (as a deficient reactant) Lewis number much less than unity plays an important role of flame interaction. It is also shown that effects of preferential diffusion of $H_2$ cause flame interaction to be stronger on lean extinction boundaries and weaker on rich extinction boundaries. Detailed analyses are made through the comparison between flame structures with and without the restriction of the diffusivities of $H_2$ and H in symmetric and asymmetric fuel compositions. The reduction of flammable fuel compositions in increase of strain rate suggests that the mechanism of flame extinction is significant conductive heat loss from the stronger flame to ambience.
Numerical study was conducted to clarify effects of added $CO_2$ for the downstream interaction between $H_2$-air and CO-air premixed flames in counterflow configuration. The reaction mechanism adopted was Davis model which had been known to be well in agreement with reliable experimental data. The results showed that both lean and rich flammable limits were reduced. The most discernible difference between the two with and without having $CO_2$ addition into $H_2$-air and CO-air premixtures was two flammable islands for the former and one island for the latter at high strain flame conditions. Even a small amount of $H_2$, in which $H_2$-air premixed flame cannot be sustained by itself, participates in CO oxidation, thereby altering the CO-oxidation reaction path from the main reaction route $CO+O_2{\rightarrow}CO_2+O$ with a very long chemical time in CO-air flame to the (H, O, OH)-related reaction routes including $CO+OH{\rightarrow}CO_2+H$ with relatively short chemical times. This intrinsic nature alters flame stability maps appreciably. The results also showed that chemical effects of added $CO_2$ suppressed flame stabilization. Particularly this phenomenon was appreciable at flame conditions which lean and rich extinction boundary was merged. The detailed discussion of chemical effects of added $CO_2$ was addressed to the present downstream interaction.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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