Park, Y.H.;Kim, S.L.;Moon, H.J.;Yoon, Y.B.;Jeung, I.S.
Journal of the Korean Society of Combustion
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v.5
no.1
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pp.19-30
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2000
The characteristics of NOx emissions in pure hydrogen nonpremixed flames with coaxial air are analyzed numerically for the three model cases of coaxial air flames classified by varying coaxial air velocity and/or fuel velocity. In coaxial air flames, the flame length is reduced by coaxial air and can be represented as a function of the ratio of coaxial air to fuel velocity. Coaxial air decreases flame reaction zone, resulting in reducing flame residence time significantly. Finally, the large reduction of EINOx is achieved by the decrease of the flame residence time. It is found that because coaxial air can break down the flame self-similarity law, appropriate scaling parameters, which are different from those in the simple jet flames, are recommended. In coaxial air flames, the flame residence time based on the flame volume produces better results than that based on a cube of the flame length. And some portion of deviations from the 1/2 scaling law by coaxial air may be due to the violation of the linear relationship between the flame volume and the flame reaction zone.
Partial quenching structure of turbulent diffusion flames in a turbulent mixing layer is investigated by the method of flame hole dynamics in order to develop a prediction model for turbulent flame lift off. The essence of flame hole dynamics is derivation of the random walk mapping, from the flame-edge theory, which governs expansion or contraction of flame holes initially created by local quenching events. The numerical simulation for flame hole dynamics is carried out in two stages. First, a direct numerical simulation is performed for constant-density fuel-air channel mixing layer to obtain the turbulent flow and mixing fields, from which a time series of two dimensional scalar dissipation rate array is extracted at a fixed virtual flame surface horizontally extending from the end of split plate to the downstream. Then, the Lagrangian simulation of the flame hole random walk mapping projected to the scalar dissipation rate array yields temporally evolving turbulent extinction process and its statistics on partial quenching characteristics. The statistical results exhibit that the chance of partial quenching is strongly influenced by the crossover scalar dissipation rate while almost unaffected by the iteration number of the mapping that can be regarded as a flame-edge speed.
Many previous works have been performed to provide correlations of flame length, theoretically and experimentally. Most of these results studied were conducted in vertical turbulent flame with no coaxial air condition. The present study analyzes the flame length scaling with coaxial air. In turbulent hydrogen non-premixed jet flames with coaxial air, flame length scaling theoretically proposed so far has been related with the concept of a far-field equivalent source. At high coaxial air to fuel velocity ratio, $U_A/U_F$, however, this scaling theory has some difference with experimental flame length data. This difference is understood to be due to the fact that the theory is based on far-field notion, while the effect of coaxial air on jet flame occurs in the region near the nozzle exit. Therefore, we define effective jet density $P_{eff}$ involving the concept of near-field so that effective jet diameter can be extended to the near-field region. In this condition, we modify the correlation and compare with experimental data.
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 1/2-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.
Partial quenching structure of diffusion flames in a turbulent mixing layer has been investigated by the method of flame hole dynamics in oder to develope a prediction model for the phenomenon of turbulent flame lift off. The present study is specifically aimed to remedy the shortcoming of the stiff transition of the conditioned partial burning probability across the crossover condition by employing the level-set method which enables us to include the effect of finite flame edge propagation speed. In light of the level-set simulation results with two models for the edge propagation speed, the stabilizing conditions for turbulent lifted flame are suggested. The flame hole dynamics combined with the level-set method yields a temporally evolving turbulent extinction process and its partial quenching characteristics is compared with the results of the previous model employing the flame-hole random walk mapping based on three critical scalar dissipation rates. The probability to encounter reacting state, conditioned with scalar dissipation rate, demonstrated that the conditional probability has a rather gradual transition across the crossover scalar dissipation rate. Such a smooth transition is attributed to the finite response of the flame edge propagation.
The evolution of incipient soot particles has been examined by high resolution electron microscopy (HRTEM) and elemental analyzer in ethylene-air inverse diffusion flames. Laser Induced Incandescence(LII) and laser scattering methods were introduced for examining the soot volume fraction and morphological properties in combustion generated soot qualitatively. Soot particles, collected by thermophoretic sampling, were analyzed by using HRTEM to examine the nano structure of precursor particles. HRTEM micrographs apparently reveal a transformation of condensed phase of semitransparent tar-like material into precursor particles with relatively distinct boundary and crystalline which looks like regular layer structures. During this evolution histories, C/H analysis was also performed to estimate the chemical evolution of precursor particles. The changes of C/H ratio of soot particles with respect to residence time can be divided into two parts: one is a very slowly increasing regime where tar-like materials are transformed into precursor particles (inception process) the other is an increasing region with constant rate where surface growth affects the increase of C/H ratio dominantly (surface growth process). These results provide a clear picture of a transition to mature soot from precursor materials.
Kim, Ji-Ho;Huh, Hwan-Il;Choi, Jeong-Yeol;Yoon, Young-Bin;Jeung, In-Seuck
한국연소학회:학술대회논문집
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1998.10a
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pp.123-129
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1998
A numerical study has been conducted to investigate the effect of shock waves on the mixing and the recirculation zone of a hydrogen jet diffusion flame in a supersonic combustor. The general trends are compared with the experimental results obtained from the supersonic combustor at the University of Michigan. For the numerical simulation of supersonic diffusion flames, multi-species Navier-Stokes equations and detailed chemistry reaction equations of $H_2$-Air are considered. The $K-{\omega}/k-{\varepsilon}$ blended two equation turbulent model is used. Roe's FDS method and MUSCL method are used for convection fluxes in governing equations. Numerical results show that when slender wedges are mounted at the combustor wall the mixing and the combustion are enhanced and the size of recirculation zone is increased . The flame shape of supersonic flames is different in the flame-tip; it is not closed but open. The flame shape is shown to be greatly affected by shock waves.
An experimental study was conducted to find the effect of a pilot flame on the flammability of inert-gas-diluted methane and propane. The diffusion pilot flame was formed with propane at the innermost nozzle of a concentric triple co-flow burner. The main diffusion flame was formed with nitrogen-diluted methane or propane at the outermost nozzle of the burner. An air flow was located in-between. The results showed that the existence of the pilot flame helped stabilizing the main flame even at the flammability limit concentration of nitrogen-diluted fuel. The co-flow burner generated re-circulation zones and local variation of equivalence ratio depending on the flow rates of the reactants, which are known to help flame stabilization. Hot-wire experiments confirmed that both heating of the reactants and supplying of active chemical species by the pilot flame contributed to stabilization of the main flame. The results of this study would suggest a design concept for an efficient SVRU system that minimizes the emission of unburned hydrocarbon fuel from ship fuel tanks.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2003.05a
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pp.83-86
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2003
The chemical laser system makes use of a diffusion type chemical reaction, so a fuel is separated from an oxidant by some gap, which is base in this system. In this study, the effects of base on the population inversion that is one of the most important things in the chemical laser system are numerically investigated. The results are discussed by comparison with three cases of base sizes; 0.4mm, 0.8mm and 1.6mm. Major results reveal that the range of population inversion also increases almost linearly in the transitions; DF$^{(2)}$ -DF$^{(1)}$ and DF$^{(3)}$ -DF$^{(2)}$ as the length of base becomes longer.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2010.11a
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pp.85-88
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2010
This study has been mainly motivated to numerically model the supercritical mixing and combustion processes encountered in the liquid propellant rocket engines. In the present approach, turbulence is represented by the extended $k-{\varepsilon}$ turbulence model. To account for the real fluid effects, the propellant mixture properties are calculated by using SRK (Souve-Redlich-Kwong) equation of state. In order to realistically represent the turbulence-chemistry interaction in the turbulent nonpremixed flames, the flamelet approach based on the real fluid flamelet library has been adopted. Based on numerical results, the detailed discussions are made for the real fluid effects and the precise structure of gaseous methane/liquid oxygen coaxial jet flame.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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