Wall flush mounted injector with various orifice shape and injection conditions, were examined to enhance jet penetration and mixing in supersonic cross flow, in view of application to air-breathing accelerator vehicle. Orifice shapes with high aspect ratio were found to preferable for better penetration in the cold flow, and in the reacting flow for scramjet-mode combustion conditions. However, the effectiveness of the high aspect ratio was diminished in the dual-mode combustion conditions. Supersonic injection was applied to the high aspect ratio orifice, and further increase in penetration was observed in the cold and reactive flow for scramjet-mode combustion conditions, however, mixing enhancement due to mixing layer / pseudo-shock wave system interaction was dominant in the dual-mode combustion conditions. Difficulty in attaining ignition in the case with the high aspect ratio orifice was encountered during the combustion tests.
Recently, gas turbines for power generation adopt multistage DLN(Dry Low NOx) type combustion, where diffusion combustion is applied at low load and, with increase in load, the combustion mode is changed to lean premixed combustion to reduce NOx emissive concentration. However, during the mode changeover from diffusion to premixed flame, unfavorable phenomena, such as flashback, high amplitude combustion oscillations, or thermal damage of combustor parts could frequently occur. In the present study, to apply for the analysis of such unfavorable phenomena, three-dimensional CFD investigations are carried out to compare the detailed flow characteristics and temperature distribution inside the gas turbine combustor before and after combustion mode changeover. The fuel considered here is pure methane gas. A standard $k-{\varepsilon}$ turbulence model with wall function and a P-N type radiation heat transfer model, have been utilized. To analyze the complex geometric effects of combustor parts on combustion characteristics, fuel nozzles, a swirl vane f3r fuel-air mixing, and cooling air holes on the combustor liner wall, are included in this simulation.
본 연구는 Kim과 Chiu가 사용한 연속체 관점에서 유도된 액체-기체상의 2상유 동모델(Two Phase Flow:TPF)을 이용하여 초기 집단연소수(group combustion number)의 크기, 즉 액적들의 초기 분포상태에 따른 연소상태를 예측 분류한다. 또한 이때 예 측된 대표적인 연소상태에서 형성되는 화염의 성질을 비교 검토한다.
An analytical study on performance of superdetonative mode ram accelerator was conducted for understanding the S225 experimental result of ISL. It would be noticeable that ISL S225 experimental result could be analytically simulated with the assumptions of inlet shockwave, equilibrium combustion chemistry, temperature dependent specific heat, and C-J oblique detonation in superdetonative operation mode. As result, the S225 experiment could be affected by heat of aluminum. Also, this study showed that the improper assumption, like isentropic assumption on shockwave, or constant specific heat on combustion, might cause misunderstanding about experimental result.
The main objective of this study was investigation of combustion instability characteristics in a lean partially premixed gas turbine dump combustor. Dynamic pressure transducers were located on combustor and inlet section to observe combustion pressure oscillation and difference at each measurement places. Also flame shape and $CH^*$ chemiluminescence were measured using a high speed ICCD camera. The combustor length was varied in order to have different acoustic characteristics from 800 to 1090 mm. The first section of this paper shows the stability map in model gas turbine combustor. And the effects of combustor length, mixture velocity in the mixing section and equivalence ratio were studied by the pressure perturbation and heat release oscillation. Also, the instability frequency and mode analysis were studied in last two sections. We observed two dominant instability frequencies in this study. Lower frequencies were obtained at lower equivalence ratio region and it was associated with a fundamental longitudinal mode of combustor length. Higher frequencies were observed in higher equivalence ratio conditions. It was related to secondary longitudinal mode of combustor and mixing section. In this instability characteristics, pressure oscillation of mixing section part was larger than pressure oscillation of combustor. As a result, combustion instability was strongly affected by acoustic characteristics of combustor and mixing section geometry.
An analytical study on performance evaluation of superdetonative mode ram accelerator was conducted for understanding the experimental result. The quasi-one dimensional continuum, momentum, energy equations were solved under the assumption of inviscid flow. It would be noticeable that experimental result could be analytically simulated with the assumptions of inlet shockwave, temperature dependent specific heat, and additional aluminum combustion due to ablation of aluminum projectile in superdetonative operation mode. The acceleration of ram accelerator was comparable to experimental result with the consideration of the additional aluminum combustion energy by ablation of projectile. As result, the experimental result with the aluminum projectile could be affected by heat of aluminum.
As one of the main technologies for carbon capture and storage in power generation, oxy-coal combustion is being developed for field demonstration in Korea. This study presents the results of numerical simulation for combustion in a single-wall-fired 100 $MW_e$-scale boiler proposed for the initial design of the demonstration plant. Using a commercial CFD code, the detailed combustion, flow and heat transfer characteristics were assessed both for air-mode and oxy-mode combustion. The results show that stable combustion can be achieved in the dual mode operation with the current boiler configuration. However, the differences in the flow pattern and heat transfer between the two combustion modes need to be considered in the design and operation which is mainly due to the larger density and specific heat of $CO_2$ compared to $N_2$. Further development of the boiler design is required using improved numerical modeling for radiative heat transfer and combustion.
A promising new approach to achieve low pollutants emission and improvement of flame stabilities is tested experimentally using a hybrid cyclone jet combustor employing both premixed and diffusion combustion mode, Three kind of nozzles are used for LNG(Liquified Natural Gas) as a fuel. The combustor is operated by two method, One is ATI(Air Tangential Injection) mode, generated swirl flow by air as general swirl combustor, and the other is PTI(Premixed gas Tangential Injection) mode, The PTI mode consists of diffusion flame of axial direction and premixed cyclone flame of tangential direction in order to stabilized the diffusion flame. The results showed that the stable region of the PTI mode is more larger than the ATI mode. In addition, the reduction of NOx emission in PTI mode, as compared with that for the ATI mode is at least 50% in stable region. Also, even using the low calorific fuel as $CO_2$-blended gas, the cyclone jet combustor has high performance of flame stability.
A Promising new approach to achieve low pollutant emissions and improvement of flame stability is tested experimentally using a cyclone jet hybrid combustor employing both premixed and diffusion combustion mode. Three kinds of nozzle are tested for mixing enhancement of fuel and air. The LNG (Liquified Natural Gas) is used as a fuel. The combustor is operated by two methods. One is DC (Diffusion Combustion) mode generated swirl flow by air as general swirl combustor, and the other is HC (Hybrid Combustion) mode. The HC mode consists of diffusion jet flame of axial direction and premixed cyclone flame of tangential direction in order to stabilized the diffusion jet flame. The results showed that the flame stability of HC mode is significantly enhanced than that of DC mode through the change of mixing characteristics by modifications of fuel nozzle. In addition, the reductions of CO and NOx emission in HC mode, as compared with that for the DC mode, is large than about 50% in stable region. Also, even using the low calorific fuel as $CO_2$-blended gas, it is identified that the cyclone jet hybrid combustor has the high performance of flame stability.
Hot-firing tests were performed to experimentally confirm the effect of the eigenmode in the fuel-air mixing section on combustion instability by changing mixing section length, inlet mean velocity, equivalence ratio, and swirler geometry. A premixed gas composed of air and ethylene was supplied to the combustion chamber through an mixing section and an axial swirler. As the mixing section length increased, the inlet velocity perturbation decreased, but the combustion instability increased more. It was found that the resonance frequency of the first longitudinal mode in the mixing section shifted to the third longitudinal mode as the length of the mixing section increased. The results implied that the transition of the resonace frquency by changing the length of the mixing section might cause combustion instability.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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