Kim, Hong-Jip;Lee, Kwang-Jin;Seo, Seong-Hyeon;Kim, Seung-Han;Han, Yeoung-Min;Seol, Woo-Seok
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.33
no.1
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pp.69-77
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2005
To optimize and limit the axial length of the baffle of the KSR-III engine, stability rating tests using pulse gun as one of artificial disturbance devices have been done. Generally a rocket engine can be considered to be dynamically stable if a certain imposed external perturbation or pressure oscillation in rocket combustion chamber could be suppressed within a short time period. Decay time and other parameters for the evaluation of stabilization ability of an engine to external perturbation have been analyzed to quantify stabilization capacity of engine, in other words, dynamic stability margin. Baffle not covering flame zone enough which can be considered as collision region of injector wasn't be able to suppress external perturbation sufficiently. The limit of combustion stability margin of engine is assumed to be 50 mm length baffle of the KSR-III engine.
Influence of changing combustor pressure on flame stabilization and emission index in the swirl-stabilized flame was investigated. The combustor pressure was controlled by suction fan at combustor exit. Pressure index ($P^{\ast}$=Pabs/Patm), where Pabs and Patm indicated the absolute pressure and atmosphere pressure, respectively, was controlled in the range of 0.7${\sim}$1.3 for each equivalence ratio conditions. The flammable limits of swirl flames were largely influenced by changing combustor pressure and they showed similar tendency with laminar flames. NOx emission index decreased with decreasing pressure index for overall equivalence ratio conditions. R.m.s. of pressure fluctuations is increased with decreasing combustor pressure. This flame fluctuation caused incomplete combustion, hence CO emission index increased. These oscillating flames were measured by simultaneous $CH^{\ast}$ chemiluminescence time-series visualization and pressure fluctuation measurement.
The lifted oscillating flame has been studied using experiments of inverse diffusion flames that the air jet injected into a methane background. To find out the characteristics of inverse diffusion flames, fundamentally flame stabilized diagram is investigated with various air and fuel jet velocities. It has five regions - flame extinction, stable attached flame, anchored flame, liftoff flame and blow off region. In inverse diffusion flame, lifted flames were observed near the blow off region. As long as flames lift off, flames oscillate by periods. In this oscillating lifted flame region, the frequency of 1 and under were observed in various air and methane jet velocities. Characteristics of lifted flames are also examined by using the ICCD direct image. And intensity of flame chemiluminescence is very different in rising and falling period from photographs. For the present, it is predicted that the changes of flame structure are related with flame oscillation, but more experiments will be needed to make clear the phenomenon.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.27
no.8
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pp.1158-1164
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2003
Steady-state structure and acoustic-pressure responses of $H_2$/Air counterflow diffusion flames are studied numerically with a detailed chemistry in view of acoustic instability. The Rayleigh criterion is adopted to judge acoustic amplification or attenuation from flame responses. Steady-state flame structures are first investigated and flame responses to various acoustic-pressure oscillations are numerically calculated in near-equilibrium and near-extinction regimes. The acoustic responses of $H_2$/Air flame show that the responses in near-extinction regime always contribute to acoustic amplification regardless of acoustic-oscillation frequency Flames near extinction condition are sensitive to pressure perturbation and thereby peculiar nonlinear responses occur, which could be a possible mechanism in generating the threshold phenomena observed in combustion chamber of propulsion systems.
Acoustic characteristics in an industrial gas-turbine combustor are numerically investigated by a linear acoustic analysis. Spatially non-homogeneous temperature field in the combustor is considered in the numerical calculation and the characteristics are analyzed in view of acoustic instability. Acoustic analyses are conducted in the combustors without and with acoustic resonator, which is one of the acoustic-damping devices or combustion stabilization devices. It has been reported that severe pressure fluctuation frequently occurs in the adopted combustor, and the measured signal of pressure oscillation is compared with the acoustic-pressure response from the numerical calculation. The numerical results are in good agreement with the measurement data. In this regard. the phenomenon of pressure fluctuation in the combustor could be caused by acoustic instability. From the numerical results for the combustor with present acoustic resonators installed, the acoustic effects of the resonators are analyzed in the viewpoints of both the frequency tuning and the damping capacity. It is found that the resonators with present specifications are not optimized and thus, the improved specification or design is required.
The reattachment characteristics of propane lifted flames in laminar coflow jets influenced by AC electric fields have been investigated experimentally in low AC frequency range. The reattachment velocity and height have been measured by varying the applied AC voltage and frequency. The results showed that the reattachment of lifted flame occurred at relatively higher jet velocity with AC electric fields, comparing to that without having AC electric fields. The effect of AC electric fields became more effective at higher voltage and lower frequency in the AC frequency range larger than 30 Hz. However, in the low frequency range below 30 Hz, the reattachment velocity decreased with decreasing frequency. Consequently, there existed a transition regime, for the frequency smaller than about 30 Hz. Also, when the AC voltage was applied to the fuel nozzle at very low frequency, the reattachment process exhibited an oscillatory behavior, synchronized with the applied AC frequency.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2003.10a
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pp.191-194
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2003
A series of computational simulations have been carried out for non-reacting and reacting flows in a supersonic combustor configuration with and without a cavity. Transverse injection of hydrogen, a simplest form of fuel supply, is considered in the present study with the injection pressure of 0.5 and 1.0 ㎫. The corresponding equivalence ratios are 0.17 and 0.33. The work features detailed resolution of the flow and flame dynamics in the combustor, which was not typically available in most of the previous studies. In particular, oscillatory flow characteristics are captured at a scale sufficient to identify the underlying physical mechanisms. Much of the flow unsteadiness is related not only to the cavity, but also to the intrinsic unsteadiness in the flowfield. The interactions between the unsteady flow and flame evolution may cause a large excursion of flow oscillation. The role of the cavity, injection pressure, and amount of heat addition are examined systematically.
Acoustic characteristics in an industrial gas-turbine combustor are numerically investigated by adopting linear acoustic analysis. Spatially non-homogeneous temperature field in the combustor is considered in the numerical calculation and the characteristics are analyzed in view of acoustic instability. Acoustic analysis are conducted in the combustors without and with acoustic resonator, which is one of combustion stabilization devices. It has been reported that severe pressure fluctuation frequently occurs in the adopted combustor, and the measured signal of pressure oscillation is compared with the acoustic-pressure response from the numerical calculation. The numerical results are in a good agreement with the measurement data. In this regard, the phenomenon of pressure fluctuation in the combustor could be caused by acoustic instability. The acoustic effects of the resonators are analyzed in the viewpoints of both the frequency tuning and the damping capacity.
Choi, Yongun;Lee, Min Jung;Jung, Yongjin;Kim, Nam Il
한국연소학회:학술대회논문집
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2015.12a
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pp.143-145
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2015
A mesoscale channel was designed to observe the flame stabilization at low strain rate conditions (< $10s^{-1}$). At this condition, the behavior of partially premixed flame was explored by changing a channel size and the oxygen ratio in the oxidant. In this work, experiment is conducted for propane case and it was compared with methane case of previous one. Conclusively, it can be observed that the strain rate of flame extinction and starting point of oscillation were varied with oxygen ratio. Moreover we can understand the effects of enhanced oxygen ratio of oxidant and flame behavior at low strain rate conditions.
Kim Kang-Tae;Park Jun-Sung;Park Jeong;Kim Jeong-Soo;Keel Sang-In;Cho Han-Chang
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2006.05a
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pp.275-278
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2006
Systematic experiments in $CH_4/Air$ counterflow diffusion flames diluted with He have been undertaken to study the oscillatory instability in which lateral heat loss could be remarkable at low global strain rate. The oscillatory instability arises for Lewis numbers greater than unity and occurs near extinction condition. The dynamic behaviors of extinction in this configuration can be classified into three modes; growing, harmonic and decaying oscillation mode near extinction. As the global strain rate decreases, the amplitude of the oscillation becomes larger. This is caused by the increase of lateral heat loss which ran be confirmed by the reduction of lateral flame size. Oscillatory edge flame instabilities at low global strain rate are shown to be closely associated with not only Lewis number but also heat loss (radiation and lateral heat loss).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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