Acoustic pressure response and NO formation of hydrogen-air diffusion flames at various pressures are numerically studied by employing counterflow diffusion flame as a model flame let in turbulent flames in combustion chambers. The numerical results show that extinction strain rate increases linearly with pressure and then decreases, and increases again at high pressures. Thus, flames are classified into three pressure regimes. Such non-monotonic behavior is caused by the change in chemical kinetic behavior as pressure rises. Acoustic pressure response in each regime is investigated based on the Rayleigh criterion. At low pressures, pressure-rise causes the increase in flame temperature and chain branching/recombination reaction rates, resulting in increased heat release. Therefore, amplification in pressure oscillation is predicted. Similar phenomena are predicted at high pressures. At moderate pressures, weak amplification is predicted. Emission index of NO shows similar behaviors as to the peak-temperature variation with pressure.
비예혼합 대향류화염에서 산소부화에 따른 NOx 생성특성에 관한 수치해석이 수행되었다. 순산소의 연소과정에서 공기침투에 의한 부득이한 질소 유입의 상황을 체계적으로 고려하기 위하여, 산화제의 $O_2$는 체적비 21%에서 100%까지 변화되었다. 결과적으로 NO 배출지수$(EI_{NO})$는 산소부화율 75%까지 증가하다가 급격히 감소하는 경향을 보여준다. 이러한 경향은 화염온도, 화염두께 및 체류시간 보다는 NOx 생성과 관련된 $N_2$ 소모율 변화에 의해 설명될 수 있음을 확인하였으며, 특히 N+NO=$N_2+O$ 반응이 가장 크게 기여함을 알 수 있었다.
Nonlinear dynamics of pulsating instability in radiating counterflow diffusion flames is numerically investigated by imposing Damk$\ddot{o}$hler number perturbation. Stable limit-cycle solutions occur in small ranges of Damk$\ddot{o}$hler numbers past bifurcation point of instability. Period doubling cascade and chaotic behaviors appear just before dynamic extinction occurs. Nonlinear dynamics is also studied when large disturbances are imposed to flames. For weak steady flames, the dynamic extinction range shrinks as the magnitudes of disturbances are increased. However, strong steady flames can overcome relatively large disturbances, thereby the dynamic extinction range extending. Stable limit-cycle behaviors reappears prior to dynamic extinction when the steady flames are strong enough.
Linear stability analysis of radiating counterflow diffusion flames is numerically conducted to examine the instability characteristics of cellular patterns. Lewis number is assumed to be 0.5 to consider diffusional-thermal instability. Near kinetic limit extinction regime, growth rates of disturbances always have real eigen-values and neutral stability condition of planar disturbances perfectly falls into quasi-steady extinction. Cellular instability of disturbance with transverse direction occurs just before steady extinction. However, near radiative limit extinction regime, the eigenvalues are complex and pulsating instability of planar disturbances appears prior to steady extinction. Cellular instability occurs before the onset of planar pulsating instability, which means the extension of flammability.
Experimental and numerical studies were conducted to investigate flame behaviors near flammable limits for downstream-interacting SNG-air premixed flames in a counter-flow configuration. The SNG fuel consisted of a methane, a propane, and a hydrogen with volumetric ratios of 91, 6, and 3%, respectively. The most appropriate priority for some reliable reaction mechanisms examined was given to the mechanism of UC San diego via comparison of lean extinction limits attained numerically with experimental ones. Flame stability map was presented with a functional dependencies of lower and upper methane concentrations in terms of global strain rate. The results show that, at the global strain rate of $30s^{-1}$, lean extinction boundary is slanted while rich extinction one is relatively less inclined because of the dependency of such extinction boundary shapes on deficient reactant Lewis number governed by methane mainly. Further increase of global strain rate forces both extinction boundaries to be more slanted and to be shrunk, resulting in an island of extinction boundary and subsequently one flame extinction limit. Extinction mechanisms for lean and rich, symmetric and asymmetric extinction boundary were identified and discussed via heat losses and chemical interaction.
Characteristics of premixed flames in counter-flow system are numerically studied using a detailed chemical reaction mechanism including gas phase radiation. Without radiation effect accounted, low CO and high NO$_{x}$ emission indices are observed, when strain rate decreases, due to increased residence time and higher flame temperature. Higher NO$_{2}$ production has been also observed when two premixed flames are interacting or cold air stream is mixed with burned gas. The rate of NO$_{x}$ production and destruction is dependent upon the diffusional strength of H and OH radicals, the existence of NO and the concentration of HO$_{2}$. For radiating flames, the peak temperature and NO$_{x}$ production rate decreases as the strain rate decreases. At high strain rate, it is found that the effect of radiation on flame is little due to its negligible radiating volume. It is also found that NO$_{x}$ production from the interacting premixed flame is reduced due to reduced temperature resulting from radiation heat loss. It is concluded that the radiation from gas has significant effect of flame structure and on emission characteristics.ristics.
본 연구에서는 분무화염의 기초적인 물리현상을 해명하기 위하여 층류 대향류장에 형성된 분무 화염에 2차원 직접 수치계산(Direct numerical simulation, DNS)을 적용하여, 당량비 및 연료종이 분무화염 구조에 미치는 영향에 대하여 관찰하였다. 기상에 대해서는 질량 보존식, 운동량 보존식, 에너지 보존식을 오일리안(Eulerian) 법으로 계산하였으며, 액적에 대해서는 화염중의 모든 개개의 유적을 라그란지안(Lagrangian) 법으로 추적하였다. 액체 연료로는 n-데칸 ($C_{10}H_{22}$)과 n-헵탄($C_7H_{16}$)을 이용하였으며, 연소반응 모델에는 총괄반응식을 이용하였다. 당량비가 증가함에 따라 착화가 빠르며, 고온영역도 넓게 분포하고 있다. 그러나, 최대 온도치는 당량비가 증가함에 따라 한번 증가한 후 감소하는 경향을 나타내고 있다. 당량비가 클수록 최대 온도가 감소하는 것은 분무화염 내부의 군연소 거동에 의한 냉각효과 때문이라고 생각된다. 또한, n-헵탄은 n-데칸과 비교하여 증발속도가 빠르기 때문에 넓은 고온 영역을 형성하지만 최대 온도는 거의 같은 값을 나타내었다.
[ $CH_4$ ]고온공기 대향류 확산화염의 점화특성을 화염제어 연속계산법을 이용하여 수치해석적으로 검토하였다. 화학반응의 계산에는 GRI-v1.2 반응기구를 이용하였으며, 화염 최고온도를 총괄 스트레인율의 역수에 대해 나타내어 점화 및 소화특성에 관한 화염 최고온도의 S-곡선을 얻을 수 있었다. 총괄 스트레인율 변화에 따른 화염구조를 고찰하기 위해 S-곡선에서 Upper Branch와 Middle Branch의 화염 온도 분포와 속도구배를 비교하였다. 총괄 스트레인율값은 화염면과 혼합층의 연료과 공기측 경계에서 정의되는 국소 스트레인율값과도 비교하였다. 연료측과 공기측의 국소 스트레인율은 총괄 스트레인율과의 좋은 상관관계에 있음을 알 수 있었다. 화염제어 연속계산법이 확산화염의 점화, 소화특성을 검토하는 데 매우 유용한 방법임을 확인하였다.
다중모드 레이저의 모드에 의해 광대역 CARS 분광에 생기는 모드 잡음을 줄이기 위하여 색소레이저의 증폭자발방출을 스톡스광으로 사용하여 CARS 분광을 측정하였다. 측정된 광대역 CARS 분광에 생기는 분광의 변조 폭에서 미량기체의 농도를 계산하는 새로운 방법을 제안하였으며, 변조 폭을 미랭기체의 농도와 기체 온도 변화에 대하여 수치적으로 계산하고 이를 분석하여, 계산된 변조 폭을 농도와 온도에 대한 함스로 기술하였다. 이러한 방법을 Ar과 미량의 CO 혼합기체를 셀에 넣고 CO 농도를 측정하여 검정하였으며, 실제로 응용하여 대향류 버너의 불꽃 속의 CO 농도 분포측정에 응용하였다.
In order to investigate the effect of fuel mixing on PAH and soot formation, four species of methane, ethane, propane and propene have been mixed in counterlfow ethylene diffusion flame. Laser-induced incandescene and laser-induced fluorescene techniques were employed to measure soot volume fraction and polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) concentration, respectively. Results showed that the mixing of ethane (or propane) in ethylene diffusion flame produces more PAHs and soot than those of propene. Considering that propene directly dehydrogenates to propargyl radical, this behavior implied that the enhancement of PAH and soot formation by the fuel mixing of ethylene and ethane (or propane) cannot be explained solely by propargyl radical directly dehydrogenated from ethane (or propane). Thus, combination reactions between C1 and C2-species for the formation of propargyl was suggested to identify the synergistic effect occurring in the flames of ethylene and propane (or ethane) mixtures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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