The supersonic combustion experiments are carried out using T3 free-piston shock tunnel. Hydrogen Fuel is injected in the cavity parallel with air(or nitrogen fuel) flow. The equivalence ratios in this study are 0.132 and 0.447. Experimental measurements use OH-PLIF near the cavity and pressures in the combustor. For parallel fuel injection case, direct fuel add into cavity leads to increase of cavity pressure. And Flame exists just near the bottom wall for low equivalent ratio. There is no flame in the cavity because of no mixing in it. Compared to the inclined fuel injection, ignition delay length is longer for low equivalence ratio in both case. OH distribution is not a single line but a repeatable fluctuation flame structure by turbulence. Pressure distributions have nothing to do with the fuel injection position.
Behaviors of lean premixed flame of propane/air and methane/air flame anchored by a pilot flame in a tube were investigated experimentally varying the mean velocity from 10 to 140 cm/s and the equivalence ratio from 0.45 to 0.8. Behaviors of both flames are divided into five regions of stable, flash-back, tail-out, flickering and vibrating. General characteristics of each region and Le number effect are investigated. Two main instabilities, flickering and vibration, are both unstable but the instability mechanism, the frequency and the amplitude of pressure fluctuation are different. In the edge of the vibrating region, pressure fluctuation repeats generation and extinction. Repeated growth and decrease of the amplitude of pressure fluctuation are explained by Rayleigh#s index.
This paper describes the forced flame response in a turbulent premixed gas turbine combustor. The fuel was premixed with the air upstream of a choked inlet to avoid equivalence ratio fluctuations. To impose the inlet flow velocity, a siren type modulation device was developed using an AC motor, rotating and static plates. Measurements were made of the velocity fluctuation in the nozzle using hot wire anemometry and of the heat release fluctuation in the combustor using chemiluminescence emission. The test results showed that flame length as well as geometry was strongly dependent upon modulation frequency in addition to operating conditions such as inlet velocity. Convection delay time between the velocity perturbation and heat release fluctuations was calculated using phase information of the transfer function, which agreed well with the results of flame length measurements. Also, basic characteristics of the flame nonlinear response shown in the current test conditions were introduced.
Self-excited noise generation from laminar flames in thin annular jets of methane/air premixture has been investigated experimentally. Various flames were observed in this flow configuration, including conical shape flames, ring shape flames, steady crown shape flames, and oscillating crown shape flames. Self-excited noise with the total sound pressure level of about 70dB was generated from the oscillating crown shape flames for the equivalence ratio larger than 0.95. Sound pressure and $CH^{\ast}$ chemiluminescence were measured by using a microphone and a photomultiplier tube. The frequency of generated noise was measured as functions of equivalence ratio and premixture velocity. A frequency doubling phenomena have also been observed. The measured $CH^{\ast}$ chemiluminescence data were analyzed from which the corresponding sound pressure has been calculated. By comparing the data with those of measured ones, the noise source can be attributed to the flame front fluctuation near the edge of the oscillating crown-shape flames. The flame stability regime was influenced sensitively to the supplying air through the inner tube.
Influence of changing combustor pressure on flame stabilization and nitrogen oxide (NOx) emission in the swirl-stabilized flame with secondary fuel injection was investigated. The combustor pressure was controlled by suction at combustor exit. Pressure index ($P{\ast}=P_{abs}/P_{atm}$), where $P_{abs}$ and $P_{atm}$ indicated the absolute pressure and atmosphere pressure, 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 different tendency compared with laminar flames. Emission index showed maximum value near atmospheric condition and decreased with decreasing pressure index for overall equivalence ratio conditions. R.m.s of pressure fluctuations also showed similar tendency with nitric oxide emission. By injecting secondary fuel into flame zone, the flammable limits were extended significantly. Emission index of nitric oxide and r.m.s. of pressure fluctuations were also controlled by injecting secondary fuel. The swirl flames were somewhat lifted by secondary fuel with high momentum, hence low nitric oxide emission. This NOx reduction technology is applicable to industrial furnaces and air conditioning system by adopting secondary fuel injection.
Experimental investigations were carried out in an atmospheric pressure, optically accessible and laboratory-scale dump combustor operating on methane gas. The objective of this study was to obtain the phase-resolved gas temperatures at different phases of the oscillating pressure cycle during unstable combustion. CARS temperature measurements were made at several spatial locations under lean premixed conditions to get the information on temperature field within the combustor. Also the effect of incomplete fuel-air mixing on phase-resolved temperature fluctuation was investigated. Results including phase-resolved averaged temperature, normalized standard deviation and temperature probability distribution functions (PDFs) were provided in this paper. Temperature PDFs gave an insight on the flame behavior. And strong correlation between phase-resolved temperature profile and pressure cycle was observed. Results of the phase-resolved high temperature gave an additional information on the perturbation of equivalence ratio at flame as well as the effect of mixing quality on NOx emission characteristics.
The effect of equivalence ratio and velocity on the stability of flame in dump combustor was studied in an atmospheric pressure, laboratory scathe dump combustor operating natural gas. Traditionally, peak-to-peak pressure, fluctuation of the heat release rate and Rayleigh index were used to find and control the combustion instability. Cross correlation coefficients, Ci,j which is defined as the normalized value of the integration of the product of two of the mixer pressure, dump plane pressure and heat release rate, are introduced to see whether the flame is stable or not. Ci,j shows more sensitive to combustion status than Rayleigh index in steadily burning flame. Also, the result indicates that the amplitude of Ci,j between heat release and mixer pressure goes up before the flame at the rich de-stabilizing equivalence ratio near $\psi$=0.85. t means Ci:j at this case has a potential to detect the de-stablizing moment in prior to becoming unstable in dump combustor.
한국가시화정보학회 2004년도 Proceedings of 2004 Korea-Japan Joint Seminar on Particle Image Velocimetry
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pp.147-155
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2004
Self-excited noise generation from laminar flames in thin annular jets of methane/air premixture has been investigated experimentally. Various flames were observed in this flow configuration, including conical shape flames, ring shape flames, steady crown shape flames, and oscillating crown shape flames. Self-excited noise with the total sound pressure level of about 70dB was generated from the oscillating crown shape flames for the equivalence ratio larger than 0.95. Sound pressure and $CH^*$ chemiluminescence were measured by using a microphone and a photomultiplier tube. The frequency of generated noise was measured as functions of equivalence ratio and premixture velocity. A frequency doubling phenomena have also been observed. The flame shape during flame oscillation was reconfirmed by a synchronized PIV experiment. The velocity and pressure field were obtained from PIV. The minimum pressure was formed near the edge of flame representing circulation. By comparing the results of sound pressure, flame luminosity and PIV, the noise source can be attributed to the flame front fluctuation near the edge of the oscillating crown-shape flames.
연소불안정 능동제어를 위해서는 음향 발생기나 2차 연료 분사를 통해 압력 섭동이나 열방출 섭동에 변화를 주어야 한다. 2차 연료 분사의 위치 및 시점을 결정하기 위해서는 연소불안정 시 발생하는 열방출 섭동의 분포를 알아야 한다. 본 연구에서는 탄화수소 연료, 유입 속도, 당량비, 음향가진 조건을 변화시키며 위상에 따른 열방출 섭동의 분포를 실험적으로 측정하였다. 와류 발생에 따른 열방출 섭동은 $Damk{\ddot{o}}hler$ 수에 의해 크게 영향을 받는 것을 알 수 있었다. $Damk{\ddot{o}}hler$ 수가 대략 4 - 5 보다 큰 경우는 와류의 leading edge에서 hot spot이 trailing edge에서 cold spot이 발생하였다. 이와는 반대로 $Damk{\ddot{o}}hler$ 수가 3 보다 작은 경우는 반대의 경향이 나타남을 확인할 수 있었다.
자발 진동하는 층류 예혼합 분젠 화염을 관찰하기 위하여 분기관을 가진 연소기를 제작 하였다. 특히, 조건에 따른 화염 거동을 살펴봤으며, 화염 표면적과 열발생 변동의 관계에 대하여 고찰하였다. 본 연구에서 사용된 당량비는 1.1 이고, 노즐 출구 평균 유속은 1.75 m/sec 이다. 연소 챔버와 분기관의 길이비(L.R.)는 연소기 내 압력 변동에 영향을 미치며, 결과적으로 화염 거동 특성이 달라짐을 관찰하였다. 또한, 간섭 필터의 유무에 따른 $OH^*$, $CH^*$, 그리고 화염 자발광은 정성적으로 유사한 거동을 나타냈으며, 자발 진동하는 층류 예혼합 분젠 화염의 화염 표면적 변동과 열발생 변동은 선형적인 관계를 가짐을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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