Mathematical formulation of the zone conditional two-fluid model is established to consider flame-generated turbulence in premixed turbulent combustion. The conditional statistics of major flow variables are investigated to understand the mechanism of flame generated turbulence. The flow field in burned zone shows substantially increased turbulent kinetic energy, which is highly anisotropic due to reaction kinematics across thin flamelets. The transverse component of rms velocities in burned zone become larger than axial component in the core of turbulent flame brush. The major source or sink terms of turbulent kinetic energy are the interfacial transfer by the mean reaction rate and the work terms by fluctuating pressure and velocity on a flame surface.
The zone conditional two-fluid equations are derived and validated against DNS database of a premixed turbulent flame. The conditional statistics of major flow variables are investigated to understand the mechanism of flame generated turbulence. The flow field in burned zone shows substantially increased turbulent kinetic energy, which is highly anisotropic due to reaction kinematics across thin f1amelets. The transverse component may be larger than the axial component for a distributed pdf of the flamelet orientation angle, while the opposite occurs due to redistribution of turbulent kinetic energy and flamelet orientation normal to the flow at the end of a flame brush. The major source or sink terms of turbulent kinetic energy are the interfacial transfer by the mean reaction rate and the work terms by fluctuating pressure and velocity on a flame surface. Ad hoc modeling of some interfacial terms may be required for further application of the two-fluid model in turbulent combustion simulations.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.19
no.6
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pp.1510-1517
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1995
A theoretical method is described to simulate the propagation of turbulent premixed flames in a closed vessel. The objective is to develop and test an efficient technique to predict the propagation speed of flame as well as the geometric structure of the flame surfaces. Flame is advected by the statistically generated turbulent flow field and propagates as a wave by solving twodimensional Hamilton-Jacobi equation. In the simulation of the unburned gas flow field, following turbulence properties were satisfied: mean velocity field, turbulence intensities, spatial and temporal correlations of velocity fluctuations. It is assumed that these properties are not affected by the expansion of the burned gas region. Predictions were compared with existing experimental data for flames propagating in a closed vessel charged with hydrogen/air mixture with various turbulence intensities and Reynolds numbers. Comparisons were made in flame radius growth rate, rms flame radius fluctuations, and average perimeter and fractal dimensions of the flame boundaries. Two dimensional time dependent simulation resulted in correct trends of the measured flame data. The reasonable behavior and high efficiency proves the usefulness of this method in difficult problems of flame propagation such as in internal combustion engines.
The flow field in a cylinder of a 4-valve pentroof engine is studied using the KIVA-3V code. Turbulence is generated from the jet flow through valves and broken down to the small scale eddies in the compression process. It is known that the tumble effectively keeps turbulence during the compression process. In the combustion process, turbulence is known to enhance flame speed by increasing mass, momentum and heat transfer rates. The effects of the intake port angles on the flow and combustion characteristics are studied in this study. To study the effect of turbulence on the combustion process, Cantore combustion model is applied in this study.
The effects of tumble and swirl flows on the flame propagation were investigated experimentally in a 4-valve optical gasoline engine. The tumble flow patterns, generated by various intake ports of different entry angle; $25^{\circ}$ , $20^{\circ}$ and $15^{\circ}$ , were characterized under motored conditions with laser Doppler velocirnetry. Inclined tumble(swirl) flows were induced by three different swirl control valves. The initial flame propagation was visualized by an ICCD camera and its image were analyzed to compare the enflamed area and displacement of initial flames. It was found that there is a correlation between the stronger tumble during induction and turbulence levels at the time of ignition resulting in faster flame development. Inclined tumble was proved to be more beneficial than the pure tumble for faster and stable combustion under lean mixture conditions, which was confirmed by faster propagating flame images.
The multi-environment PDF model coupled with flamelet generated manifolds(FGM) has been developed for a large eddy simulation of turbulent partially premixed lifted flame. This approach has a capability to realistically account for the transport and evolution of probability density function for mixture fraction and progress variable with the manageable computational burden. Using the tabulated chemistry, it is possible to track radical distributions which is important to predict autoignition process with the vitiated coflow environment. Numerical results indicate that the present yields the good agreement with experimental data in terms of mixture fraction, temperature, and species mass fractions.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.4
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pp.920-932
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1994
The combustion phenomena of a reciprocating engine is one of the most important processes affecting performance and emissions. One effective way to improve the engine combustion is to control the motion of the charge inside a cylinder by means of optimum induction system design, because the flame speed is mainly determined by the turbulence at compression(TDC) process in S.I. engine. It is believed that the tumble and swirl motion generated during intake breaks down into small-scale turbulence in the compression stroke of the cycle. However, the exact nature of their relationship is not well known. This paper describes cycle resolved LDV measurement of turbulent flow inside the cylinder of a 4-valve engine under motoring(non-firing) conditions, and studies the effect of intake port configurations on the turbulence characteristics using following parameters ; Eulerian temporal autocorrelation coefficient, turbulence energy spectral density function, Taylor micro time scale, integral time scale, and integral length scale.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.21
no.2
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pp.213-223
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1997
Premixed flame is better than diffusion flame to accomplish a high loading combustion. Since the turbulent characteristics of unburned mixture has a great influence on the flame structure, it is general that many researchers realize a high loading combustion with strengthening turbulent intensity of unburned mixture. Because turbulent premixed flame reacts efficiently on the condition of distributed reaction region, we made high turbulent premixed flame in the doubled impingement field. We investigated turbulent characteristics of unburned mixture with increasing shear force and visualized flames with direct and Schlieren photographs. And the combustion characteristics of flame was elucidated by instantaneous temperature measurement with a thermocouple, by ion currents with a micro electrostatic probe, by radical luminescence intensity and local equivalence ratio. Extremely strong turbulent of small scale is generated by impingement of mixture, and turbulent intensity of unburned mixture increased with the mean velocity. As a result of direct photographs, visible region of flame became longer due to increasing central direction flux. But as strengthed turbulent intensity, visible region of flame turned to shorter and reaction occurred efficiently. As strengthened turbulent intensity of mixture with increasing flux of central direction, maximum fluctuating temperature region moved to radial direction and fluctuation of temperature became lower. The reason is influx of central direction which caused flame zone to move toward radial direction, to maintain flame zone stable and to make flame scale smaller.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2008.05a
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pp.315-320
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2008
This experimental study has been conducted to investigate the effect of the flame holder on the multi-slot film cooling in the ramjet combustor. The turbulent wake which is generated by the flame holder on the entrance of the coolant flow path affects on the slot. Adiabatic film cooling effectiveness on the downstream wall of the slot exit are measured. The results show that the film cooling performance is rapidly decreased after the slot exit by shear layer and high turbulence intensity between separated flows and coolant flows.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.4
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pp.912-919
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1994
The engine combustion is one of the most important processes affecting performance and emissions. One effective way to improve the engine combustion is to control the motion of the charge inside a cylinder by means of optimum induction system design, because the flame speed is mainly determined by the turbulence at compression(TDC) process in S.I. engine. It is believed that the tumble and swirl motion generated during intake stroke breaks down into small-scale turbulence in the compression stroke of the cycle. However, the exact nature of this relationship is not well known. This paper describes the tumble flow measurements inside the cylinder of a 4-valve S.I. engine using laser Doppler velocimetry(LDV) under motoring(non-firing) conditions. This is conducted on an optically assesed single cylinder research engine under motored conditions at an engine speed of 1000rpm. Three different cylinder head intake port configurations are studied to develop a better understanding the tumble flow generation, development, and breakdown mechanisms.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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