An experimental study investigates the flame response characteristics of jet-diffusion flame and premixed flame. The experiment was conducted while varying the amplitude. Flame lengths were quantified for OH chemiluminescence measurement and compared with the result of the flame transfer function. Flame length and flame velocity perturbation were normalized and compared with the result of the flame transfer function. The comparison results appear that velocity perturbation and flame length oscillation of premixed flame show linear behaviors on the other hand jet-diffusion flame, amplitudes are more thant 0.20, shows nonlinear behaviors of flame velocity perturbation and flame length oscillation.
비선형적인 연소불안정 현상 이해를 위해서는 압력 섭동에 대한 화염 반응 특성 파악이 중요하다. 이전 연구는 스피커에 의한 연료와 공기 혼합체 섭동에 대한 난류, 층류 예혼합 화염의 반응, 그리고 화염에 직접 축 방향 압력파를 가진하는 경우로 나뉜다. 본 연구에서는 액체로켓엔진 연소환경을 모사한 연소화염의 횡 방향 가진파에 대한 화염 응답 함수 파악을 위한 실험 장치를 고안하여 제시하였다.
The unsteady heat release characteristics play a significant role in combustion instabilities observed in low emissions gas turbine combustors. Such combustion instabilities are often caused by coupling mechanisms between unsteady heat release rates and acoustic perturbations. A generalized model of the turbulent flame response to acoustic perturbations is analytically formulated by considering a distributed heat release along a curved mean flame front and using the flame's kinematic model that incorporates the turbulent flame development. The effects of the development of flame speed on the flame transfer functions are examined by calculating the transfer functions with a constant or developing flame speed. The flame transfer function due to velocity fluctuation shows that, when a developing flame speed is used, the transfer function magnitude decreases faster with Strouhal number than the results with a constant flame speed at low Strouhal numbers. The flame transfer function due to mixture ratio fluctuation, however, exhibits the opposite results: the transfer function magnitude with a developing flame speed increases faster than that with a constant flame speed at low Strouhal numbers. Oscillatory behaviors of both transfer function magnitudes are shown to be damped when a developing flame speed is used. Both transfer functions also show similar behaviors in the phase characteristics: The phases of both transfer functions with a developing flame speed increase more rapidly than those with a constant flame speed.
비예혼합합화염과 예혼합화염의 화염응답특성을 속도섭동을 다양하게 변경하며 실험하였다. 연료로는 수소($H_2$)/메탄($CH_4$)을 50/50 %로 혼합한 혼합연료를 사용하였으며 산화제로는 공기를 사용하였다. OH 자발광(OH fluorescence)을 이용하여 화염이미지를 계측하였으며 PMT(Photo Multiplier Tube)를 이용하여 열 방출량을 계측하였다. 계측된 이미지는 MatLab 코드를 이용하여 수치화하였다. 예혼합화염의 결과에서는 진폭이 증가할수록 화염섭동이 증가하는 경향성을 보았으며 진폭에 따라서 화염전달 함수의 게인 값이 선형적인 거동을 하는 것을 관찰하였다. 비예혼합화염의 화염길이는 진폭이 증가할수록 짧아지는 것을 관찰하였고 게인 값은 진폭에 비선형적인 거동을 하는 것을 확인하였다.
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.
This study has been mainly motivated to numerically investigate the transient flame response to pressure oscillations in the gaseous hydrogen - liquid oxygen flames at supercritical pressures. The present analysis is based on the real-fluid transient flamlet model and the flame field is acoustically perturbed only by the sinewave oscillations in the frequency range from 1,000 Hz to 5,000 Hz. Based on numerical results, the detailed discussions are made for the flame response characteristics and the transient flamelet response associated with the high-frequency combustion instability in the liquid propellant rocket engines.
THC(Total Hydrocarbon) emissions during cold start and warm-up phase constitute the majority of THC emissions during the FTP-75 mode. As the basic approach to improve the emission performance of Gasoline engine during transient phase, the effect of spark timing retard from MBT on THC emission characteristics is studied by engine test using a Fast response Flame Ionization Detector(FFID). A cyclic analysis of the combustion process shows that high THC emissions are produced first few cycles during the transient phase. This paper presents the results of engine performance and emission of Gasoline engine with various spark timing. consequently, This paper was focused on the combustion phenomena with various spark timing during transient phase which was analyzed by Fast response Flame Ionization Detector (FFID) equipment to measure the cyclic THC emission characteristics.
Extinction characteristics and acoustic response of hydrogen-air diffusion flames at various pressures are numerically studied by employing counterflow diffusion flame as a model flamelet 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 nonmonotonic behavior is caused by the change in chemical kinetic behavior as pressure rises. The investigation of acoustic-pressure response in each regime, for better understanding of combustion instability, shows different characteristics depending on pressure. 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 since flame temperature and chain branching reaction rate decreases as pressure rises. This acoustic response can be predicted properly only with detailed chemistry or proper reduced chemistry.
고성능 연소추진 시스템의 고주파 연소불안정 현상을 이해하기 위해서는 연소 열발생과 유동 섭동간의 에너지 교환 메커니즘 이해가 필수적이다. 화염의 동적 특성 변화를 인위적인 섭동을 통해 화염전달함수로 표현하고 이해하고자 하는 다수의 실험적 연구가 진행되어 왔다. 이 가운데 특히 연소기 입구 유동에 섭동을 가진하여 축 방향 섭동에 대한 화염반응을 살펴보는 연구가 활발히 진행되었다. 최근에는 실제 연소시스템에서 발생하는 횡 방향 음향모드를 모의하는 연구들이 진행되고 있다.
가스터빈 희박 예혼합 연소기에서 발생하는 연소 불안정 현상을 모델링하기 위해서는 화염의 동 특성에 대한 정량적, 정성적 분석이 필수적이다. 이를 위하여 화염전달함수가 전산유체역학을 통하여 모델링되었다. 기존 화염전달함수의 연구 결과로부터, 화염전달함수의 결과는 화염의 구조에 크게 의존하는 것으로 알려졌다. 본 연구에서는 실제 계측된 화염의 구조와 유사한 형상을 갖도록 열전달 조건을 최적화한 후, 동일 조건에서 화염전달함수가 모델링되었다. 화염의 형상을 정확하게 예측할 수 있다면, 이로부터 전달함수의 이득값과 위상차의 모델링 결과 역시 실험값과 유사한 거동을 확인할 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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