Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.7
no.8
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pp.24-33
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1999
This paper investigate the effects of the variations of engine operation condition in the flame kernel formation and developmnet . A model for calculating the initial kernel development in spark ignition engines is formualted. It considered input of electrical energy, combustion energy release and heat transfer to the spark plyg, cylinder head, and unburned mixture. The model also takes into accounts strain rate of initial kernel and residual gas fraction. The breakdown process and the subsequent electrical power input initially control the kernel growth while intermediate growth is mainly dominated by diffusion or conduction. Then, the flame propagates by the chemical energy and turbulent flame expansion. Flame kernel development also influenced by engine operating conditions, for example, EGR rate, air-fuel ration and intake manifold pressure.
The ratio pyrometry has been investigated experimentally for the measurement of soot particle temperatures in a diffusion flame. A tungsten lamp calibration system was constructed and used in order to calibrate the ratio pyrometry and two-color pyrometry using a KL-factor method. Once the ratio pyrometry is properly calibrated, temperatures measured using a ratio pyrometry were virtually identical to those obtained from a KL-factor method. The effect of soot volume fraction on temperature measurement was almost negligible, and therefore, the ratio pyrometry could provide the useful temperature information of sooting flames. The potential application of a ratio pyrometry to a 2-D temperature measurement without sacrificing the accuracy was demonstrated.
Computation is performed to predict number density, volume fraction and size distribution of soot particles in typical operating conditions of a diesel engine. KIVA has been integrated with the CMC routine to consider turbulence/chemistry coupling and gas phase kinetics for heat release and soot precursors. The compositions of soot precursors are estimated by tracking Lagrangian particles to consider spatial inhomogeneity and differential diffusion in KIVA. The soot simulator SWEEP is employed as a postprocessing step to calculate conditional and integral quantities of soot particles.
Carbon molecules with closed-cage structures are called fullerenes $(C_{60},\;C_{70})$, whose applications include super-conductors, sensors, catalysts, optical and electronic device, polymer composites, and biological and medical materials. The synthesis of fullerenes has been recently studied with low-pressure benzene/argon/oxygen flames. The formation of fullerene is known as molecular weight growth processes of PAHs (polycyclic aromatic hydrocarbon). This study presents results of PAHs and fullerene measurements performed in a low-pressure benzene/argon/oxygen normal co-flow laminar diffusion flame. Through the central tube of the burner, benzene vapors carried by argon are injected. The benzene vapors are made in a temperature-controlled bubbler. The burner is located in a chamber, equipped with a sampling system for direct collection of condensable species from the flame, and exhausted to a vacuum pump. Samples of the condensable are analyzed by HPLC (High Performance Liquid Chromatography) to determine the yields of PAHs and fullerene. Also, we computed mole fraction of fullerene and PAHs in a nearly sooting low pressure premixed, one-dimensional benzene/argon/oxygen flame (equivalence ratio ${\Phi}=2.4$, pressure=5.33kPa). The object of computation was to investigate the formation mechanism of fullerenes and PAHs. The computations were performed with CHEMKIN/PREMIX. As a result of this study, fullerenes were synthesized in a low pressure (20torr) $C_6H_6/Ar/O_2$ flames and the highest concentration of fullerene was detected just above the visible surface of a flame.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.36
no.1
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pp.75-81
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2012
Autoignited lifted flames in laminar jets with hydrogen-enriched methane fuels have been investigated experimentally in heated coflow air. The results showed that the autoignited lifted flame of the methane/hydrogen mixture, which had an initial temperature over 920 K, the threshold temperature for autoignition in methane jets, exhibited features typical of either a tribrachial edge or mild combustion depending on fuel mole fraction and the liftoff height increased with jet velocity. The liftoff height in the hydrogen-assisted autoignition regime was dependent on the square of the adiabatic ignition delay time for the addition of small amounts of hydrogen, as was the case for pure methane jets. When the initial temperature was below 920 K, where the methane fuel did not show autoignition behavior, the flame was autoignited by the addition of hydrogen, which is an ignition improver. The liftoff height demonstrated a unique feature in that it decreased nonlinearly as the jet velocity increased. The differential diffusion of hydrogen is expected to play a crucial role in the decrease in the liftoff height with increasing jet velocity.
Park, Jin Wook;Park, Jeong;Yun, Jin-Han;Keel, Sang-In
한국연소학회:학술대회논문집
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2014.11a
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pp.379-381
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2014
Influence of fuel concentration gradient was investigated near flame extinction limit in buoyancy-suppressed non-premixed counterflow flame with triple co-flow burner. The use of He curtain flow produced a microgravity level of $10^{-2}-10^{-3}g$ in He-diluted non-premixed counter triple co-flow flame experiments. Flame stability map was presented based on flame extinction and oscillation near extinction limit. The stability map via critical diluent mole fraction with global strain rate was represented by varying outer and inner He-diluted mole fractions. The flame extinction modes could be classified into five: an extinction through the shrinkage of the outmost edge flame forward the flame center with and without self-excitation, respectively ((I) and (II)), an extinction via the rapid expansion of a flame hole while the outmost edge flame is stationary (III), both the outermost and the center edge flames oscillate, and then a donut shaped flame is formed or the flame is entirely extinguished (IV), a shrinkage of the outermost edge flame without self-excitation followed by shrinking or sustain the inner flame (V).
Laminar lifted propane coflow-jet flames diluted with nitrogen were experimentally investigated to determine heat-loss-related self-excitation regimes in the flame stability map and elucidate the individual flame characteristics. There exists a critical lift-off height over which flame-stabilizing effect becomes minor, thereby causing a normal heat-loss-induced self-excitation with O(0.01 Hz). Air-coflowing can suppress the normal heat-loss-induced self-excitation through increase of a Peclet number; meanwhile it can enhance the normal heat-lossinduced self-excitation through reducing fuel concentration gradient and thereby decreasing the reaction rate of trailing diffusion flame. Below the critical lift-off height. the effect of flame stabilization is superior, leading to a coflow-modulated heat-loss-induced self-excitation with O(0.001 Hz). Over the critical lift-off height, the effect of reducing fuel concentration gradient is pronounced, so that the normal heat-loss-induced self-excitation is restored. A newly found prompt self-excitation, observed prior to a heat-loss-induced flame blowout, is discussed. Heat-loss-related self-excitations, obtained laminar lifted propane coflow-jet flames diluted with nitrogen, were characterized by the functional dependency of Strouhal number on related parameters. The critical lift-off height was also reasonably characterized by Peclet number and fuel mole fraction.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2006.05a
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pp.279-282
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2006
Experiments in low strain rate methane-air counterflow diffusion flames diluted with $CO_2$ have been conducted to investigate the flame extinction behavior and edge flame oscillation The critical mole fraction at flame extinction is examined in terms of velocity ratio and global strain rate. Onset conditions of the edge flame oscillation and the relevant modes are also provided with global strain rate. It is observed that flame length is intimately relevant to lateral heat loss, and this affects flame extinction and edge flame oscillation considerably. Edge flame oscillations are categorized into three: a growing-, a decaying-, and a harmonic-oscillation mode.
Kim, Tae Hyung;Kwon, Oh Boong;Park, Jeong;Keel, Sang-In;Yun, Jin-Han;Park, Jong Ho
Journal of the Korean Society of Combustion
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v.20
no.4
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pp.34-41
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2015
Oxy-methane nonpremixed flames diluted with $CO_2$ were investigated to clarify impact of radiation heat loss and chemical effects of additional $CO_2$ to oxidizer stream on flame extinction. Flame stability maps were presented with functional dependencies of critical diluents mole fraction upon global strain rate at several oxidizer stream temperatures in $CH_4-O_2/N_2$, $CH_4-O_2/CO_2$, and $CH_4-O_2/CO_2/N_2$ counterflow flames. The effects of radiation heat loss on the critical diluent mole fractions for flame extinction are not significant even at low strain rate in nonpremixed $CH_4-O_2/N_2$ diffusion flame, whereas those are significant at low strain rate and are negligible at high strain rate (> $200s^{-1}$) in $CH_4-O_2/CO_2$ and $CH_4-O_2/CO_2/N_2$ counterflow flames. Chemical effects of additional $CO_2$ to oxidizer stream on the flame extinction curves were appreciable in both $CH_4-O_2/CO_2$ and $CH_4-O_2/CO_2/N_2$ flames. A scaling analysis based on asymptotic solution of stretched flame extinction was applied. A specific radical index, which could reflect the OH population in main reaction zone via controlling the mixture composition in the oxidizer stream, was identified to quantify the chemical kinetic contribution to flame extinction. A good correlation of predicted extinction limits to those calculated numerically were obtained via the ratio between radical indices and oxidizer Lewis numbers for the target and baseline flames. This offered an effective approach to estimate extinction strain rate of nonpremixed oxy-methane flames permitting air infiltration when the baseline flame was taken to nonpremixed $CH_4-O_2/N_2$ flame.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.17
no.9
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pp.641-646
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2016
Soot particles generated by fossil fuel combustion normally have fractal morphology with aggregates consisting of small spherical particles. Thus, Rayleigh or Mie elastic light scattering theory is not feasible for determining the fractal properties of soot aggregates. This paper describes a detailed process for applying Rayleigh-Debye Gans (RDG) scattering theory to effectively extract the morphological properties of any nano-scale particles. The fractal geometry of soot aggregates produced from an isooctane diffusion flame was observed using ex situ transmission electron microscopy (TEM) after thermophoretic sampling. RDG scattering theory was then used to analyze their fractal morphology, and various properties were calculated, such as the diameter of individual soot particles, number density, and volume fraction. The results show indiscernible changes during the soot growth process, but a distinct decreasing trend was observed in the soot oxidation process. The fractal dimension of the soot aggregates was determined to be around 1.82, which is in good agreement with that produced for other types of fuel. Thus, it can be concluded that the value of the fractal dimension is independent of the fuel type.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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