A combustion chamber is designed and fabricated for studying the combustion characteristics of counterflow flames at elevated pressure and establishing the fundamental combustion database of counterflow flames. The combustion chamber design aims to allow the maximum operating pressure of 11 bar and be able to conduct flame visualization and the measurements of flame extinction limits, flame temperature and combustion emissions at elevated pressure. Preliminary tests for counterflow nonpremixed $CH_4-NH_3-N_2$/air flames at 1-3 bar have been conducted, and the results confirm the proper operation of the designed chamber.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.20
no.1
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pp.377-383
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1996
Interaction of flames in a lean-rich concentration field is studied numerically adopting a counterflow as a model problem. Detailed kinetic mechanism is adopted in analyzing the structure of various type of flames which can be found in lean-rich interaction. Flow field is simplified to quasi one-dimensional by using boundary layer approximation and similarity formulation. Triple flames are identified and its structure shows that a diffusion flame is located in the middle of two premixed flames. Such a diffusion flame is formed by $H_2$ and CO generated from the rich premixed flame and $O_2$ leaked from the lean premixed flame. The flame position can be identified either from the hydrogen production rate or the heat release rate. Transition from single diffusion flame to triple flame is observed as degree of premixing is increased.
Measurements of flame length, width and NOx emissions have been conducted to investigate the effect of an acoustic excitation on flame structure in turbulent hydrogen diffusion flames with coaxial air. The resonance frequency of oscillations was varied between 259 ,514 and 728 Hz with power rate of 0.405 and 2.88w. When these frequencies imposed to hydrogen flames, dramatic reduction of flame length and NOx emission was achieved. And acetone planar laser-induced fluorescence technique was used to measure a concentration of the near field of driven axisymmetric jet. The air-fuel stoichiometric line was plotted to investigate the mixing layer and development of air entrainment to fuel jet. Consequently, acoustic excitation on flame could enhance the air-fuel mixing resulting in abatement of NOx emission quantitatively.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.28
no.4
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pp.632-640
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2004
The purpose of this study is to clarify the influence of inert gas on the configuration characteristics of premixed turbulent propagating flames of hydrogen mixtures. Inert gas is changed to $N_2$, Ar, $CO_2$ and He keeping the laminar burning velocity of mixtures nearly the same value. A laser tomography technique was used to obtain the flame shape, and quantitative analyses were performed. The result shows that in the wrinkled laminar flame region, the surface area of turbulent flame is slightly dependent on the equivalence ratio and the kind of inert gas. It is also shown the region of convex part of flame toward the unburned gas is greater than that of toward the burned gas regardless of the kind of inert gas.
This study was conducted to investigate the effect of absorption coefficient models on the P1 radiation model for a premixed hydrogen flame containing the water vapor. A CFD combustion simulation analysis was performed using XiFoam, one of the open-source CFD solvers in OpenFOAM. The solver using the flamelet combustion model has been modified to implement radiative heat transfer. The absorption coefficient models used in this study the grey-mean model and constant model, and for comparison, case without radiation was added. This CFD simulation study consisted of benchmarking the THAI HD-15 and HD-22 experiments. The difference between the two tests is the inclusion of water vapor in the condition before ignition. In the case of the HD-22 experiment containing water vapor in the initial condition, the simulation results show that the grey-mean absorption coefficient model has a strong influence on the temperature decrease of the flame and on the change in pressure inside the vessel.
The effects of hydrogen enrichment to methane on NOx formation have been investigated with swirl stabilized pre-mixed hydrogen enriched methane flame in a laboratory-scale pre-mixed combustor(nominally of 5,000 kcal/hr). The hydrogen enriched methane fuel and air were mixed in a pre-mixer and introduced to the combustor through different degrees of swirl vanes. The flame stability was examined for different amount of hydrogen addition to the methane fuel, different combustion air flow rates and swirl strengths by comparing equivalence ratio at the lean flame limit. The hydrogen addition effects and swirl intensity on the combustion characteristics of pre-mixed methane flames were examined using gas analyzers, and OH chemiluminescence techniques to provide information about species concentration of emission gases and flowfield. The results of NOx and CO emissions were compared with a diffusion flame type combustor. The results show that the lean stability limit depends on the amount of hydrogen addition and the swirl intensity. The lean stability limit is extended by hydrogen addition, and is reduced for higher swirl intensity at lower equivalence ratio. The addition of hydrogen increases the NOx emission, however, this effect can be reduced by increasing either the excess air or swirl intensity. The NOx emission of hydrogen enriched methane premixed flame was lower than the corresponding diffusion flame under the fuel lean condition.
Kim, Han-Seok;Lee, Young-Duk;Choi, Won-Seok;Ahn, Kook-Young
Journal of Hydrogen and New Energy
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v.19
no.4
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pp.276-282
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2008
The effects of hydrogen enrichment to methane have been investigated with swirl-stabilized premixed hydrogen-enriched methane flame in a laboratory-scale pre-mixed combustor. The hydrogen-enriched methane fuel and air were mixed in a pre-mixer and introduced to the combustor through different degrees of swirl vanes. The flame characteristics were examined for different amount of hydrogen addition to the methane fuel and different swirl strengths. The hydrogen addition effects and swirl intensity on the combustion characteristics of pre-mixed methane flames were examined using micro-thermocouple, particle image velocity meter (PIV) and chemiluminescence techniques to provide information about flow field. The results show that the flame area increases at upstream of reaction zone because of increase in ignition energy from recirculation flow for increase in swirl intensity. The flame area is also increased at the downstream zone by recirculation flow because of increase in swirl intensity which results in higher centrifugal force. The higher combustibility of hydrogen makes reaction faster, raises the temperature of reaction zone and expands the reaction zone, consequently recirculation flow to reaction zone is reduced. The temperature of reaction zone increases with hydrogen addition even though the adiabatic flame temperature of the mixture gas decreases with increase in the amount of hydrogen addition in this experiment condition because the higher combustibility of hydrogen reduces the cooler recirculation flow to the reaction zone.
The propagation rates ($U_{edge}$) of various premixed edge-flames were measured as a function of global strain rate (${ \sigma}$), mixture strength, and Lewis number (Le). Using a counterflow slot-jet burner with electrical heaters at each end, both advancing (positive $U_{edge}$) and retreating (negative $U_{edge}$) edges can be studied as they propagate along the long dimension of the burner. Preliminary results are presented for single and twin premixed hydrocarbon edge-flames in terms of the effects on $U_{edge}$. A low-${\sigma}$ extinction limit has been discovered for all mixtures tested but further analysis is necessary for full characterization since sufficiently $high-{\sigma}$ leads to an apparent stability limit. Propagation rates clearly show a strong dependence on Le. Future work will focus on completing the premixed hydrocarbon edge-flame analysis and include investigations into non-premixed edge-flames and edge-flames composed of fuels such as hydrogen ($H_2$) with significantly lower Le.
KIM, HAN SEOK;CHO, JU HYEONG;KIM, MIN KUK;HWANG, JEONGJAE;LEE, WON JUNE
Journal of Hydrogen and New Energy
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v.30
no.6
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pp.593-600
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2019
The combustion characteristics of methane/hydrogen pre-mixed flame have been investigated with swirl stabilized flame in a laboratory-scale pre-mixed combustor with constant heat load of 5.81 kW. Hydrogen/methane fuel and air were mixed in a pre-mixer and introduced to the combustor through a burner nozzle with different degrees of swirl angle. The effects of hydrogen addition and swirl intensity on the combustion characteristics of pre-mixed methane flames were examined using particle image velocimetry (PIV), micro-thermocouples, various optical interference filters and gas analyzers to provide information about flow velocity, temperature distributions, and species concentrations of the reaction field. The results show that higher swirl intensity creates more recirculation flow, which reduces the temperature of the reaction zone and, consequently, reduces the thermal NO production. The distributions of flame radicals (OH, CH, C2) are dependent more on the swirl intensity than the percentage of hydrogen added to methane fuel. The NO concentration at the upper part of the reaction zone is increased with an increase in hydrogen content in the fuel mixture because higher combustibility of hydrogen assists to promote faster chemical reaction, enabling more expansion of the gases at the upper part of the reaction zone, which reduces the recirculation flow. The CO concentration in the reaction zone is reduced with an increase in hydrogen content because the amount of C content is relatively decreased.
Using a counterflow burner, downstream interactions between $CH_4$-air and $H_2/N_2$-Air premixed flames with various equivalence ratios has been experimentally investigated. Flame stability maps on triple and twin flames are provided in terms of global strain rate and equivalence ratio. Lean and rich flammable limits are examined for methane/air and hydrogen/nitrogen/air mixtures over the entire range of mixture concentrations in the interacting flames. Results show that these flammable limits can be significantly modified in the presence of interaction such that mixture conditions beyond the flammability limit can be still burn if it is supported by stronger flame. The experiment also discusses various oscillatory instabilities in a stability map.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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