• 제목/요약/키워드: Hydrogen-Air Diffusion Flames

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수소 난류확산화염에서의 부상 메커니즘에 대한 연구 (Investigation of liftoff mechanisms in hydrogen turbulent non-premixed jet flames)

  • 오정석;김문기;최영일;윤영빈
    • 한국가시화정보학회:학술대회논문집
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    • 한국가시화정보학회 2006년도 추계학술대회 논문집
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    • pp.135-140
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    • 2006
  • The stabilization mechanism of turbulent, lifted jet flames in a non-premixed condition has been studied experimentally. The objectives are to explain the phenomenon of a liftoff height decreasing as increasing fuel velocity and to reveal the mechanisms of flame stability Hydrogen was varied from 100 to 300 m/s and a coaxial air was fixed at 16 m/s with a coflow air less than 0.1 m/s. The technique of PIV and OH PLIF was used simultaneously with CCD and ICCD cameras. It was found that the liftoff height of the jet decreased with an increased fuel jet exit velocity. The leading edge at the flame base was moving along the stoichiometric line. Finally we confirmed that the stabilization of lifted hydrogen diffusion flames is related with a turbulent intensity, which means combustion is occurred where the local flow velocity is equal to the turbulent flame propagation velocity.

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부상된 동축공기 수소 난류확산화염에서의 화염안정화 특성 (Characteristics of Stabilization Point in Lifted Turbulent Hydrogen Diffusion Jet with Coaxial Air)

  • 오정석;김문기;윤영빈
    • 한국항공우주학회지
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    • 제36권4호
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    • pp.352-356
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    • 2008
  • 수소제트와 동축공기를 사용한 본 연구에서, 난류확산화염의 화염안정성 특징을 실험적으로 수행하였다. 목적은 연료속도 증가에 따라 감소하는 부상화염길이의 경향을 보고하고, 부상 메커니즘을 포함한 화염구조를 분석하는 것이다. 수소연료는 100에서 300 m/s 사이에서 조절되었으며, 이때 동축공기는 16 m/s 고정되고, 주위류는 0.1 m/s 이하로 유지되었다. 유동장과 연소장 동시측정을 위하여, 두 대의 Nd:Yag 레이저와 CCD 카메라를 이용하여 PIV와 OH PLIF 기법이 사용되었다. 결론적으로 난류화염전파속도는 난류강도에 비례하였으며, 제트 레이놀즈수의 0.017승에 비례하였다.

동축공기 수소확산화염에서 화염-와류 상호작용 및 혼합 (Flame-Vortex Interaction and Mixing in Turbulent Hydrogen Diffusion Flames with Coaxial Air)

  • 김문기;오정석;최영일;윤영빈
    • 한국가시화정보학회:학술대회논문집
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    • 한국가시화정보학회 2007년도 추계학술대회
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    • pp.149-154
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    • 2007
  • This study examines the effect of acoustic excitation using forced coaxial air on the flame characteristics of turbulent hydrogen nonpremixed flames. A resonance frequency was selected to acoustically excite the coaxial air jet due to its ability to effectively amplify the acoustic amplitude and reduce flame length and NOx emissions. Acoustic excitation causes the flame length to decrease by 15 % and consequently, a 25 % reduction in EINOx is achieved, compared to a flame without acoustic excitation. Moreover, acoustic excitation induces periodical fluctuation of the coaxial air velocity, thus resulting in slight fluctuation of the fuel velocity. From phase-lock PIV and OH PLIF measurement, the local flow properties at the flame surface were investigated under acoustic forcing. During flame-vortex interaction in the near field region, the entrainment velocity and the flame surface area increased locally near the vortex. This increase in flame surface area and entrainment velocity is believed to be a crucial factor in reducing flame length and NOx emission in coaxial jet flames with acoustic excitation. Local flame extinction occurred frequently when subjected to an excessive strain rate, indicating that intense mass transfer of fuel and air occurs radially inward at the flame surface.

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Non-premixed Hydrogen Flame Structure in Supersonic Coflowing Air Flows

  • Kim, Ji-Ho;Kim, Je-Hung;Yoon, Young-Bin;Park, Chul-Woung;Hahn, Jae-Won
    • 한국연소학회지
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    • 제7권1호
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    • pp.1-7
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    • 2002
  • Experiments have been performed to investigate the structure of axisymmetric hydrogen diffusion flame in a supersonic coflow air. The characteristics and structure of supersonic flames are compared with those of subsonic flames as the velocity of coflow air increases from subsonic to supersonic velocity of Mach 1.8. Also, the subsonic and supersonic flow fields are analyzed numerically for the non-reacting conditions and the possible flame contours indicated by fuel mass fraction are compared with the measured OH radical distributions. It is found that the flame structure indicates more like a partially premixed flame as the coflow air velocity is increased from subsonic to supersonic regimes; strong reaction zone indicated by intense OH signal is found at the center, which is different from subsonic flame cases. And it is shown that the fuel jet passes along the recirculation zones behind the bluff-body fuel nozzle resulting in relatively long mixing time. This is believed to be the reason of the partially premixed flame characteristics found in the present supersonic flames.

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음파가진에 의한 동축공기 수소 확산화염의 NOx 배출저감연구 (Reduction of NOx Emissions in Turbulent Hydrogen Diffusion Flame using Acoustic Excitation)

  • 김문기;한정재;윤상욱;윤영빈
    • 한국연소학회지
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    • 제10권1호
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    • pp.13-19
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    • 2005
  • Measurements of flame length and NOx emissions have been conducted to investigate the effects of acoustic excitation on flame structure in turbulent hydrogen diffusion flames with coaxial air. When the acoustic excitation of a specific frequency is applied to coaxial air stream, flame length is dramatically reduced, resulting in reduction of flame residence time. Consequently, EINOx could decrease up to 35 % and this shows that acoustic excitation is effective in reducing NOx emissions. Mie scattering technique has been used to visualize the vortex structure induced by acoustic excitation and vortex formation, development and destruction were observed quantitatively. As a result, vortex entrains coflow air into fuel stream and mixing rate between fuel and air is significantly enhanced, which may contribute to reduction of NOx emissions.

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시간지연 모델의 적용을 통한 수소/공기 확산화염의 음향파 응답 분석 (A Numerical Analysis of Acoustic-Pressure Response of H2-Air Diffusion Flames with Application of Time-Lag Model)

  • 손채훈;임준석
    • 한국추진공학회지
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    • 제16권1호
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    • pp.1-8
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    • 2012
  • 희석된 수소-공기 확산화염의 응향 응답 특성을 저압과 고압 영역에서의 화염 구조 해석을 토대로 수치적으로 조사하였다. 음향 주파수가 증가함에 따라 어느 압력 영역에서든 열방출율의 비선형 축적현상에 의해 유한 화학반응의 효과가 증진된다. 이는 결국 높은 음향 증폭으로 이어지게 된다. 동일한 계산 결과를 압력 감응 시간지연 모델에 의해 재해석하였다. 시간 지연 모델의 적절한 적용을 통해, 각 압력 영역에서 시간지연과 간섭지수 인자가 정량화되었다. 음향 증폭의 정도를 나타내는 간섭지수는 어느 압력 영역에서든 1000 Hz 근처에서 최고값을 나타내었고, 고압영역에서 화염이 더 불안정한 응답을 보였다. 음향 주파수에 따른 간섭지수의 변화 경향은 기존의 증폭지수 변화 경향과 잘 일치하였다.

일산화탄소/수소 혼합기의 가열된 동축류 제트에서 자발화된 층류 부상화염의 특성 (Characteristics of Autoignited Laminar Lifted Flames in Heated Coflow Jets of Carbon Monoxide/Hydrogen Mixtures)

  • 최병철;정석호
    • 대한기계학회논문집B
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    • 제36권6호
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    • pp.639-646
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    • 2012
  • 가열된 동축류 공기에서 일산화탄소/수소의 층류 제트에 대한 자발화된 부상화염의 특성을 조사하였다. 그 결과로 자발화가 발생하지 않는 영역에서는 제트속도의 증가에 따라 노즐부착화염에서 안정화된 층류 부상화염을 거치지 않고 바로 화염날림이 발생하였다. 자발화 영역에서, 질소 희석된 일산화탄소의 자발화된 부상화염은 산화제 내의 함유된 수분에 따른 점화지연시간의 변동으로 그 부상높이가 크게 영향을 받았다. 그리고 수소에 의한 저온 자발화 영역에서 자발화된 부상화염은 제트속도의 증가에 따라 부상높이가 감소하다가 증가하는 독특한 현상이 발생하였다. 점화지연시간에 의한 자발화된 층류 부상화염의 안정화 메커니즘을 기반으로, 그 부상높이의 거동은 점화 과정에서 발생하는 열손실의 영향뿐만 아니라 연료제트의 운동량과 질량의 선호 확산에 의하여 영향을 받을 수 있다는 것을 확인하였다.

초음속 확산화염 내의 혼합과 재순환 영역에 대한 충격파의 영향 (Effects of Shock Waves on the Mixing and the Recirculation Zone of Supersonic Diffusion Flames)

  • 김지호;허환일;최정열;윤영빈;정인석
    • 한국연소학회:학술대회논문집
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    • 한국연소학회 1998년도 제17회 KOSCI SYMPOSIUM 논문집
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    • pp.123-129
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    • 1998
  • A numerical study has been conducted to investigate the effect of shock waves on the mixing and the recirculation zone of a hydrogen jet diffusion flame in a supersonic combustor. The general trends are compared with the experimental results obtained from the supersonic combustor at the University of Michigan. For the numerical simulation of supersonic diffusion flames, multi-species Navier-Stokes equations and detailed chemistry reaction equations of $H_2$-Air are considered. The $K-{\omega}/k-{\varepsilon}$ blended two equation turbulent model is used. Roe's FDS method and MUSCL method are used for convection fluxes in governing equations. Numerical results show that when slender wedges are mounted at the combustor wall the mixing and the combustion are enhanced and the size of recirculation zone is increased . The flame shape of supersonic flames is different in the flame-tip; it is not closed but open. The flame shape is shown to be greatly affected by shock waves.

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고압하에서 수소 확산화염의 소염에 미치는 복사 열손실 효과에 관한 수치적 연구 (A Numerical Study on Effect of Radiative Heat Loss on Extinction of Hydrogen Diffusion Flames at High Pressure)

  • 오태균;손채훈
    • 대한기계학회논문집B
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    • 제32권5호
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    • pp.351-358
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    • 2008
  • Extinction characteristics of hydrogen-air diffusion flames at various pressures are investigated numerically by adopting counterflow flame configuration as a model flamelet. Especially, effect of radiative heat loss on flame extinction is emphasized. Only gas-phase radiation is considered here and it is assumed that $H_2O$ is the only radiating species. Radiation term depends on flame thickness, temperature, $H_2O$ concentration, and pressure. From the calculated flame structures at various pressures, flame thickness decreases with pressure, but its gradient decreases at high pressure. Flame temperature and mole fraction of $H_2O$ increase slightly with pressure. Accordingly, as pressure increases, radiative heat loss becomes dominant. When radiative heat loss is considered, radiation-induced extinction is observed at low strain rate in addition to transport-induced extinction. As pressure increases, flammable region, where flame is sustained, shifts to the high-temperature region and then, shrunk to the point on the coordinate plane of flame temperature and strain rate. The present numerical results show that radiative heat loss can reduce the operating range of a combustor significantly.

초음속 공기 유동장에서의 수소 확산 화염 특성에 대한 연구 (The Characteristics of Unconfined Hydrogen Diffusion Flames in Supersonic Air Flows)

  • 김제흥;심재헌;김지호;윤영빈
    • 한국추진공학회지
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    • 제4권4호
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    • pp.78-86
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    • 2000
  • Mach 1.8의 동축공기를 갖는 수소 난류 화산 화염의 특성을 이해하는 것이 본 연구의 목적이다. 화염길이와 연료유동의 자취에 대한 직접사진, Acetone PLIF, Mie scattering, 수치해석법을 이용하여 화염의 구조를 분석하였다. 연료의 유속를 고정시켰을 때, 공기의 유속 증가에 따른 변화를 측정하였다. 아음속 화염의 길이는 급격히 감소한 반면, 초음속 화염의 길이는 완만하게 증가하였다. 또한 연료 노즐 립의 두께 변화에 따른 화염의 소염 특성을 관찰하였다. 노즐 립의 두께에 따라 화염 안정성이 증가하였는데 이는 초음속 화염의 안정화를 위한 최소 두께 값이 존재함을 나타낸다. 유동장 구조를 분석한 결과, 연료 제트가 고압영역에 가로 막혀서 축방향 모멘텀을 잃고, 저산란 영역이 만들어지는 것을 확인하였다. 또한, 모멘텀을 잃은 연료가 재순환 영역을 따라 순환하면서 긴 체류시간을 갖기 때문에 예혼합 영역이 만들어 졌음이 밝혀졌다.

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