A prediction performance of Fire Dynamics Simulator(FDS) developed by NIST for the diffusion flame structure was validated with experimental results of a laminar slot jet diffusion flame. Two mixture fraction combustion models and two finite chemistry combustion models were used in the FDS simulation for the validation of the jet diffusion flame structure. In order to enhance the prediction performance of flame structure, DNS and radiation model was applied to the simulation. The reaction rates of the finite chemistry combustion models were appropriately adjusted to the diffusion flame. The mixture fraction combustion model predicted the diffusion flame structure reasonably. A 1-step finite chemistry combustion model cannot predict the flame structure well, but the simulation results of a 2-step model were in good agreement with those of experiment except $CO_2$ concentration. It was identified that the 2-step model can be used in the investigation of flame suppression limit with further adjustment of reaction rates
When large size nozzle with low jet velocity is used, the buoyancy effect arises from the density difference among propane, air, and burnt gas. Flame characteristics in such buoyant jets have been investigated numerically to elucidate the effect of buoyancy on lifted flames. It has been demonstrated that the cold jet has circular cone shape since upwardly injected propane jet decelerates and forms stagnation region. In contrast to the cold flow, the reacting flow with a lifted flame has no stagnation region by the buoyancy force induced from the burnt gas. To further illustrate the buoyancy effect on lifted flames, the reacting flow with buoyancy is compared with non-buoyant reacting flow. Non-buoyant flame is stabilized at much lower height than the buoyant flame. At a certain range of fuel jet velocities and fuel dilutions. an oscillating flame is demonstrated numerically showing that the height of flame base and tip vary during one cycle of oscillation. Under the same condition. non-buoyant flame exhibits only steady lifted flames. This confirms the buoyancy effect on the mechanism of lifted flame oscillation.
Sapkal, Narayan;Lee, Won June;Park, Jeong;Kwon, Oh Boomg
한국연소학회:학술대회논문집
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한국연소학회 2014년도 제49회 KOSCO SYMPOSIUM 초록집
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pp.387-389
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2014
Laminar lifted methane jet flame diluted with nitrogen and helium in co-flow air has been investigated experimentally. This paper examines the role of chemistry, intermediate species responsible for stabilization of lifted flame. To elucidate the stabilization mechanism in lifted methane jet flames with Sc<1, the chemiluminescence intensities of $CH^*$ and $OH^*$ were measured using ICCD camera at various nozzle exit velocities and fuel mole fractions. It has been observed that the $OH^*$ species can play an important role in stabilization of lifted methane jet flame as they are good indicators of heat release rate which can affect on flame speed and increase stability through reduction in ignition delay time.
Sapkal, Narayan;Lee, Won June;Park, Jeong;Kwon, Oh Boomg
한국연소학회:학술대회논문집
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한국연소학회 2014년도 제49회 KOSCO SYMPOSIUM 초록집
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pp.125-128
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2014
Laminar lifted methane jet flame diluted with nitrogen and helium in co-flow air has been investigated experimentally. This paper examines the role of chemistry, intermediate species responsible for stabilization of lifted flame. To elucidate the stabilization mechanism in lifted methane jet flames with Sc<1, the chemiluminescence intensities of $CH^*$ and $OH^*$ were measured using ICCD camera at various nozzle exit velocities and fuel mole fractions. It has been observed that the $OH^*$ species can play an important role in stabilization of lifted methane jet flame as they are good indicators of heat release rate which can affect on flame speed and increase stability through reduction in ignition delay time.
Dynamic structures of unsteady $CH_4$/Air jet diffusion flames with flame-vortex interaction were numerically investigated. A time-dependent, axisymmetric computational model was adopted for this calculation. Two step global reaction mechanism which considers 6 species, was used to calculate the reaction rates. The predicted results including gravitational effect show that the large outer vortices and the small inner vortex street can be well simulated without any additional disturbances in the downstream of nozzle tip. It was found that the temperature and species concentrations had various values for the same mixture fraction in flame-vortex interaction region. This unsteady jet flame configuration accompanying flame-vortex interaction is expected to give good implications for the structure of turbulent flames.
The present study has focused on numerical investigation on the flame structure, flame lift-off and stabilization in the partially premixed turbulent lifted jet flames. Since the lifted jet flames have the partially premixed nature in the flow region between nozzle exit and flame base, level set approach is applied to simulate the partially premixed turbulent lifted jet flames for various fuel jet velocities and co-flow velocities. The flame stabilization mechanism and the flame structure near flame base are presented in detail. The predicted lift-off heights are compared with the measured ones.
The present study has focused on numerical investigation on the flame structure, flame lift-off and stabilization in the partially premixed turbulent lifted jet flames. Since the lifted jet flames have the partially premixed nature in the flow region between nozzle exit and flame base, level set approach is applied to simulate the partially premixed turbulent lifted jet flames for various fuel jet velocities and co-flow velocities. The flame stabilization mechanism and the flame structure near flame base are presented in detail. The predicted lift-off heights are compared with the measured ones.
The effect of fuel composition and coaxial air on the nitrogen oxide emission index was studied in a non-premixed turbulent jet flame. Validity of experimental setup and methodology is checked. The NOx emission trend is similar with previous works in hydrogen flame, but it's not well in $H_2/CO$ flame. Normalized EINOx scaling with modified $S_G$ applying near-field concept was conducted. Experimental data don't collapse single correlation curve, but partially same trend is observed in all cases.
A promising new approach to achieve low pollutants emission and improvement of flame stabilities is tested experimentally using a hybrid cyclone jet combustor employing both premixed and diffusion combustion mode, Three kind of nozzles are used for LNG(Liquified Natural Gas) as a fuel. The combustor is operated by two method, One is ATI(Air Tangential Injection) mode, generated swirl flow by air as general swirl combustor, and the other is PTI(Premixed gas Tangential Injection) mode, The PTI mode consists of diffusion flame of axial direction and premixed cyclone flame of tangential direction in order to stabilized the diffusion flame. The results showed that the stable region of the PTI mode is more larger than the ATI mode. In addition, the reduction of NOx emission in PTI mode, as compared with that for the ATI mode is at least 50% in stable region. Also, even using the low calorific fuel as $CO_2$-blended gas, the cyclone jet combustor has high performance of flame stability.
A theoretical study for the laminar round jet diffusion flame impinging on the wall was carried out to predict the characteristics and structure of impinging jet flame and heat transfer to the wall. Finite chemistry via Arrhenius equation was adopted as the combustion model. All the transport properties were considered as the variable depending on the temperature and composition. For the parametric study, the distance from nozzle to perpendicular wall and Reynolds number at nozzle exit were chosen as the major parameters. As the results of the present study, the characteristics of flow field and the distributions of temperature, density and each chemical species were obtained. The heat transfer rate from flame to the wall and the effective heating area were calculated to investigate the influence of the major parameters on the heat transfer characteristics.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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