Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.32
no.3
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pp.190-197
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2008
It was experimentally studied that the stabilization mechanism of turbulent, lifted jet flames in a non-premixed condition to reveal the newly found liftoff height behavior of hydrogen jet. The objectives are to report the phenomenon of a liftoff height decreasing as increasing fuel velocity, to analyse the flame structure and behavior of the lifted jet, and to explain the mechanisms of flame stability in hydrogen turbulent non-premixed jet flames. The hydrogen jet velocity was changed from 100 to 300m/s and a coaxial air velocity was fixed at 16m/s with a coflow air less than 0.1m/s. For the simultaneous measurement of velocity field and reaction zone, PIV and OH PLIF technique was used with two Nd:Yag lasers and CCD cameras. As a result, it was found that the stabilization of lifted hydrogen diffusion flames is correlated with a turbulent intensity and Karlovitz number.
Sapkal, Narayan P.;Lee, Won June;Park, Jeong;Lee, Byeong Jun;Kwon, Oh Boong
한국연소학회:학술대회논문집
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2015.12a
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pp.83-86
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2015
The Laminar lifted methane jet flames diluted with helium and nitrogen in co-flow air have been investigated experimentally. The chemiluminescence intensities of $OH^{\ast}$ and $CH_2O^{\ast}$ radicals and the radius of curvature for tri-brachial flame were measured using an intensified charge coupled device (ICCD) camera, monochromator and digital video camera. The product of $OH^{\ast}$ and $CH_2O^{\ast}$ is used as a excellent proxy of heat release rate. These methane jet flames could be lifted in buoyancy and jet dominated regimes despite the Schmidt number less than unity. Lifted flames were stabilized due to buoyancy induced convection in buoyancy-dominated regime. It was confirmed that increased $OH^{\ast}$ and $CH_2O^{\ast}$ concentration caused an increase of edge flame speed via enhanced chemical reaction in buoyancy dominated regime. In jet momentum dominated regime lifted flames were observed even for nozzle exit velocities much higher than stoichiometric laminar flame speed. An increase in radius of curvature in addition to the increased $OH^{\ast}$ and $CH_2O^{\ast}$ concentration stabilizes such lifted flames.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.27
no.3
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pp.275-285
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2003
A visualization study on the effect of forcing amplitude in tone-excited jet diffusion flames has been conducted. Visualization techniques are employed using optical schemes. which are a light scattering photography. Flame stability curve is attained according to Reynolds number and forcing amplitude at a fuel tube resonant frequency. Flame behavior is globally grouped into two from attached flame to blown-out flame according to forcing amplitude: one sticks the tradition flame behavior which has been observed in general jet diffusion flames and the other shows a variety of flame modes such as the flame of a feeble forcing amplitude where traditionally well-organized vortex motion evolves, a fat flame. an elongated flame. and an in-burning flame. Particular attention is focused on an elongation flame. which is associated with a turnabout phenomenon of vortex motion and on a reversal of the direction of vortex roll-up. It is found that the flame length with forcing amplitude is the direct outcome of the evolution process of the formed inner flow structure. Especially the negative part of the acoustic cycle under the influence of a strong negative pressure gradient causes the shapes of the fuel stem and fuel branch part and even the direction of vortex roll-up to dramatically change.
Kim, Deok-Ho;Lee, Jai-Hyo;Choi, Su-Jin;Cho, Gyu-Back;Jeong, Dong-Soo
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.13
no.2
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pp.22-28
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2005
Exhaust gas emissions from internal combustion engines are one of the major sources of air pollution. And, it is extremely difficult to increase gasoline engine efficiency and to reduce $NO_X$ and PM(particulate matter) simultaneously in diesel combustion. This paper offers some basic concepts to overcome the above problems. To solve the problems, a recommended technique is CAI(controlled auto-ignition) combustion. In this paper, a flame trap was used to simulate internal EGR(exhaust gas recirculation) effect. An experimental study was carried out to find combustion characteristics using homogeneous premixed gas mixture in the constant volume combustion chamber(CVCC). Flame propagation photos and pressure signals were acquired to verify the flame trap effect. The flame trap creates high speed burned gas jet. It achieves higher flame propagation speed and more stable combustion due to the effect of geometry and burned gas jet.
A numerical study on lifted flame structure in impinging jet geometry with syngas composition ratio was investigated. The numerical calculations including chemical kinetic analysis were conducted using SPIN application of the CHEMKIN Package with Davis-Mechanism. The flame temperature and velocity profiles were calculated at the steady state for one-dimensional stagnation flow geometry. Syngas mixture compositions were adjusted such as $H_2:CO=10:90(10P)$, 20 : 80 (20P), 30 : 70 (30P), 40 : 60 (40P), 50 : 50 (50P). As composition ratios are changed from 10P to 50P, the axial velocity and flame temperature increase because the contents of hydrogen that have faster burning velocity increase. This phenomenon is due to increase in good reactive radicals such as H, OH radical. As a result of active reactivity, the burning velocity is more faster and this is confirmed by numerical methods. Consequently, combustion reaction zone was moved to burner nozzle.
The authors have reported significant reductions in particulate emissions of diesel engines by generating strong turbulence during the combustion process. This study aims to identify optimum conditions of turbulent mixing for effective soot reduction during combustion. The experiments were conducted with a constant volume combustion vessel equipped with abet-generating cell, in which a small amount of fuel is injected during the combustion of the main spray. The jet of burned gas from the cell impinges the main flame, causing changes In the mixing of fuel and air. Observation was made for a variety combinations of distances between spray nozzle and Jet orifice at different directions of impingement. It Is shown that compared with the case without Jet flame soot decreases when the jet impinges. When the jet is very close to the flame, it penetrates the soot cloud and causes little mixing. There were no apparent differences in the combustion duration when the direction of impingement was varied, although the mechanisms of soot reduction seemed different. An analysis of local turbulent flews with PIV (Particle image Velocimetry) showed the relationship between the scale of the turbulence and the size of the soot cloud.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.28
no.5
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pp.569-579
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2004
The lift-off characteristics of lifted laminar propane jet flames highly diluted with nitrogen are investigated introducing acoustic forcing with a fuel tube resonance frequency. A flame stability curve is obtained according to forcing strength and the nozzle exit velocity for N2 diluted flames. Flame lift-off behavior is globally classified into three regimes; 1) a weakly varying partially premixed behavior caused by a collapsible mixing for large forcing strength, 2) a coexistent behavior of the edge flame and a weakly varying partially premixed behavior for moderate forcing strength, and 3) edge flame or triple flame behavior for small forcing. It is shown that the laminar lifted flame with forcing affects flame lift-off behavior considerably, and is also clarified that the flame characteristic of flame base is well described with the penetration depth of the degree of mixing, ${\gamma}$$\_$$\delta$/. It is also confirmed that the weakly varying partially premixed flame caused by a collapsible mixing fur large forcing strength behaves as that just near flame blow-out in turbulent lift-off flame.
The relationship among the flame radiation, NOx emissions, residence time, and global strain rate are examined for turbulent non-premixed jet flames with wide variations in coaxial air conditions. Measurements of NOx emission, flame geometry and flame radiation were made to explain the NOx emission scaling based on global parameters such as flame residence time, global strain rate, and radiant fraction. The overall 1/2-power scaling is observed in coaxial air flames, irrespective of coaxial air conditions, but the degree of deviation from the l/2-slope curve in each case differs from one another. From the comparison between the results of pure hydrogen flames and those of helium diluted hydrogen flames, it is observed that flame radiation plays a significant role in pure hydrogen flames with coaxial air and the deviation from 1/2-power scaling may be explained in two reasons: the difference in the flame radiation and the difference in jet similarity in coaxial air flames. From the radiation measurements, more detailed explanations on these deviations were suggested.
A characterization of turbulent reacting flows has proved difficult owing to the complex interaction between turbulence, mixing, and combustion chemistry. There are many types of time scales in turbulent flame which can determine flame structure. This counter jet type premixed burner produces high intensity turbulence. The goal is to gain better insights into the flame structures at high turbulence. 6 propane/air flames gave been studied with high velocity fluctuation in bundle type nozzle and in one hole type nozzle. By measuring velocity fluctuation, turbulent intensity and integral length scale are obtained. And sets of OH LIF images were processed to see flame structure of the mean flame curvatures and flame lengths for comparison with turbulence intensity and turbulent length scales. The results show that the decrease in nozzle size generates smaller flow eddy and mean curvatures of the flame fronts, and a decrease in Damkohler number estimated from flow time scale measurement.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.31
no.11
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pp.926-935
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2007
The NOx emission characteristics of DME in laminar coaxial jet and counterflow nonpremixed flames were investigated using experimental and numerical approaches, respectively. The flame structure and NOx emission of DME were compared with those of $C_2H_6$ and $C_3H_8$. The DME flame was calculated using the Kaiser's mechanism, while the $C_2H_6$ and $C_3H_8$ flames were calculated using the $C_3$ mechanism. These mechanisms were combined with the modified Miller-Bowman mechanism for the analysis of NOx. Experimental results show in coaxial jet flame that DME flame has the characteristics of partial premixed flame and the flame length decreases up to 1/3 than that of $C_3H_8$ in the same condition of fuel mass flowrate. Then, the NOx emission of DME decreases to 40% approximately, comparing with that of $C_3H_8$. In the calculated results of counterflow nonpremixed flame, DME flame shows the $EI_{NO}$ decreases up to 50% approximately than those of$ C_2H_6$ and $C_3H_8$ flames when the equivalent fuels are consumed per unit mass and time. Although the overall NOx reaction path of DME is similar with other hydrocarbon fuels, it can be identified that DME flame has a distinct NO reduction mechanism due to the reburning NO chemistry in fuel rich region. From these results, we can conclude that the different NOx emission characteristics of DME flame with other hydrocarbon fuels are attributed to not the temperature increase and the activation of NO reactions due to O atom in DME fuel but the rapid processes of pyrolysis/oxidation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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