Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.7
no.6
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pp.8-16
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1999
In this study, a new type of laser-induced ignition using a conical cavity has been developed to utilize all the available incident laser energy. In the method, it is possibile to ignite combustible methane/air mixtures by directing a laser beam of a constant small diameter into a small conical cavity, without focusing the laser beam. Shadow graphs for the early stage of combustion process show that a hot gas jet is ejected from the cavity, especially with lean mixture. After a very show time, the hot gas jet finishes issuing and the flame behavior is quite similar to flame propagation initiated by a conventional spark ignition. The combustion process using the new method exhibits more rapid pressure increase and a higher maximum pressure rise than that of the center ignition using laser-induced spark, with significant decrease in the combustion time. Also, the new ignition method is numerically modeled to simulate the flame kernel development and subsequent combustion process using the KIVA-IIcode. The calculated results show satisfactory agreement with experimental results.
To evaluate the effect of lobed structure on pollutant emission, an experimental study examines NOx and CO emissions associated with four burner geometries, such as a conventional circular burner and three lobed ones. Rapid mixing allowed by the lobed burner to produce lean premixed flames, with narrower flame stability diagram than for the conventional circular one. Conventional circular burner of wide and uniform burner rim has an advantage of flame stabilization. Correlation on fuel discharge velocity for flame blowout should be included a variable related to the wall effect of the burner. NOx emission reduces by about 5% at the burner with lobed structure in fuel discharge side compared to conventional circular one. This is due to lower flame temperatures through flame elongation and increased radiative heat losses, caused by partially luminous flame in flame front. Meanwhile, at the burner with lobed structure in air discharge side and both fuel and air discharge sides, NOx emission somewhat increases with reduced radiative heat losses in spite of flame elongation. Therefore, the rapid mixing by lobed structure does not always have an advantage on NOx reduction.
Lee Jae Ho;Lee Jong Ho;Chang Young June;Jeon Chung Hwan
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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v.y2005m4
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pp.259-264
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2005
Measurements of heat release are very important for controling combustion instabilities, which are closely connected with combustion instabilities. $OH^{\ast}$ images were acquired through a ICCD in this study, which were in use as indicating index of the reacting region, global and local heat release rate in the lean premixed combustion. The objectives of this study are to see the effect of equivalence ratio on global heat release rate and local Rayleigh index distribution. The local Rayleigh index distribution was acquired by information from central section of flame. This information was from the line-of-sight images which were inverted by the Abel de-convolution. In each condition, the mean value of heat release increased exponentially with equivalence for a periodic time. Local Rayleigh index distribution cleary showed the region of amplifying or damping the combustion instability as the equivalence ratio increased. This could provide an insight on the region of combustion instability and the structure of flames on the equivalence ratio.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.31
no.2
s.257
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pp.202-207
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2007
In order to understand the phenomena of combustion instability, an experimental study was conducted at the moderate pressure and ambient temperature conditions. The flame behavior and the pressure fluctuations were measured in a dump combustor. Various types of combustion modes occurred in accordance with the equivalence ratio and the fuel supplying conditions. The fluctuation of pressure, heat release and equivalence ratio were measured by piezoelectric pressure sensor, high speed Intensified Charge Coupled Device (HICCD) camera and gas chromatography respectively. Two representative modes were self-excited pressure oscillations at the resonance of combustion chamber (200Hz) and instabilities related to the modulated fuel flow rate through the fuel holes (10Hz). It is found that, especially in an unchoked fuel flow condition, the modulation of the fuel flow rate affects the characteristics of flame behavior and pressure fluctuations in a lean premixed flame.
This paper describes experimental results on combustion characteristics with hydrogen contents of synthetic natural gas (SNG) in low swirl combustor. To investigate the effect of hydrogen contents for premixed SNG flame, stability map, CH chemiluminescence images, flame spectrum analysis and emission performances were measured. In the results, as the hydrogen content was increased, the lean flammable limit was expanded and the flame length was decreased. The hydrogen contents affected the flame liftoff height, and it has different tendency according to the equivalence ratio and flame shape. The change of height and length of flame according to hydrogen contents is caused by the fast burning velocity of hydrogen, which can be confirmed by GRI 3.0 reaction mechanism in PREMIX code. The intensity of $OH^*$, $CH^*$ and $C_2^*$ was confirmed by spectrum analysis of flame. As a result, the $CH^*$ intensity was not significantly different according to hydrogen content. The increase of hydrogen contents influenced positively CO and NOx emission performances.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.33
no.11
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pp.849-857
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2009
The experimental study was performed to investigate the effects of partial premixing, varying the equivalence ratio, mixing degree, swirl intensity, mixing length on the characteristics of flame structure and NOx emission. Experiments were conducted in a dump combustor at 1 bar using methane as fuel. Inlet air temperature was 570K. OH chemiluminescence images were acquired with an ICCD camera. As a result of the experimental investigation of characteristics of flame and NOx emission in partial premixed combustor, we can conclude the results as below. With the increase of swirl number, The flame length decreases and the flame width increases and it helps flame stabilization. It means that lean flammability limit is extended. With the increase of mixing of fuel-air length ratio, Flame goes to be stabilized and NOx emission and $OH^{\ast}$ intensity decrease. Through the comparison of preceding results, It is possible that the exhausted NOx emission from a gas turbine combustor will be able to predict through the $OH^{\ast}$ intensity.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.20
no.4
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pp.40-49
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2016
This study aims to confirm the characteristics of low swirl combustion at our low swirl model combustor. To do it, it is experimentally conducted by evaluating the flame shape, stability region and emissions according to the swirl angle. The most significant feature of low swirl combustion is a occurrence of lifted flame. Such lifted flames happen to combine exquisitely propagating feature of premixed flame with diverging flow. This feature of lifted flame was confirmed through a velocity flow field and visualized the flame in this model combustor. The visualized flame was classified according to the thermal power and equivalence ratio. The variation study in swirl angles showed that the lean flammable limit could be extended only by swirl angles. Also, as the swirl angle increased, it was confirmed that the NOx and CO emissions were decreased due to the mixing enhancement and shorter resident time.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.8
no.2
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pp.19-26
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2000
This paper presents the effects of initial pressure of mixture on CO, $CO_2$ and NOx emissions in constant volume combustion chamber. The CO, $CO_2,O_2,N_2$ concentrations in the chamber are determined by thermal conductivity detection (Gas-chromatograph) wile the NOx concentration is measured by chemiluminescent detection (NOx Analyser). Methane-air mixture is used as premixed fuel and the measurements are taken with equivalence ratios($\phi$) varing from 0.6 to 1.3, and initial pressures of methane-air mixture varing from 0.1MPa to 0.8MPa in constant volume combustion chamber. The NOx concentration steadily increases with increasing equivalence ratio, peaks in lean flame ($\phi$=0.85~0.9), and then rapidly decreases. However, as the initial pressure of mixture is increased, the equivalence ratio corresponding to the point of peak [NOx] shifts towards leaner conditions. This is caused by a similar shift in the peak [CH], which is caused by the variation with pressure and equivalence ratio of the rate of CH production from $CH_2$ and OH. The maximum combustion pressure peaks at $\phi$ =1.05 and the $CO_2$ concentration peaks at $\phi$=0.95~1.0 while the CO concentration rises sharply at the condition of fuel-rich mixtures. This is caused by complete combustion at $\phi$=0.95.
In order to reduce NOx emissions in the 20kW class microturbine under development, the low NOx characteristics, as being an application to the lean premixed combustion technology, have been investigated. The study has been conducted at the conditions of high temperature and high pressure. Theair from a compressor with the pressure of 2.5bar, 3.0bar, 3.5bar was supplied to the combustor with the temperature 560K through the air preheat-treatment. The sampling exhaust gas was measured at the immediate exit of the combustor. For the effect of temperature on NO and CO emissions, though NOx were increased, CO was decreased with increasing inlet air temperature. With increasing inlet air pressure, NOx were increased and CO was decreased also. NOx were decreased, but CO was increased with increasing inlet air mass flow rate. The test has been performed on the equivalent ratio of 0.10 to 0.16 in the lean region. NOx were increased with increasing equivalent ratio, but CO was decreased as an influence of flame temperature. CFD work with an appropriate combustion model predicated a complicated swirling flow pattern in the combustor, and also produced a numerical value of NOx and CO emissions which was to be compared with the experimental one. As the results of this study, NOx are expected to be reduced to less than 42ppm at 15% O2 when operated at the design condition of the 20kW class microturbine.
The main objective of this study was investigation of combustion instability characteristics in a lean partially premixed gas turbine dump combustor. Dynamic pressure transducers were located on combustor and inlet section to observe combustion pressure oscillation and difference at each measurement places. Also flame shape and $CH^*$ chemiluminescence were measured using a high speed ICCD camera. The combustor length was varied in order to have different acoustic characteristics from 800 to 1090 mm. The first section of this paper shows the stability map in model gas turbine combustor. And the effects of combustor length, mixture velocity in the mixing section and equivalence ratio were studied by the pressure perturbation and heat release oscillation. Also, the instability frequency and mode analysis were studied in last two sections. We observed two dominant instability frequencies in this study. Lower frequencies were obtained at lower equivalence ratio region and it was associated with a fundamental longitudinal mode of combustor length. Higher frequencies were observed in higher equivalence ratio conditions. It was related to secondary longitudinal mode of combustor and mixing section. In this instability characteristics, pressure oscillation of mixing section part was larger than pressure oscillation of combustor. As a result, combustion instability was strongly affected by acoustic characteristics of combustor and mixing section geometry.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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