Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.27
no.10
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pp.1420-1426
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2003
The stability of turbulent nonpremixed interacting flames is investigated in terms of nozzle configuration shapes and kind of fuels. Four nozzle arrangements - cross 5, matrix 8, matrix 9 and circle 8 nozzles - are used in the experiment. There are many parameters affecting flame stability in multi-nozzle flames such as nozzle separation distance, fuel flowrates and nozzle configuration etc. Key factors to enhance blowout limit are the nozzle configuration and the existence of center nozzle. Even nozzle exit velocity equal 204 m/s, flame is not extinguished when there is not a center nozzle and s/d=15.3∼27.6 in matrix-8 and circular-8 configurations. At these conditions, recirculation of burnt gas is related with stability augmentation. Fuel mole fraction measurements using laser induced fluorescence reveal lifted flame base is not located at the stoichiometric contour.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.33
no.9
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pp.699-708
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2009
To understand hydrogen jet liftoff height, the stabilization mechanism of turbulent lifted jet flames under non-premixed conditions was studied. The objectives were to determine flame stability mechanisms, to analyze coexistence of two different flame structure, and to characterize the lifted jet at the flame stabilization point. Hydrogen flow velocity varied from 100 to 300 m/s. Coaxial air velocity was changed from 12 to 20 m/s. Simultaneous velocity field and reaction zone measurements used, PIV/OH PLIF techniques with Nd:YAG lasers and CCD/ICCD cameras. Liftoff height decreased with the increase of fuel velocity. The flame stabilized in a lower velocity region next to the faster fuel jet due to the mixing effects of the coaxial air flow. The flame stabilization was related to turbulent intensity and strain rate assuming that combustion occurs where local flow velocity and turbulent flame propagation velocity are balanced. At the flame base, two different flame structures were found that was the partial premixed flames and premixed flame.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.35
no.4
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pp.431-438
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2011
Flame lift-off conditions determine the operating conditions of burners. It is known that a flame can be lifted when the Schmidt number (Sc), which is the ratio of the dynamic viscosity to the mass diffusivity, is greater than unity. In this study, the flame lift-off characteristics of non-premixed flames of propane (Sc > 1) and methane (Sc < 1) in a coaxial outer air tube were experimentally compared. The experimental results indicated that stable lifted flames could be obtained even when Sc < 1 in a confined air tube. On the basis of the results of a simple numerical analysis, it was confirmed that a new flame stabilization mechanism exists in the tube. A velocity field is preferentially developed upstream of the flame, and it results in a new stabilization condition. This result can be very useful in explaining the stabilization of the flames of ordinary burners in which a flame is produced in a confined space.
A study has been conducted numerically to investigate the lifted flat syngas flame structure of impinging jet flame configuration with the global strain rates in 10% hydrogen content. In this study, the effects of strain rate were major parameters on chemistry kinetics and flame structure at stagnation point. The numerical results were calculated by SPIN application of the CHEMKIN package. The strain rates were adjusted with Reynolds numbers of premixed syngas-air mixture. Different flame shapes were observed with different strain rates. As strain rate has increased, the flame temperature and axial velocity have been decreased due to the flame heat loss increment, and the OH radical reaction zones become narrower but each mole fractions are still constant. Also, the reversion of $H_2O$ product near stagnation point has been found out when strain rate has increased. This phenomenon is attributed to the rapid production of oxidizing radical reaction such as the R12 ($H+O_2(+M)=HO_2(+M)$), which makes the R18 ($HO_2+OH=O_2+H_2O$) reaction increment.
Characteristics of turbulent lifted flames in coflow jet have been investigated by varying initial temperature through the heating of coflow air. In the turbulent regime, liftoff height increases linearly with fuel jet velocity and decreases nonlinearly as the coflow temperature increases. This can be attributed to the increase of turbulent propagation speed, which is strongly related to laminar burning velocity. Dimensionless liftoff heights are correlated well with dimensionless jet velocity, which are scaled with parameters determining local flow velocity and turbulent propagation speed. This implies that the turbulent lifted flames are stabilized by balance mechanism between local turbulent burning velocity and flow velocity. Blowout velocity can be obtained from the ratio of mixing time to chemical time. Comparing to previous researches, thermal diffusivity should be evaluated from the initial temperature instead of adiabatic flame temperature.
Characteristics of turbulent lifted flames in coflow jet have been investigated by varying initial temperature through the heating coflow air. In the turbulent regime, liftoff height increases linearly with fuel jet velocity and decreases nonlinearly as the coflow temperature increases. This can be attributed to the increase of turbulent propagation speed, which is strongly related to laminar burning velocity. Dimensionless liftoff heights are correlated well with dimensionless jet velocity, which are scaled with parameters determining local flow velocity and turbulent propagation speed. This implies that the turbulent lifted flames are stabilized by balance mechanism between local turbulent burning velocity and flow velocity. Blowout velocity can be obtained from the ratio of mixing time to chemical time. Comparing to previous researches, thermal diffusivity should be evaluated from the initial temperature instead of adiabatic flame temperature.
This study has numerically modeled the combustion processes of the turbulent swirling premixed lifted syngas flames in the low-swirl burner (LSB). In these turbulent swirling premixed flames, the four tangentially-injected air jets induce the turbulent swirling flow which plays the crucial role of stabilizing the turbulent lifted flames. In the present approach, the turbulence-chemistry interaction is represented by the level-set based flamelet model. Numerical results indicate clearly that the present level-set based flamelet approach has realistically simulated the structure and stabilization mechanism of the turbulent swirling premixed lifted flames in the low-swirl burner. Computations are made for the wide range of the syngas chemical composition and the dilution level at two pressure conditions (1.0, 5.0 bar). Numerical results indicate that the lifted height in the LSB is increased by decreasing the H2 percentage and increasing the dilution level at the given equivalence ratio. It is also found that the flashback is occurred for the hydrogen composition higher than 80% at the equivalence ratio, 0.8. However, at the syngas composition range in the IGCC system, the stable lean-premixed lifted flames are formed at the low-swirl burner.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.33
no.7
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pp.477-485
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2009
The study of nitrogen dilution effect on the flame stability was experimentally investigated in a non-premixed turbulent lifted hydrogen jet with coaxial air. Hydrogen gas was used as a fuel and coaxial air was used to make flame liftoff. Each of hydrogen and air were injected through axisymetric inner and outer nozzles ($d_F=3.65\;mm$ and $d_A=14.1\;mm$). And both fuel jet and coaxial air velocity were fixed as $u_F=200\;m/s$ and $u_A=16\;m/s$, while the mole fraction of nitrogen diluents gas was varied from 0.0 to 0.2 with 0.1 step. For the analysis of flame structure and the flame stabilization mechanism, the simultaneous measurement of PIV/OH PLIF laser diagnostics had been performed. The stabilization point was selected in the most upstream region of the flame base and defined as the point where the turbulent flame propagation velocity was equal to the axial component of local flow velocity. We found that the turbulent flame propagation velocity increased with the decrease of nitrogen mole fraction. We concluded that the turbulent flame propagation velocity was expressed as a function of turbulent intensity and axial strain rate, even though nitrogen diluents mole fraction was changed.
High efficient and environment friendly combustion technologies are used to be operated an extreme condition, which results in unintended flame instability such as extinction and oscillation. The use of electromagnetic energy is one of methods to enhance the combustion stability and a microwave as electromagnetic wave is receiving increased attention recently because of its high performance and low-cost system. In this study, an experiment was performed with jet diffusion flames induced by microwave. Micro jet was introduced to simulate the high velocity of industrial combustor. The results show that micro jet flames had three different modes with increasing oxidizer velocity; attached yellow flame, lifted flame, and lifted partially premixed flame. As a microwave was induced to flames, the overall flame stability and blowout limit were extended with the higher microwave power. Especially the interaction between a flame and a microwave was shown clearly in the partially premixed flame, in which the lift-off height decreased and NOx emission measured in post flame region increased with increasing microwave power. It might be attributed to increase of reactivity due to the abundance of radical pool and the enhanced absorption to thermal energy.
To reveal the newly found liftoff height behavior of hydrogen jet, we have experimentally studied the stabilization mechanism of turbulent, lifted jet flames in a non-premixed condition. The objectives of the present research 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 velocity of hydrogen was varied 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 results, it has been found that the stabilization of lifted hydrogen diffusion flames is related with a turbulent intensity, which means that combustion occurs at the point where the local flow velocity is balanced with the turbulent flame propagation velocity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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