Detailed experimental study has been made of air blast kerosene spray flames with and without swirl in combustion air flow. Phase-Doppler detect technique is used to measure Sauter mean diameter, axial component mean and rms velocity, size-velocity correlation, and number density. These measurements are obtained for both nonreacting and reacting cases under several stable flame conditions. The results show that the introduction of swirl to the combustion air modifies the spatial distribution of droplet size, velocity, and number density, and thus alters the flame structure. However, due to the weak swirl intensity, the overall structure of swirling flames are essentially same as that of nonswirling flames. Physical model of structure of air blast atomized spray flames is projected to show that spray flames are composed of three distinct regions: the two-phase mixture region, the main reaction and the intermittent combustion region. Near the atomizer, two phase mixture of droplet and air is formed in the core region. This dense spray region is characterized by high droplet number density and the strong convective effect. There follows the main combustion region where the main flame penetrates within the spray boundary. Main reaction region of these flames are governed by internal group combustion mode. Finally there exists the intermittent combustion region where local group burning or isolated droplet burning occurs.
The effects of fuel density and fuel viscosity on spray characteristics were investigated under two different gas turbine fuels and various fuel supply pressure conditions through measurement of SMD, number density and volume flux by using PDPA system in dual orifice injector for gas turbine engines. In this study, we found out that the droplet size and spray structure are strongly depend on fuel density for dual orifice injector. The spray characteristics of high density fuel in dual orifice injector are similar with the characteristics of low density fuel in single orifice injector. The shear region between primary main fuel stream and secondary main fuel stream is examined in low density fuel condition but not exist in high density fuel condition, then this shear region is very important in quality of gas turbine spray. There are worth consideration for the effect of fuel density on spray characteristics in frontal device design to improve combustion efficiency.
According as the industry was developed, the pollution of the environment and atmosphere rose up to the surface. So, the focus is now concentrated on the engines of affinity for nature. And the investigators make more effort to the improvement in the performance of engines, depending to the prices of oil and the anxiety about the exhaustion of the fossil fuel go up. So the GDI engines head up for these necessities. In this experimental study, the spray flow characteristics for a commercial injector equipped in the present GDI engine were investigated, which had a strong influence on the engine performance and emissions. The experiment was performed at the injection pressures of 1, 3, 5 and 7MPa under the atmospheric condition. A PDPA system was used to specify the flow characteristics of the spray. Also, the global spray behavior classified into three regions as leading, main spray and vortex cloud region, was analyzed by using a visualization system. And the regions were compared with each other.
The present paper deals with the numerical simulation for the spray characteristics with swirling turbulent flows and dilution flows from swirl injectors in a simplified can type of gas turbine combustor. The main objective is to investigate the characteristics of swirling turbulent flows with dilution flows and to provide the qualitative results for the spray characteristics such as the droplet distribution and Sauter Mean Diameter(SMD). The gas-phase equations based on Eulerian approach were discretized by Finite Volume Method, together with SIMPLE algorithm and the Reynolds -Stress-Model. The liquid-phase equations based on Lagrangian method were used to predict the droplet behavior. The results of preliminary test are generally in good agreement with experimental data, and show that the anisotropy exists in the primary zone due to swirl velocity and injected air from primary injector, and then gradually decays due to turbulent mixing and consequently near-isotropy occurs in the region between primary and dilution zones. For the spray characteristics, it is indicated that the swirling flows of primary jet region increase the droplet atomization. In addition, it is showed that the swirling flows at the inlet region lead the air-fuel mixture to be distributed near the igniter and can significantly affect the spray behavior in the primary jet region.
Compared to gasoline engines, diesel engines with a relatively simple ignition system are more advantageous in the application of biodeisel fuel to engine. Then in this study the comparative analysis on the spray characteristics and combustion emissions characteristic between the biodiesel(soybean oil) and diesel, the fuel for commercial diesel engine, was performed with common rail injection system. Injection pressure and ratio of biodiesel blended fuel were selected as main experimental variables. Consequently, it can be found that there is no significant difference in the macro characteristics of the spray behavior(spray penetration and spray angle) in response to change in the blend ratio of soybean oil and diesel at a fixed injection pressure, in particular, soot creation in combustion emissions in the region of low pressure was greatly affected by the blend ratio of soybean oil, however, the creation in the region of high pressure was almost unaffected by the blend ratio because of promoted atomization.
The studies of the spray characteristics for a CRDI engine had been advancing by many researchers, because the performance and exhaust emission were significantly affected with the spray characteristics. But most experiments of the studies would be done at low ambient pressure conditions under 2MPa. In this study, injection rates were measured with Zeuch's method at various ambient pressures to 5MPa and a constant injection pressure of 130MPa. On the same conditions, non-evaporating spray images were taken with a high speed camera and analyzed carefully with Adobe Photoshop CS3. Macroscopic spray characteristics and breakup processes in the spray could be found from the examined and analyzed data. The initial injection rate, penetration, angle, velocity and breakup of the spray were practically affected with a variation of the ambient pressure, but the injection start time and injection period were scarcely affected. As the ambient pressure was higher, the breakup of a high density droplet region in the spray was happened slowly and the main position of breakup was shifted from a front of the spray to a upstream around a nozzle. The results and techniques of spray visualization and injection rate measurement in this study would be practically effective to study a high pressure diesel spray for a CRDI.
To investigate the spray behavior and atomization characteristics using an air-assist injector, spray visualization and PDPA measurements were carried out under the various assisted air pressures and the fixed fuel pressure. The air assist pintle type injector employed in this study is consisted of the air assist adaptor and an injector housing using the gasoline fuel and air as the working fluids. As results, increasing pressure of assisted air, the growth of spray tip penetration is gradually reduced at the end of spray and spray angle is steadily increased at the main spray region except from the early spray. For the air assist pressure of 25㎪ in a spray downstream, it is doncluded that droplet size distribution shows the peak of 10${\mu}{\textrm}{m}$ and most of the droplet sizes are less than 50${\mu}{\textrm}{m}$. Also, the air-assist injector extremely improves fuel atomization in order to produce much finer droplets, it shows that approximately, in this case, 50% decreade of SMD than without air assit.
The correlation between the droplets size and the velocity are investigated for an intermittent spray of the pintle type fuel injector employed in a port injection gasoline engine. The analysis such as the mean droplet size, SMD, and velocity under the fixed injection period and varied fuel pressures are conducted utilizing PDPA systems. As results, the experimental data obtained, show that the larger droplet sizes. the higher velocities during the spray tip arrival time, and that at Z=70mm, r=8mm, both droplet sizes and velocities are peak. At the upstream, flow of droplets are dominated by injection pressure, which are more effected inertia force of droplets at the downstream of Z=70mm.
The optimization of frontal device including fuel nozzle and swirler is required to secure the mixing of fuel and air and the combustion stability leading the reduction of pollutant emissions and the increase of combustion efficiency in gas turbine combustor. The effects of injection nozzle and swirler on the flow field, spray characteristics and consequently the combustion stability, were experimentally investigated by measuring the velocity field, droplet sizes of fuel spray, lean combustion limit and the temperature field in the main combustion region. Flow fields and spray characteristics were measured with APV(Adaptive Phase Doppler Velocimetry) under atmospheric condition using kerosine fuel. Temperatures were measured by Pt-Pt13%Rh, R-type thermocouple which was 0.2mm thick. Spray and flame was visualized by ICCD(Intensified Charge Coupled Device) camera. It was found that the dual swirler resulted in the biggest recirculation zone with the highest reverse flow velocity at the central region, which lead the most stable combustion. The various combustion characteristics were observed as a function of the geometries of injector and swirler, that gave a tip for the better design of gas turbine combustor.
The main parameter commonly used to evaluate spray distribution is spray angle. Spray angle is important because it influences the axial and radial distribution of the fuel. Spray angles were measured and compared for the two non-air assisted injectors such as 2hole-2stream 4hole-1stream injectors used for port fuel injection gasoline engines with n-heptane as a fuel by three different measuring techniques, i.e., digital image processing, shadowgraphy, and spray patternator, respectively. Fuel was injected with the injection pressures of 0.2-0.35 MPa into the room temperature and atmospheric pressure environment. In digital image processing approach, the selection of the transmittance level is critical to obtain the edge of spray and hence to measure the spray angle. From the measurement results by the shadowgraphy technique, it is dear that the spray angle is varied during the spray injection period. The measurement results from spray patternator show that the different spray angles exist in different region. Spray angle increases with the increase in the injection pressure. it is suggested that the spray angle and stream separated angle should be specified when spray is characterized for 2hole-2stream injector, because spray angle is much different though stream separated angle is same. It was also considerably affected by the measurement techniques introduced in this experimental work. However, the optimal axial distance for measuring the spray angle seems to be at least 60-80 mm from the injector tip for two non-air assisted injectors.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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