The objective of this paper is to characterize dynamic pressure traces measured at self-excited combustion instabilities occurring in two combustion systems of different hardware. One system is a model lean premixed gas turbine combustor and the other a fullscale bipropellant liquid rocket thrust chamber. It is commonly observed in both systems that low frequency waves at around 300㎐ are first excited at the onset of combustion instabilities and after a short duration, the instability mode becomes coupled to the resonant acoustic modes of the combustion chamber, the first longitudinal mode for the lean premixed combustor and the first tangential mode for the rocket thrust chamber. Low frequency waves seem to get excited at first since flame shows the higher heat release response on the lower frequency perturbations with the smaller phase differences between heat release and pressure fluctuations. Nonlinear time series analysis of pressure traces reveals that even stable combustion might have chaotic behavior with the positive maximum Lyapunov exponent. Also, pressure fluctuations under combustion instabilities reach a limit cycle or quasi-periodic oscillations at the very similar run conditions, which manifest that a self-excited high frequency instability has strong nonlinear characteristics.
Combustion instabilities are an important concern associated with lean premixed combustion. Laboratory-scale dump combustor was used to understand the underlying mechanisms causing combustion instabilities. Experiments were conducted at atmospheric pressure and sound level meter was used to track the pressure fluctuations inside the combustor. Instability maps and phase-resolved OH chemiluminescence images were obtained at several conditions to investigate the mechanism of combustion instability and relations between pressure wave and heat release rate. It showed that combustion instability was susceptible to occur at higher value of equivalence ratio (>0.6) as the mean velocity was decreased. Instabilities exhibited a longitudinal mode with a dominant frequency of ∼341.8 Hz, which corresponded to a quarter wave mode of combustor. Heat release and pressure waves were in-phase when instabilities occurred. Rayleigh index distribution gave a hint about the location where the strong coherence of pressure and heat release existed. These results also give an insight to the control scheme of combustion instabilities. Emission test revealed that NOx emissions were affected by not only equivalence ratio but also combustion instability.
본 연구에서는 하이브리드 로켓에서 발생되는 대표적인 불안정성 모드에 대한 연구를 수행하였다. 연소 불안정을 유도하기 위하여 연료 전방 및 후방에 다이아프램(diaphragm)을 설치하여 연소 실험을 수행 하였다. 길이방향 음향 모드(Longitudinal Acoustic Mode)와 헬름홀츠 모드(Helmholtz Mode)의 이론 모델을 사용한 주파수 계산 결과와 FFT 분석을 이용해 얻은 실험 주파수 비교를 통해 해당 모드를 찾을 수 있었고, 이론 주파수와 실험 주파수가 유사함을 확인하였다.
The local instabilities of accretion disks were extensively studied, with the considerations of radial advection, thermal diffusion and different disk geometry, dominated pressure and optical depth. Two inertial-acoustic modes in a geometrically thin, radiative cooling dominated disk depart from each other if very little advection is included. A geometrically slim, advection-dominated disk is found to be always stable if it is optically thin. However, if it is optically thick, the thermal diffusion has no effect on the stable viscous mode but has a significant contribution to enhance the thermal instability.
A controller to mitigate the destabilizing effect of constant power load (CPL) is proposed for a DC/DC buck-boost converter. The load profile has been considered to be predominantly of CPL type. The negative incremental resistance of the CPL tends to destabilize the feeder system, which may be an input filter or another DC/DC converter. The proposed sliding mode controller aims to ensure system stability under the dominance of CPL. The effectiveness of the controller has been validated through real-time simulation studies and experiments under various operating conditions. The controller has been demonstrated to be robust with respect to variations in supply voltage and load and capable of mitigating instabilities induced by CPL. Furthermore, the controller has been validated using all possible load profiles, which may arise in modern-day DC-distributed power systems.
모형 연소기에서 동축형 분사기에 의한 연소불안정성을 운동량비 변화에 따라 수치적으로 분석하였다. 실제 로켓 엔진의 경계조건을 기반으로 총 5개의 운동량비를 선택하였다. 운동량비가 증가할수록 분사기 출구에서의 확산각도는 감소하는 경향을 보였으며, 축방향 운동량이 증가할수록 연소기 내부의 압력진폭이 크게 감소함을 확인하였다. 동적 모드 분해 기법(dynamic mode decomposition)을 통해 연소기내의 음향 모드를 파악하였고 관심 섭동 주파수를 갖는 2L 모드(mode)의 감쇠계수를 구하고 이를 통해 운동량비가 증가할수록 연소기의 안정성이 증가함을 보였다.
Most of gas turbines is operated by the type of dry premixed combustion to reduce NOx emission and economize fuel consumption. However this type operation, combustion induced instability brought failure problems cause by high pressure and heat release fluctuations. Though there has been lots of studies since Lord Rayleigh to understand this instability mechanism and control the instabilities, none of them made matters clear. In order to understand the instability phenomena, a simple experimental study with dump combustor was conducted at the moderate pressure and ambient temperature conditions. From this model gas turbine combustor self-excited instabilities at the resonance mode(200Hz) and bulk mode(10Hz) were occurred and observed at the three points of view; pressure, heat release and equivalence ratio which are acquired by peizo-electric transducer, HICCD camera and acetone LIF respectively. From this results we could see the instability mechanism clear with the account of time scale analysis which explained by the propagation of pressure wave to the upward of mixture stream and convectional transfer of the equivalence ratio fluctuation by this pressure fluctuation.
The relation of the inlet fuel distribution, velocity, and overall equivalence ratio to the stability of a lean burning no-swirl dump combustor was examined. Premixed or partially premixed natural gas was introduced into the air stream, which flowed to the dump region through an annular inlet pipe. Inlet air was preheated upto 400 deg.C. Combustion instability was observed to occur at higher value of equivalence ratio (> 0.6) as the degree of unpremixedness was increased. Instabilities exhibited a dominant frequency of ~ 500 Hz, which corresponded to a half wave mode of combustor. CH chemiluminescence and pressure fluctuations were in-phase when combustion instabilities occurred. Acetone LIF images revealed that there was a strong fuel concentration gradient across the inlet annulus. Phase resolved OH LIF images showed that inlet fuel distribution was affected by the combustion instabilities.
This work concerns the investigation of a Q1D methodology employed to study pressure oscillations in solid rocket motors driven by hydrodynamic instabilities. A laboratory-scale solid motor designed to develop vortex-shedding phenomena is analyzed for the whole firing time. The comparison between numerical results and experimental data shows good agreement regarding pressure oscillations signature, especially in the flute-mode behavior, the typical oscillations frequency trend present in any motor liable to hydrodynamic instabilities. Such result ensures the model capability to cope with this particular kind of pressure oscillations source, allowing the investigation of the phenomenon with a lighter and cost savings methodology than CFD simulations.
한국결정성장학회 1996년도 The 9th KACG Technical Annual Meeting and the 3rd Korea-Japan EMGS (Electronic Materials Growth Symposium)
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pp.179-200
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1996
The intrinsic instabilities of fluid flow occurred in the melt of the Czochralski crystal growth system Czochralski method, asymmetric flow patterns and temperature profiles in the melt have been studied by many researchers. The idea that the non-symmetric structure of the growing equipment is responsible for the asymmetric profiles is usually accepted at the first time. However further researches revealed that some intrinsic instabilities not related to the non-symmetric equipment structure in the melt could also appear. Ristorcelli had pointed out that there are many possible causes of instabilities in the melt. The instabilities appears because of the coupling effects of fluid flow and temperature profiles in the melt. Among the instabilities, the B nard type instabilities with no or low crucible rotation rates are analyzed by the visualizing experiments using X-ray radiography and the 3-D numerical simulation in this study. The velocity profiles in the Silicon melt at different crucible rotation rates were measured using X-ray radiography method using tungsten tracers in the melt. The results showed that there exits two types of fluid flow mode. One is axisymmetric flow, the other is asymmetric flow. In the axisymmetric flow, the trajectory of the tracers show torus pattern. However, more exact measurement of the axisymmetrc case shows that this flow field has small non-axisymmetric components of the velocity. When fluid flow is asymmetric, the tracers show random motion from the fixed view point. On the other hand, when the observer rotates to the same velocity of the crucible, the trajectory of the tracer show a rotating motion, the center of the motion is not same the center of the melt. The temperature of a point in the melt were measured using thermocouples with different rotating rates. Measured temperatures oscillated. Such kind of oscillations are also measured by the other researchers. The behavior of temperature oscillations were quite different between at low rotations and at high rotations. Above experimental results means that the fluid flow and temperature profiles in the melt is not symmetric, and then the mode of the asymmetric is changed when rotation rates are changed. To compare with these experimental results, the fluid flow and temperature profiles at no rotation and 8 rpm of crucible rotation rates on the same size of crucible is calculated using a 3-dimensional numerical simulation. A finite different method is adopted for this simulation. 50×30×30 grids are used. The numerical simulation also showed that the velocity and flow profiles are changed when rotation rates change. Futhermore, the flow patterns and temperature profiles of both cases are not axisymmetric even though axisymmetric boundary conditions are used. Several cells appear at no rotation. The cells are formed by the unstable vertical temperature profiles (upper region is colder than lower part) beneath the free surface of the melt. When the temperature profile is combined with density difference (Rayleigh-B nard instability) or surface tension difference (Marangoni-B nard instability) on temperature, cell structures are naturally formed. Both sources of instabilities are coupled to the cell structures in the melt of the Czochralski process. With high rotation rates, the shape of the fluid field is changed to another type of asymmetric profile. Because of the velocity profile, isothermal lines on the plane vertical to the centerline change to elliptic. When the velocity profiles are plotted at the rotating view point, two vortices appear at the both sides of centerline. These vortices seem to be the main reason of the tracer behavior shown in the asymmetric velocity experiment. This profile is quite similar to the profiles created by the baroclinic instability on the rotating annulus. The temperature profiles obtained from the numerical calculations and Fourier transforms of it are quite similar to the results of the experiment. bove esults intend that at least two types of intrinsic instabilities can occur in the melt of Czochralski growing systems. Because the instabilities cause temperature fluctuations in the melt and near the crystal-melt interface, some defects may be generated by them. When the crucible size becomes large, the intensity of the instabilities should increase. Therefore, to produce large single crystals with good quality, the behavior of the intrinsic instabilities in the melt as well as the effects of the instabilities on the defects in the ingot should be studied. As one of the cause of the defects in the large diameter Silicon single crystal grown by the
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[게시일 2004년 10월 1일]
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