The detachment stability characteristics of syngas $H_2$/CO jet attached flames were studied. The flame stability was observed while varying the syngas fuel composition, coaxial nozzle diameter and fuel nozzle rim thickness. The detachment stability limit of the syngas single jet flame was found to decrease with increasing mole fraction of carbon monoxide in the fuel. In hydrogen jet flames with coaxial air, the flame detachment stability was found to be independent of the coaxial nozzle diameter. However, velocities of appearance of liftoff and blowout velocities of lifted flames have dependence. At lower fuel velocity range, the critical coaxial air velocity leading to flame detachment increases with increasing fuel jet velocity, whereas at higher fuel velocity range, it decreases. This increasing-decreasing non-monotonic trend appears for all $H_2$/CO syngas compositions (50/50~100/0% $H_2$/CO). To qualitatively understand the flame behavior near the nozzle rim, $OH^*$ chemiluminescence imaging was performed near the detachment limit conditions. For all fuel compositions, local extinction on the rim is observed at lower fuel velocities(increasing stability region), while local flame extinction downstream of the rim is observed at higher fuel velocities(decreasing stability region). Maximum values of the non-monotonic trends appear to be identical when the fuel jet velocity is normalized by the critical fuel velocity obtained in the single jet cases.
The effects of nozzle arrangements, nozzle distances and fuel flowrates on the flame stabilities such as flame length, liftoff height and blowout characteristics are investigated experimentally. Three nozzle arrangements - diamond 4 nozzle, linear 5 nozzle, cross 5 nozzle- are used. Flame interactions result in the increase of the blowout flowrates and constant turbulent liftoff heights. The flames separated about 10 nozzle diameters are sustained as nozzle attached flames to the higher fuel flowrates than the other separation cases. Normally flames are extinguished at the lifted states. Blowout flowrates are affected by the nozzle configuration, nozzle seperation distance. Blowout flowrates for the diamond- or cross- shaped nozzle arrangements are parabolic function of nozzle distances. Maximum blowout flowrates for the 5 nozzle configuration case except linear one is about 2.9 times that of single equivalent nozzle case. Turbulent liftoff heights are not function of flowrates for the interacting flames.
Flame characteristics in a double concentric burner has been studied experimentally. Air is supplied through a central nozzle, methane/air premixture is supplied in a inner annular part, and coflowing shield air is supplied to minimize outside disturbances. Depending on flow rate and concentration, various flame shapes can be observed. As the flow rate difference between central air jet and annular premixed jet is varied, several distinctive flames are observed. Conditions of partially premixed flames are further investigated; nozzle attached rich premixed flame, inner lifted flame, and outer lifted flame. Using the Abel transformation of digitized images of flames, cross- sectional images of flames can be obtained, from which overall structure of flames can be identified. PLIF measurement of OR radical was also conducted. OR radicals were mainly distributed in diffusion flame region. From the difference of OR distribution between nozzle attached and lifted flames, similarity of OR distribution between tribrachial flame and lifted flames in this study are observed.
Characteristics of the lifted flame which is generated by issuing of the fuel through the miniature nozzle, d = 0.164 mm, are studied using the planar laser induced fluorescence technique. OH radical is excited on the $Q_{1}$(8) line of the $A^{2}$.SIGMA.$^{+.leq.X2}$ .PI.(1, 0) band transition (283.55 nm) and LIF signals are captured at the bands of (0, 0) and (1, 1) transition (306 ~ 326 nm) using the filters and ICCD camera. Hydroxyl radical (OH) profile for nozzle attached flame shows that OH radical populations at the flame sides and flame tip are larger than those at the base. But for the lifted flame (tribrachial flame) case, those are larger at the flame base than at the flame tip and flame sides. The OH radical is more dense near the center line of flame base at the blowing out. This fact proves the Chung and Lee's blowout theory-blowout occurs when the flame is anchored at the flame axis. axis.
층류영역의 분출유량에서 큰 가진강도 효과를 얻기 위해 연료관 관 공명주파수로 가진된 비예혼합 분류 화염의 일반적인 가진 연소특성을 실험적으로 조사하였다. 화염 안정화 특성에서는 두 가지 형태의 부상 특성이 존재하는 사실을 알았는데, 화염이 부상되는 가진강도 크기에서 한 쪽은 감소, 다른 영역에서는 증가하는 것으로 나타나 각각 서로 다른 부상기구가 존재함을 확인할 수 있었다. 특히 부상되지 않고 노즐에 부착된 분출유량 영역에서의 가진 연소특성을 가진 강도에 따른 화염 길이와 형상, 유동장 응답 특성 그리고 노즐 출구에서의 유속 분포를 중심으로 집중 조사하였다. 특이한 현상으로는 가진 강도 증가에 따라 화염의 신장과 in-burning 현상 그리고 화염 내 거동 와동들의 말림방향이 서로 역전되는 현상 등이 발견되었다. 노즐 출구의 유속분포와 가시화 기법을 통해 이러한 현상들이 노즐관 관벽 안쪽서부터 음의 속도가 발생하기 시작함에 따라 주변 산화제인 공기가 노즐관 안으로 유입되는 현상과 관련되는 것으로 파악되었다.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제33권2호
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pp.259-266
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2009
An experimental study was conducted to investigate the effects of forcing amplitude on the flow structure near the nozzle exit of forced jet diffusion flames. The jet was excited up to the blowout occurrence by a considerable large amplitude with a periodic velocity fluctuation at the tube resonating frequency. In the attached flame regime, we disclosed the very interesting result newly that adding of a moderate forcing amplitude caused the jet flame to become longer in spite of being forced. Particular attention is focused on the turnabout mechanism of vortex roll-up around the elongated flame, which has not been reported previously, and on the inner coherent structure of the forced jet in the attached flame regime. From the velocity and flow visualization results, it was ascertained that the surrounding air due to the occurrence of negative velocity parts was suck into the fuel nozzle. To aid in understanding the rotating phenomenon of coherent structure, we present a schematic diagram of the turnabout mechanism of vortex roll-up. The mechanism of vortex turnabout phenomenon can be easily understood by considering the positive and negative velocity amplitudes about the instantaneous velocity of the forcing flow, as shown in this diagram.
It has been reported that if eight small nozzles are arranged along the circle of 40 $^{\sim}$ 72 times the diameter of single nozzle, the propane non-premixed flames are not extinguished even in 200m/s, In this research, experiments were extended to the methane flame. Nine nozzles were used- eight was evenly located along the perimeter of the imaginary circle and one at the geometric center. The space between nozzles, s, the exit velocity and the role of the jet from the center nozzle were considered. On the contrary to the propane non-premixed case, the maximum blowout velocity for the methane diffusion flame was achieved when small amount of fuel is supplied through the center nozzle and s/d equals around 21. In the laminar region, the flame attached at the center nozzle anchored the outer lifted flames.
Characteristics of the lifted flame which is generated by issuing of the fuel through the miniature nozzle, d=0.164 mm, are studied using the planar laser induced fluorescence technique. OH radical is excited on the $Q_1$(8) line of the $A^2{\Sigma}\ ^+{\leftarrow}\ X^2{\prod}$ (1,0) band transition(283.55 nm) and LIF signals are captured at the bands of (0,0) and (1,1) transition(306-326 nm) using the filters and ICCD camera. Hydroxyl radical(OH) profile for nozzle attached flame shows that OH radical populations at the flame sides and flame tip are larger than those at the base. But for the lifted flame (tribrachial flame) case, those are larger at the flame base than at the flame tip and flame sides. The OH radical is more dense near the center line of flame base at the blowing out. This fact proves the Chung and Lee's blowout theory - blowout occurs when the flame is anchored at the flame axis.
Characteristics of lifted flames for highly diluted propane and methane with nitrogen in coflowing air is experimentally investigated. In case of propane, for various fuel mole fractions and jet velocities, three distinctive types of flames are observed; nozzle attached flames, stationary lifted flames, and oscillating lifted flames. When fuel jet velocity is much smaller than coflow velocity, the base of nozzle attached flame has a tribrachial structure unlike usual coflow difusion flames. Based on the balance mechanism of the propagation speed of tribrachial flame with flow velocity, jet velocity is scaled with stoichiometric laminar burning velocity. Results show that there exists two distinctive lifted flame stabilization; stabilization in the developing region and in the developed region of jets depending on initial fuel mole fraction. It has been found that lifted flame can be stabilized for fuel velocity even smaller than stoichiometric laminar burning velocity. This can be attributed to the buoyancy effect and flow visualization supports it. Lifted flames are also observed for methane diluted with nitrogen. The lifted flames only exist in the developing region of jet.
An experiment was performed to investigate lift-off, blow-off and combustion characteristics of a lifted coaxial diffusion flame according to fuel jet and air velocity. A jet diffusion flame which is attached on the nozzle rim begins to be lifted with increase of air velocity, and finally becomes blow-off at higher air velocity. In experiment, blow-off limit increased with increase of fuel jet velocity, however lift-off occurred at lower air velocity. Flame structure and combustion characteristics were examined by schlieren photos, temperature distributions and emission concentration distributions. Flame temperature became higher at midstream and its RMS became larger at up and downstream with increase of air velocity. Local NO concentration decreased but $CO_2$concentration increased with increase of air velocity, which shows combustion reaction becomes close to be stoichiometric at higher air velocity in spite of lift-off.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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