This paper investigates the effects of acoustic forcing on NOx emissions and mixing process in the near field region of turbulent hydrogen nonpremixed flames. The resonance frequency was selected to force the coaxial air jet acoustically, because the resonance frequency is effective to amplify the forcing amplitude and reduce NOx emissions. When the resonance frequency is acoustically excited, a streamwise vortex is formed in the mixing layer between the coaxial air jet and coflowing air. As the vortex develops downstream, it entrains both ambient air and combustion products into the coaxial air jet to mix well. In addition, the strong vortex pulls the flame surface toward the coaxial air jet, causing intense chemical reaction. Acoustic excitation also causes velocity fluctuations of coaxial air jet as well as fuel jet but, the maximum value of centerline fuel velocity fluctuation occurs at the different phases of $\Phi$=$180^{\circ}$ for nonreacting case and $\Phi$=$0^{\circ}$ for reacting case. Since acoustic excitation enhances the mixing rate of fuel and air, the line of the stoichiometric mixture fraction becomes narrow. Finally, acoustic forcing at the resonance frequency reduces the normalized flame length by 15 % and EINOx by 25 %, compared to the flame without acoustic excitation.
Numerical study is conducted to grasp flame characteristics in $H_2/CO$ syngas counterflow diffusion flames diluted with He and Ar. An effective fuel Lewis number, applicable to premixed burning regime and even to moderately-stretched diffusion flames, is suggested through the comparison among fuel Lewis number, effective Lewis number, and effective fuel Lewis number. Flame characteristics with and without the suppression of the diffusivities of H, $H_2$, and He are compared in order to clarify the important role of preferential diffusion effects through them. It is found that the scarcity of H and He in reaction zone increases flame temperature whereas that of $H_2$ deteriorates flame temperature. Impact of preferential diffusion of H, $H_2$, and He in flame characteristics is also addressed to reaction pathways for the purpose of displaying chemical effects.
A Experimental study on flame extinction behavior was investigated using He curtain flow with counter triple co-flow burner. Buoyancy force was suppressed up to a microgravity level of $10^{-2}-10^{-3}g$ by using He curtain flow. The stability maps were provided with a functional dependency of diluent mole fraction and global strain rate to clarify the differences in flame extinction behavior. The flame extinction curves had C-shapes at various global strain rates. The oscillation and extinction modes were different each other in terms of the global strain rate, and the flames extinction modes could be classified into five modes such as (I) and (II): an extinction through the shrinkage of the outmost edge flame forward the flame center after self-excitation and without self-excitation, respectively, (III): an extinction through rapid advancement of a flame hole while the outmost edge flame is stationary, (IV): self-excitation occurs in the outermost edge flame and the center edge flame and then a donut shaped flame is formed and/or the flame is entirely extinguished, (V): shrinkage of the outermost edge flame without self-excitation followed by shrinkage or survival of the center flame. These oscillation and extinction modes could be identified well to the behavior of edge flame. The result also showed that the edge flame was influenced significantly by the conductive heat losses to the flame center or ambient He curtain flow.
It has been reported that partially premixed interacting flame could be sustained till sonic exit velocities if eight small nozzles are arranged optimally and one nozzle on the center is fed small amount of fuel. But the equivalence ratios in this experiments were 20-60. In this research, experiments were conducted to know the effects of lean-rich staging in multiple jet flames on the blowout velocity. The fuel mole tractions in the fuel-air mixture, the nozzle exit velocity and the diameter between adjacent nozzles were alternatively changed. When the lower mole fraction fuel was fed to the nozzles located near the center and small amount of fuel to the center nozzle, flame was not extinguished even at the nozzle exit velocity of 200m/s. Also the interacting flame could be sustained till that velocity when four small size nozzles for lean mixture were located within the arrangement of four nozzles for rich mixture and configured optimally.
An experimental study was conducted for three different fuels($CH_4$, $C_2H_4$ and $C_3H_8$) to investigate the combustion characteristics and the local reaction intensity with combustor pressure(-30kpa~30kpa). Regardless of fuel composition, EINOx decreased with reducing pressure decreased. Structure and combustion characteristics were also largely affected by the combustor pressure. In addition, reaction intensity in terms of the changing combustor pressure and equivalence ratio was investigated. Combustion reaction in higher than atmospheric pressure was very active than the lower combustor pressure. When the combustor pressure is lower than the atmospheric pressure, the overall reactivity is noticeably enhanced due to the elevated diffusion process of unburned mixture. It was found that the combustion characteristics of the methane and propane flames are considerably influenced by the pressure while those of ethylene flame are less sensitive to the combustor pressure.
The influence of oxygen concentration and CO$_{2}$ as diluent in oxidizer side on soot characteristics was studied by Laser Induced Incandescence, Time Resolved LII and Transmission Electron Microscopy photography in non-premixed co flowing flames. Through the comparison of TEM photographs and the decay rate of LII signal, suitable two delay times of TIRE-LII method and signal sensitivity ($\Delta$S$_{TIRE-LII/) were determined. The effects of O$_{2}$ and CO$_{2}$ as diluent in oxidizer side on soot formation are investigated with these calibrated techniques. The O$_{2}$+CO$_{2}$, N$_{2}$, and [Ar+CO$_{2}$] mixture in co-flow were used to isolate CO2 effects systematically. The number concentration of primary particle and soot volume fraction abruptly decrease by the addition of CO$_{2}$ to the co-flow. This suppression is resulted from the short residence time in inception region because of the late nucleation and the decrease of surface growth distance by the low flame temperature due to the higher thermal capacity and the chemical change of CO$_{2}$ including thermal dissociation. As the oxygen concentration increases, the number concentration of soot particles at the inception region increases and thus this increase of nucleation enhances the growth of soot particle.
The effects of swirl intensity on non-reacting and reacting flow characteristics in a flat flame burner (FFB) with four types of swirlers were investigated. Experiments using the PIV method were conducted for several flow conditions with four swirl numbers of 0, 0.26, 0.6 and 1.24 in non-reacting flow. The results show that the strong swirling flow causes a recirculation, which has the toroidal structures, and spreads above the burner exit plane. Reacting flow characteristics such as temperature and the NO concentrations were also investigated in comparison with non-reacting flow characteristics. The mean flame temperature was measured as the function of radial distance, and the results show that the strong swirl intensity causes the mean temperature distributions to be uniform. However the mean temperature distributions at the swirl number of 0 show the typical distribution of long flames. NO concentration measurements show that the central toroidal recirculation zone caused by the strong swirl intensity results in much greater reduction in NO emissions, compared to the non-swirl condition. For classification into the flame structure interiorly, the turbulence Reynolds number and the Damkohler number have been examined at each condition. The interrelation between reacting and non-reacting flows shows that flame structures with swirl intensity belong to a wrinkled laminar-flame regime.
초임계조건의 기체수소/액체산소 화염의 난류유동 및 온도장에 대해 난류모델을 이용한 해석이 수행되었다. 실제유체의 연소유동을 해석하기 위하여 화염편모델에 SRK 상태방정식이 도입되었다. 수정된 압력-속도-밀도 연계알고리듬이 초임계유동에 적용되었다. 수정된 알고리듬을 토대로 6개의 대류항 차분법과 4개의 난류모델의 상대적인 성능비교가 이루어졌다. 선택된 난류모델들은 실제유체 연소유동의 다양한 특징을 고려하기 위해서 수정이 필요함을 나타내었다.
Syngas laminar burning velocity measurements were carried out at atmospheric pressure and ambient temperature using the Bunsen flame configuration with nozzle burner as a fundamental study on flame stability of syngas fuel. Representative syngas mixture compositions ($H_2$:CO) such as 25:75%, 50:50% and 75:25% and equivalence ratios from 0.5 to 1.4 have been conducted. Average laminar burning velocities have been determined by the stabilized nozzle burner flames using the angle method, radical surface area method and compared with the data obtained from the other literatures. And the results of each experimental methodologies in the various composition ratios and equivalence ratios were coincided with the result of numerical simulation. Especially, it was confirmed that there was necessary to choice a more accurate measurement methodology even the same static flame method for the various composition ratios of syngas fuel including hydrogen. Also, it was reconfirmed that the laminar burning velocities gradually increased with the increasing of hydrogen content in a fuel mixture.
Experimental and numerical data were compared through a counterflow burner for the characteristic of basic flame about SNG- C11. In order to use the numerical mechanism accurately, the validation was carried out at strain rate ($a_g=30$, $120s^{-1}$) and the UCSD model showed satisfactory results. The effective Lewis number of the extinction boundary, and the behavior of extinction for the symmetric flames of the SNG-C11, could be explained through the trend of $Le_V$, and the flame of the extinction condition was inspected by the major species, key radicals and the chemical reaction paths. The interactions phenomenon in the merged flames has chemical reaction path for producing $HO_2$ were generated at stagnation point. It can be expected the one of major factors in interaction phenomenon.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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