The measurement of heat release rate is of great importance in the study of thermo-acoustic instability occurring in lean premixed combustion and the chemiluminescence emission has been used as an indicator of heat release in combustion instability studies primarily for its relative simplicity. This paper presents results of experimental study of flame chemiluminescence from an atmospheric, swirl-stabilized, turbulent lean premixed flame with a main emphasis on the effect of $CO_2^*$ background level in the $CH^*$ and $OH^*$ band. The test results show that the effect of $CO_2^*$ level in the $CH^*$ band is greater than that in the $OH^*$ band. Also, the background to peak ratio for both $CH^*$ and $OH^*$ bands can be expressed as a function of equivalence ratio, almost regardless of a change in the inlet velocity.
The laboratory experiments have been conducted to investigate the effects of air preheated temperature on the emission characteristics by a model gas turbine burner with a hybrid/dual swirl jet flames configuration. The concentration of NOx and CO emissions, and flue gas temperature at combustor exit were measured with varying the equivalence ratio for different air preheated temperatures of 300, 400, 500K at atmospheric pressure. It was overall shown that the NOx and CO emissions, and flue gas temperature were decreased according to the decreasing of equivalence ratio due to the effects of lean premixed combustion regardless of the air preheated temperature. Experimental results of a lean premixed flames configuration indicated that the NOx emission was increased with higher inlet air temperature and air flow rate, which is attributed to the increasing of flue gas temperature and heat release related to the thermal NOx mechanism. But the CO emission was shown the opposite tendency, that is, the CO emission was decreased with increasing of inlet air temperature and flow rate.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2009.11a
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pp.242-245
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2009
The effect of fuel composition on flame length was studied in a non-premixed turbulent diluted hydrogen jet with coaxial air. The observed flame length was expressed as a function of the ratio of coaxial air to fuel jet velocity and compared with a theoretical prediction based on the velocity ratio. Four cases of fuel mixed by volume were determined. In the present study, we derived a scaling correlation for predicting the flame length in a simple jet with coaxial air using the effective jet diameter in the near-field concept. The experimental results showed that visible flame length had a good relation with the theoretical prediction. The scaling analysis is also valid for diluted hydrogen jet flames with varied fuel composition.
The effect of reentrant type bowl geometry on combustion characteristics was investigated in a D.I. diesel engine. The main factor was the aspect ratio (Bowl Diameter / Bowl Depth) of bowl of combustion chamber, and the cylinder pressure, engine performance and emissions of the engine using the 4 kinds of the combustion chamber were meadured. Also, the combustion characteristics compared of the experimented and the calculated values which is used by the Hiroyasu's combustion model. The results are as follows; The effect of $d_c/H$ on ignition delay period are small. The smoke is corerelated to the heat release of the premixed and the diffusion combustion, i.g, the smoke decreased by decreasing the premixed combustion or increasing the diffusion combustion on cumulative heat release. The premixed combustion process has more effect than the diffusion combustion on smoke. The formal tendency of $d_c/H$ on engine performance has not appear.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.20
no.10
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pp.3243-3250
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1996
Emission characteristics of nitric oxides and carbon monoxide from a porous media combustor has been experiment studied. The relationship between the change of flame shape and emission has also been examined. As the equivalence ratio decreases, the flame shape on the ceramic matrix plate changes from a diffusion flame, R(radiant)-type flame, to B(Blue)-type flame. With large fuel flow rate, R-type flame turns to be two dimensional R-II type flame around the equivalence of 0.7. Carbon monoxide emission increases very rapid with decreasing equivalence ratio. It changes a lot from some 10 ppm to 100-10,000 ppm with the change of flame type from R-I to R-II type. Nitric oxide emission from the premixed burner is less than 25 ppm over all range of fuel flow rate, which is less than 20% of NOx emission from conventional gas burners.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.26
no.4
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pp.561-569
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2002
This paper presents an investigation on $C_2$, CH, OH radicals and NOx emissions in partially premixed flames with acoustic excitation. The radicals are visualized by the digital image technique with optical filters and ICCD camera while NOx emissions are determined by a chemiluminescent detection(NOx analyser). The measurements are made in flames with an overall equivalence ratio (${\phi}_o$) 0.5 and a center tube equivalence ratio(${\phi}_c$) varing from 1.1 to 5.0 for a constant fuel flow rate. In the case of excitation, the visual shape of the flame is changed from laminar to turbulent-like flames. Images of $C_2$, CH, and OH radicals resemble those of the flame appearances as the excitation phase is varied, and the radicals generated at the upstream are convected toward the downstream. It is inferred that the flame characteristics is affected by the flow characteristics of air-fuel mixture. In the case of acoustic excitation, OH radicals are much increased relative to unexcitation. From the radicals and flame visualization under acoustic excitation, the reduction of flame length affects the shorter residence time of center tube mixture, and significantly influences the NOx reduction.
As world attention has focused on global warming and air pollution, high efficiency diesel engines with low $CO_2$ emissions have become more attractive. Premixed diesel engines in particular have the potential to achieve the more homogeneous mixture in the cylinder which results in lower NOx and soot emission. Early studies have shown that the operation conditions such as the EGR, intake conditions, injection conditions and compression ratio are important to reduce emissions in a PCCI (Premixed Charge Compression Ignition) engine. In this study a modified cam was employed to reduce the effective compression ratio. While opening timing of the intake valve was fixed, closing timing of the intake valve was retarded $30^{\circ}$. Although Atkinson cycle with the retarded cam leads to a low in-cylinder pressure in the compression stroke, the engine work can still be increased by advanced injection timing. On that account, we investigated the effects of various injection parameters to reduce emission and fuel consumption; as a result, lower NOx emission levels and almost same levels of fuel consumption and PM compared with those of conventional diesel engine cam timing could be achieved with the LIVC system.
The impacts of equivalence ratio on flow structure and flame dynamic in a model gas turbine combustor are investigated using large eddy simulation(LES). Dynamic k-equation model and G-equation flamelet model are employed as LES subgrid model for flow and combustion, respectively. As a result of mean flow field for each equivalence ratio, the increase of equivalence ratio brings about the decrease of swirl intensity through the modification of thermal effect and viscosity, although the same swirl intensity is imposed at inlet. The changes of vortical structure and turbulent intensity etc. near flame surface are occurred consequently. That is, the decrease of equivalence ratio can leads to the increase of heat release fluctuation by the more increased turbulent intensity and fluctuation of recirculation flow. In addition, the effect of inner vortex generated from vortex breakdown on the heat release fluctuation is increased gradually with the decrease of equivalence ratio. Finally, it can be identified that the variations of vortical structure play an important role in combustion instability, even though the small change of equivalence ratio is occurred.
The combustion instability acts as a serious obstacle for the lean premixed combustion of gas turbine and even causes the fatal damage to the combustor and whole system. In this experiment, the pressure fluctuation is highly related to the stabilizing position of flame and fuel injection location. The fuel injection location is connected with the convection time of the fresh mixture, which is important time scale to refresh the mixtures near the flame stabilization location. The flame is extremely unstable when the alternative stabilization occurs and bulk mode frequency (${\sim}10Hz$) of pressure fluctuation is observed in this condition. It was found that the convection time scale of the fresh reactant coincided with the time scale of the bulk mode fluctuation. Hence this phenomenon results from the local equivalence ratio change caused by the pressure fluctuation induced by thermo-acoustic effects.
Numerical simulations are conducted at atmospheric pressure in order to understand the effect of the oxygen enrichment level on structure of $CH_4/O_2/N_2$ premixed flames. Under several equivalence ratios the flame speeds are calculated and compared with those obtained from the experiments, the results of which are in good agreement. The effects of the oxygen enrichment are investigated on flames under fuel-rich conditions. As the oxygen enrichment level is increased from 0.21 to 1, the flame speed and the temperature are increased. The emission index of $CO_2$ is decreased in cases of flames for fuel rich mixtures, so the efficiency of combustion may be decreased. The maximum emission index of NO is obtained for 0.6 of the oxygen enrichment level.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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