Adding small amounts of air to the fuel is used in many commercial combustors to avoid sooty flame. But partially premixed jet flame has lower blowout velocity, $u_{b.o}$, than nonpremixed one. Increasing blowout limit would be one of the key factors to develope highly intense compact combustion devices. Swirling flow enhances fuel and air mixing and induces a highly turbulent recirculation zone, which helps flame stabilization. It was known that NOx emission decreases with swirl on the proper range of swirl number. And it was shown that the flame interaction in multiple jets also increases $u_{b.o}$ owing to the internal recirculation and reduces NO emission. If the effects of swirl and flame interaction are combined together in partially premixed flame, both $u_{b.o}$ increasement and NOx emission reduction could be achieved. Blowout limits of partially premixed interacting propane flame in the swirling air coflow are investigated experimentally. The results show that the flame is not extinguished up to the experimental limits, 210 m/s, at the swirl number of 0.32 and $X_{F,o}$ = 0.46.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.26
no.2
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pp.328-335
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2002
In this study, experiments were performed to investigate the characteristics of flame stabilization of the LFG mixing gas. LFG has merely half heating value compared with liquified natural gas but can be greatly utilized as a commercial fuel. In order to use LFG in practical combustors, Webbe Index and heating value of LFG mixing gas were adjusted by mixing LPG with LFG. The comparisons were conducted between CH$_4$and LFG mixing gas for searching the region of flame stabilization based upon the flame blowout at maximum fuel stream velocity. As a result, the flame stability of LFG mixing gas was not improved with that of CH$_4$in non-swirl and weak swirl diffusion flame. However, LFG mixing gas had wide flame stabilization region rather than CH$_4$with increasing ambient flow rate in strong swirl. It was also found that flame stability was affected by included quantity of inert gas such as CO$_2$in the weak swirl but by heating value of fuel in strong swirl.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.1
no.2
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pp.107-115
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1989
The swirl flame was investigated experimentally by measuring the temperature distribution, and the combustion gas concentrations. The flame structure of the swirl flame was influenced not by the swirl vane angle but by the swirler position. Due to the momentum loss as the swirler position was moved downward under the nozzle exit, the flame length was increased. Meanwhile the temperature and $CO_2$-concentrations were decreased.
Jo, Jun-Ik;Park, Tae-Joon;Hwang, Cheol-Hong;Lee, Kee-Man
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.18
no.4
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pp.33-42
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2014
Flame behaviors and interaction between pilot and main flames in a dual swirl combustor were investigated experimentally and numerically. Under the condition of fixed swirl angle of $45^{\circ}$ for main flame, the swirl angle of pilot flame, total heat release rate and equivalence ratio of main flame were used as major parameters. As a result, detailed flame stability diagram of dual swirl combustor was identified in terms of 5 flame modes with the changes in total heat release rate and equivalence ratio of main flame. It was found that the swirl angle of pilot flame plays the most important role in the changes in flame location and overall flow structure inside the combustor, and thus leads to the significant change in the interaction between pilot and main flame.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.10
no.4
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pp.23-32
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2002
Combustion and flame propagation characteristics of the liquid phase LPG injection (LPLI) engine were investigated in a single cylinder optical engine. Lean bum operation is needed to reduce thermal stress of exhaust manifold and engine knock in a heavy duty LPG engine. An LPLI system has advantages on lean operation. Optimized engine design parameters such as swirl, injection timing and piston geometry can improve lean bum performance with LPLI system. In this study, the effects of piston geometry along with injection timing and swirl ratio on flame propagation characteristics were investigated. A series of bottom-view flame images were taken from direct visualization using an W intensified high-speed CCD camera. Concepts of flame area speed, In addition to flame propagation patterns and thermodynamic heat release analysis, was introduced to analyze the flame propagation characteristics. The results show the correlation between the flame propagation characteristics, which is related to engine performance of lean region, and engine design parameters such as swirl ratio, piston geometry and injection timing. Stronger swirl resulted in foster flame propagation under open valve injection. The flame speed was significantly affected by injection timing under open valve injection conditions; supposedly due to the charge stratification. Piston geometry affected flame propagation through squish effects.
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.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.7
no.4
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pp.410-416
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1983
This study presents the combustion characteristics and flame structure of annular swirling flow when there were changes the equivalence ratio and swirl number of swirling jet of fuelair mixture. The conclusions of this study are as follows; During the investigations in which the change of equivalence ratio and swirl number were studied, three basic shapes of flame were observed in this study. Visible flame lengths of swirling jet results in the decrease with increasing of swirl number and air-fuel ratio of mixture. Radial distribution of flame temperature with strong swirl is higher than that of weak swirl at the same equivalence ratio of mixture. The angle of spread of the annular jet increases with the increase of swirl number. When the swirl intensity is increased in a jet, the decay of concentration of carbon dioxide is decreased with the distance from nozzle exit of burner.
The effect of swirl flow structures on combustion dynamics of two interacting, lean-premixed flames was experimentally investigated, with a particular emphasis on swirl numbers and swirl rotational directions. Our results show that the amplitude of limit cycle oscillations is very sensitive to the combination of swirl numbers and rotational directions, while the instability frequency remains nearly unchanged. The counter-rotating cases show significantly lower pressure perturbations, and this behavior appears to be related to the formation of compact interacting zone with higher heat release rate, indicating the presence of increased flame surface wrinkling caused by intense turbulence.
Kim, Sun-Ho;Oh, Chang-Bo;Lee, Chang-Eon;Lee, In-Dae
한국연소학회:학술대회논문집
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1999.10a
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pp.165-172
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1999
Landfill gas has merely half heating value compared with liquified natural gas but can be greatly utilized as a commercial fuel. The authors have examined emission characteristics as well as measured burning velocity of LFG mixed gas which contains plenty of $CO_{2}$. With the viewpoint of fuel utilization, flame stability could be one of important characteristics of LFG. In this study, the comparison experiments are conducted between $CH_{4}$ and LFG for searching the region of flame stabilization based upon the flame blowout at maximum fuel stream velocity. As a result, it is found that stabilization region of LFG is not improved with that of $CH_{4}$ in non-swirl/or weak swirl jet diffusion flame. However, it is also known that flame stability is hardly affected by inert gas in the strong swirl with considering widened flame stabilization region of LFG rather than LNG.
The effects of hydrogen enrichment to methane on NOx formation have been investigated with swirl stabilized pre-mixed hydrogen enriched methane flame in a laboratory-scale pre-mixed combustor(nominally of 5,000 kcal/hr). The hydrogen enriched methane fuel and air were mixed in a pre-mixer and introduced to the combustor through different degrees of swirl vanes. The flame stability was examined for different amount of hydrogen addition to the methane fuel, different combustion air flow rates and swirl strengths by comparing equivalence ratio at the lean flame limit. The hydrogen addition effects and swirl intensity on the combustion characteristics of pre-mixed methane flames were examined using gas analyzers, and OH chemiluminescence techniques to provide information about species concentration of emission gases and flowfield. The results of NOx and CO emissions were compared with a diffusion flame type combustor. The results show that the lean stability limit depends on the amount of hydrogen addition and the swirl intensity. The lean stability limit is extended by hydrogen addition, and is reduced for higher swirl intensity at lower equivalence ratio. The addition of hydrogen increases the NOx emission, however, this effect can be reduced by increasing either the excess air or swirl intensity. The NOx emission of hydrogen enriched methane premixed flame was lower than the corresponding diffusion flame under the fuel lean condition.
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