The effects of radiative heat transfer are investigated in a turbulent combustion flow field with highly non-adiabatic flames. Turbulent combustion is modeled by the $k-{\varepsilon}-g$ model and a one step irreversible reaction scheme for the combustion chemistry. The radiative trasport equation is solved by the finite volume method considering the radiative transfer from $CO_2,\;H_{2}O$ and soot only. Gray gas is assumed to calculate the radiative properties of $CO_2\;and\;H_2O$. A two-equation soot formation model is applied to predict soot volume faction distribution. All equations are solved in a coupled manner and the numerical results are compared with available experimental data.
Numerical simulation is performed for stagnating turbulent flows of impinging and countercurrent jets by the Reynolds stress model(RSM). Results are compared with those of the ${\kappa}-{\varepsilon}$ model and available data to assess the flow characteristics and turbulence modes. Three variants of the RSM tested are those of Gibson and Launder(GL), Craft and Launder(GL-CL) and Speziale, Sarkar and Gatski(SSG). As well known, the ${\kappa}-{\varepsilon}$ model overestimates turbulent kinetic energy near the wall significantly. Although the RSM is superior to the ${\kappa}-{\varepsilon}$ model, it shows considerable difference according to how the redistributive pressure-strain term is modeled. Results of the RSM for countercurrent jets are improved with the modified coefficients for the dissipation rate, $C_{{\varepsilon}1}\;and\;C_{{\varepsilon}2}$ suggested by Champion and Libby. The performance of the three variants of the RSM model for stagnating flows are assessed.
This paper presents results of experimental study of flame chemiluminescence from turbulent premixed flames in a dump combustor. A detailed spectroscopic measurement of chemiluminescence over the wavelength of 405-495 nm is made for various flow conditions. No effect of turbulence on the relationship between chemiluminescence and heat release is found, suggesting the overall chemiluminescence intensity collected be used as a measure of overall heat release for non-oscillating stable flame. The background-$CO_2^*$ subtracted $CH^*$ chemiluminescence is found to be more sensitive to the equivalence ratio and premixedness of fuel-air mixture than $CO_2^*$ chemiluminescence.
Computational fluid dynamics (CFD) modeling of large-scale coal-fired boilers requires a complicated set of flow, heat transfer and combustion process models based on different degrees of simplification. This study investigates the influence of coal devolatilization, char conversion and turbulent gas reaction models in CFD for a tangential-firing boiler at 500MWe capacity. Devolatilization model is found out not significant on the overall results, when the kinetic rates and the composition of volatiles were varied. In contrast, the turbulence mixing rate influenced significantly on the gas reaction rates, temperature, and heat transfer rate on the wall. The influence of char conversion by the unreacted core shrinking model (UCSM) and the 1st-order global rate model was not significant, but the unburned carbon concentration was predicted in details by the UCSM. Overall, the effects of the selected models were found similar with previous study for a wall-firing boiler.
Partial quenching structure of turbulent diffusion flames in a turbulent mixing layer is investigated by the method of flame hole dynamics in order to develop a prediction model for turbulent flame lift off. The essence of flame hole dynamics is derivation of the random walk mapping, from the flame-edge theory, which governs expansion or contraction of flame holes initially created by local quenching events. The numerical simulation for flame hole dynamics is carried out in two stages. First, a direct numerical simulation is performed for constant-density fuel-air channel mixing layer to obtain the turbulent flow and mixing fields, from which a time series of two dimensional scalar dissipation rate array is extracted at a fixed virtual flame surface horizontally extending from the end of split plate to the downstream. Then, the Lagrangian simulation of the flame hole random walk mapping projected to the scalar dissipation rate array yields temporally evolving turbulent extinction process and its statistics on partial quenching characteristics. The statistical results exhibit that the chance of partial quenching is strongly influenced by the crossover scalar dissipation rate while almost unaffected by the iteration number of the mapping that can be regarded as a flame-edge speed.
An Experimental study was conducted on spray combustion using dual swirlers at different outlet angle; co-swirl and counter-swirl. To understand the characteristics of turbulent spray combustion of dual swril flow(DSF), the axial helical annular vaned swirlers with various swirl ratios and combination of angle and direction were designed. and temperature measurements of a rapidly thermocouple insertion and measurements of soot volume fraction and microrstructure using thermophoretic sampling particle diagnostic(TSPD) as TEM were carried out. The NOx, $CO_2$,$O_2$, etc. was analyzed using emission gas analyzer. The results show that flame stability were maintained under very lean condition. for both co-swirl and counter-swirl case. And though Counter-swirl case kept the higher temperature region compared to co-swirl case, Counter-swirl combustion represented less NOx emission and soot formation than co-swirl case.
Propellants pressurized and fed into the combustion chamber undergoes the mechanical, chemical combustion processes. Along with their distinctive physical characteristics, propellant combustion is typically divided into the processes; injection, atomization, mixing, vaporization and chemical reaction. These processes assumed to happen in a serial manner are strongly coupled, thereby involves formidable physical complexities. In this study a numerical experiment is attempted to simulate the burning sprays due to OFO, FOF triplet / FOOF split doublet injectors. Based on Eulerian-Lagrangian frame, Navier-Stokes equation system for compressible flows is preconditioned with low Reynolds number $k-{\varepsilon}$ turbulent model and time-integrated by LU-SGS, and the sprays are described by DSF model with the characteristics initialized by experimentally determined spray characteristics. Simplified single global reaction model approximates heptane-air reaction. It was observed that FOOF split doublet injector shows better atmization with shortest residence and the FOF triplet injector produces better combustion performance.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.10
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pp.2787-2796
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1994
The modeling of combustion process is an important part in an engine simulation program. In this study, calculated results using a conventional B-K model and the other model which is called GESIM were compared with experimentally measured data of a three-cylinder spark-ignition engine under wide range of operating conditions. The burn rates calculated from the combustion models were compared with the burn rate calculated from the one-zone heat release analysis that uses measured pressure data as an input data. As a result of the two models' comparison, the GESIM combustion model conformed to be closer to the data acquired from the experiment in wide operating ranges. The GESIM model has been improved by introducing a variable that considers the flame size, the area of flame conacting the piston surface into the model, based on the comparison between the experimental result and the calculated results. The improved combustion model predicts experimental results more precisely than that of GESIM combustion model.
Predicting coal combustion by computational fluid dynamics (CFD) requires a combination of complicated flow and reaction models for turbulence, radiation, particle flows, heterogeneous combustion, and gaseous reactions. There are various levels of models available for each of the phenomena, but the use of advanced models are significantly restricted in a large-scale boiler due to the computational costs and the balance of accuracy between adopted models. In this study, the influence of coal devolatilization model and turbulent mixing rate was assessed in CFD for a commercial boiler at 500 MWe capacity. For coal devolatilization, two models were compared: i) a simple model assuming single volatile compound based on proximate analysis and ii) advanced model of FLASHCHAIN with multiple volatile species. It was found out that the influence of the model was observed near the flames but the overall gas temperature and heat transfer rate to the boiler were very similar. The devolatilization rate was found not significant since the difference in near-flame temperature became noticeable when it was multiplied by 10 or 0.1. In contrast, the influence of turbulent mixing rate (constant A in the Magnussen model) was found very large. Considering the heat transfer rate and flame temperature, a value of 1.0 was recommended for the rate constant.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.32
no.6
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pp.413-420
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2008
The unsteady heat release characteristics play a significant role in combustion instabilities observed in low emissions gas turbine combustors. Such combustion instabilities are often caused by coupling mechanisms between unsteady heat release rates and acoustic perturbations. A generalized model of the turbulent flame response to acoustic perturbations is analytically formulated by considering a distributed heat release along a curved mean flame front and using the flame's kinematic model that incorporates the turbulent flame development. The effects of the development of flame speed on the flame transfer functions are examined by calculating the transfer functions with a constant or developing flame speed. The flame transfer function due to velocity fluctuation shows that, when a developing flame speed is used, the transfer function magnitude decreases faster with Strouhal number than the results with a constant flame speed at low Strouhal numbers. The flame transfer function due to mixture ratio fluctuation, however, exhibits the opposite results: the transfer function magnitude with a developing flame speed increases faster than that with a constant flame speed at low Strouhal numbers. Oscillatory behaviors of both transfer function magnitudes are shown to be damped when a developing flame speed is used. Both transfer functions also show similar behaviors in the phase characteristics: The phases of both transfer functions with a developing flame speed increase more rapidly than those with a constant flame speed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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