The relationship among the flame radiation, NOx emissions, residence time, and global strain rate are examined for turbulent non-premixed jet flames with wide variations in coaxial air conditions. Measurements of NOx emission, flame geometry and flame radiation were made to explain the NOx emission scaling based on global parameters such as flame residence time, global strain rate, and radiant fraction. The overall 1/2-power scaling is observed in coaxial air flames, irrespective of coaxial air conditions, but the degree of deviation from the l/2-slope curve in each case differs from one another. From the comparison between the results of pure hydrogen flames and those of helium diluted hydrogen flames, it is observed that flame radiation plays a significant role in pure hydrogen flames with coaxial air and the deviation from 1/2-power scaling may be explained in two reasons: the difference in the flame radiation and the difference in jet similarity in coaxial air flames. From the radiation measurements, more detailed explanations on these deviations were suggested.
Propane coflow diffusion flames have been experimentally studied to investigate the liftoff and reattachment characteristics. Flame properties such as velocity and density distribution were measured by LDV and shadowgraphy, respectively. It is shown that as the velocity of coflowing air increases, liftoff velocity decreases nonlinearly in turbulent jets and linearly in laminar jets, while reattachment velocity decreases nonlinearly. Meanwhile, as inner nozzle tip thickness increases, liftoff velocity increases with the reattachment velocity nearly unchanged. Liftoff phenomena in these flames can be categorized into three classes as a function of coflow velocity, such as laminar liftoff, turbulent liftoff, and transient liftoff.
The present study is focused on modeling the transient behavior of the local flame structure which is especially important for slow reaction processes, such as NOx formation in the radiating flame field. The recently developed unsteady flamelet model has been applied to analyze a steady, turbulent jet flame. Numerical results are compared with experimental data and numerical results of the conventional steady flamelet model. The numerical result reveals that the unsteady flamelet model correctly predicts the nonequilibrium effect upsteam and the subsequent decay of the superequilibrium radical concentrations the further downstream.
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.
Measurements of flame length, width and NOx emissions have been conducted to investigate the effect of an acoustic excitation on flame structure in turbulent hydrogen diffusion flames with coaxial air. The resonance frequency of oscillations was varied between 259 ,514 and 728 Hz with power rate of 0.405 and 2.88w. When these frequencies imposed to hydrogen flames, dramatic reduction of flame length and NOx emission was achieved. And acetone planar laser-induced fluorescence technique was used to measure a concentration of the near field of driven axisymmetric jet. The air-fuel stoichiometric line was plotted to investigate the mixing layer and development of air entrainment to fuel jet. Consequently, acoustic excitation on flame could enhance the air-fuel mixing resulting in abatement of NOx emission quantitatively.
A general purpose program NUFLEX for the analysis of 3-D heat/fluid flow in complex geometry with pre/post processor have been developed, which consists of a flow solver based on FVM and a dedicated pre/post processor. The program employs a general non-orthogonal grid system and solve laminar and turbulent (lows with standard and RNG $\kappa-\epsilon$ turbulence models. NUFLEX is capable of analysing two-phase flow with topologically complex interface, turbulent diffusion combustion, solidification problems and magnetic flow. For the purpose of verification of the program and testing the applicability, several practical problems are solved and compared with the available data. Comparison of the NUFLEX results with that by the STAR-CD program has been also made for the same flow configuration and grid structure.
The flow characteristics in a hot mill reheating furnace is numerically simulated in this study. Navier-Stokes equations for conservation of mass, momentum, energy are solved and the standard $k-\varepsilon$ model, mixture fraction/PDF model are used for the turbulent reacting flow in the furnace. Radiation heat transfer is incorporated by the P-1 method with the absorption coefficient evaluated using WSGGM. First, simulation results are obtained for the total furnace region with existing protective dam, and then the calculations are carried out only for the preheating zone in the furnace. In that zone, additional center darn is built in order to control the flow behavior of the inlet air and the combustion gas.
Air pollution included Nitric Oxide(NOx) from heating boilers is increased by pursuing better life. Development of low NOx emission boiler is strongly needed. However commercial burner for heating boiler is also asked to be thermal efficient and low-cost manufactuable in addition to low NOx emission. Small space for combustor including burner is usually allowed. In this study, parametric study of compact low NOx burner for heating boiler was done using numerical analysis and experiments. Commerical computational fluid dynamic(CFD) program named CFX 5-6 was used for numerical analysis of low NOx burner using turbulent diffusion flame. Comparison of outlet NO and outlet temperature under various equivalence ratio and fuel flow rate was performed between experiment and numerical analysis.
Turbulent nonpremixed $H_2$-air jet flames are numerically investigated using the joint PDF model. The reaction progress variable is derived by assuming the radicals 0, H, and OH to be in partial equilibrium and additional species $HO_2$ and $H_2O_2$ in steady state. The model is extended to npnadiabatic flame by introducing additional variable for the transport of enthalpy and radiative source term is calculated using a local, geometry independent model. In terms of flame structure and NO formation, the predicted results are favorably agreed with experimental data. The effects of nonequilibrium chemistry and radiative heat loss on the thermal NO formation are discussed in detail.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.28
no.11
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pp.1339-1347
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2004
Development of the low NOx heating boiler was strongly asked due to severe air pollution and the large number of boilers in korea. Compactness of the commercial boiler was also important because of low manufacturing cost and easy installation. In this study. newly developed compact low NOx burner, using turbulent gas diffusion combustion with multi-staged air supplies and multiple fuel nozzles, was investigated. Comparison study of the new burner was performed between experimental results and computational analysis. Commercial computational fluid dynamic(CFD) program named CFX-5.6 was used for numerical analysis of the low NOx burner inside the test combustor. Comparisons of experiment data and numerical result were performed under various equivalence ratio and fuel flow rate.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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