In this study, turbulent flows in a planar combustor which has a square rib-type flame holder are numerically investigated by Large Eddy Simulation(LES). Firstly, the flow fields with or without jet injection downstream of the flame-holder are examined using uniform inlet velocity. Comparison of the present LES results with experimental one shows a good agreement. Secondly, to investigate mixing of oxidizer(air) and fuel injected behind the flame holder, the scalar-transport equation is introduced and solved. From the instantaneous flow and scalar fields, complex and intense mixing phenomena between fuel and jet are observed. It is shown that the ratio of jet to blocked air velocity is an important factor to determine the flow structure. Especially, when the ratio is large enough, the fuel jet penetrates the main vortices shed from the flame holder, resulting in significant changes in the flow and scalar fields.
An experiment was performed to investigate lift-off, blow-off and combustion characteristics of a lifted coaxial diffusion flame according to fuel jet and air velocity. A jet diffusion flame which is attached on the nozzle rim begins to be lifted with increase of air velocity, and finally becomes blow-off at higher air velocity. In experiment, blow-off limit increased with increase of fuel jet velocity, however lift-off occurred at lower air velocity. Flame structure and combustion characteristics were examined by schlieren photos, temperature distributions and emission concentration distributions. Flame temperature became higher at midstream and its RMS became larger at up and downstream with increase of air velocity. Local NO concentration decreased but $CO_2$concentration increased with increase of air velocity, which shows combustion reaction becomes close to be stoichiometric at higher air velocity in spite of lift-off.
Dynamic structures of unsteady $CH_4$/Air jet diffusion flames with flame-vortex interaction were numerically investigated. A time-dependent, axisymmetric computational model was adopted for this calculation. Two step global reaction mechanism which considers 6 species, was used to calculate the reaction rates. The predicted results including gravitational effect show that the large outer vortices and the small inner vortex street can be well simulated without any additional disturbances in the downstream of nozzle tip. It was found that the temperature and species concentrations had various values for the same mixture fraction in flame-vortex interaction region. This unsteady jet flame configuration accompanying flame-vortex interaction is expected to give good implications for the structure of turbulent flames.
An experimental study of the effect of operating conditions on the behavior of a lean premixed laboratory combustor operating on natural gas has been conducted. Measurements were made characterizing the pressure fluctuations in the combustor and the flame structure over a range of inlet temperatures, inlet velocities and equivalence ratios. In addition the fuel distribution at the inlet to the combustor was varied such that it was an independent parameter in the experiment. Inlet temperature, inlet velocity and equivalence ratio were all found to have an effect on the stability characteristics of the combustor. The nature of this effect, however, depended on the fuel distribution. For example, with one fuel distribution the combustor would become unstable when the temperature was increased, whereas with a different fuel distribution the combustor would become unstable when the temperature was decreased. Similarly, the operating conditions had an effect on the flame structure. For example the intensity-weighted center of mass of the flame was found to move closer to the center body as either the temperature or equivalence ratio increased. It was interesting and somewhat surprising to note, however, that as the location of the center of mass changed with operating conditions it did so by moving along a line of constant flame angle.
In order to develop oxy-fuel combustor, the Flame length characteristic of $CH_4$ with oxidizer of air and oxygen has been experimentally investigated for tile nozzle diameters of 1.6mm, 2.7mm, 4.4mm and 7.7mm. The structure of $CH_4$ flame with oxidizer of oxygen was sharp in contrast with the $CH_4$ flame with oxidizer of air. The stability of $CH_4$ flame with oxidizer of oxygen was higher than $CH_4$ flame with oxidizer of air. In all $CH_4$ flames with oxidizer of air and oxygen, the flame length were dependent on the flowrate in laminar flame regime, and in turbulent flame dependent on the initial jet diameter. Using correlation equation of Delichatsios, the flame length has been expected exactly for $CH_4$ flame with oxidizer of air, but underestimated for $CH_4$ flame with oxidizer of oxygen. This paper proposed correlation equation of $CH_4$ flame with oxidizer of oxygen.
The measurement of velocity and stain rate field has been conducted in opposed impinging jet combustion. When a smaller diameter (5mm) orifice of pre-chamber was used, previous studies had reported that the combustion phase showed a shift from weak turbulent combustion to moderate turbulent combustion in the modified Borghi Diagram. In the case with smaller orifice diameter (5mm), NOx emission was substantially reduced by a factor 1/2 while the combustion pressure remains at the same as that in the conventional combustion. Hence, in this study, the experiment setup using PIV technique was designed to identify the relation of the strain rate distribution and NOx reduction associated with moderate turbulent combustion.
본 논문에서는 재순환 영역이 존재하는 축대칭 난류 확산화염 구조예측의 전 단계로서, 이미 발표된 바있는 필자의 실험 데이터를 바탕으로 하여 등온유동에 서의 난류모델을 검토한다. 유선의 곡률이 큰 유동에 2방정식 모델을 적용함은 큰 결점을 보완한 수정-2방정식모델을 채택하여 실험결과와 비교, 검토하여 모델의 타당성을 조사하였다.
This study has numerically investigated the flame-acoustics interactions in the turbulent partially premixed flame field. In the present approach, in order to analyze the combustion instability, the present approach has employed the LES-based combustion model as well as the Helmholtz solver. Computations are made for the validation case of the partially premixed LIMOUSINE burner. In terms of the FFT data, numerical results are compared with experimental data. Moreover, Helmholtz equation in frequency domain is solved by combining CFD field data including the flight time from a nozzle to the flame zone. Based on numerical results, the detailed discussions are made for the essential features of the combustion instability encountered in the partially premixed burner.
This article presents an application of a large-scale structural mixing model (Broadwell et al. 1984) to the blowout of turbulent reacting jets discharging perpendicularly into an unconfined cross air-flow. In an analysis of a common stability curve, a plausible explanation can be made that the phenomenon of blowout is related only to the mixing time scale of the two flows. The most notable observation is that the blowout distance is traced at fixed positions at all times according to the velocity ratio R. Measurements of the lower blowout limits in the liftable flame agree qualitatively with the blowout parameter ${\varepsilon}$, proposed by Broadwell et al. Good agreement between the results calculated by a modified blowout parameter ${\varepsilon}^'$ and experimental results confirms the important effect of a large-scale structure in specifying the stabilization feature of blowouts.
In this study, a laser sheet technique and PLIF (Planar laser-induced fluorescence) are applied to a laboratory-scale pulverized coal burner of the open type, and the spatial relationship of the pulverized coal particle zone and the combustion reaction zone is examined by simultaneous measurement of Mie scattering and OH-LIF images. It is found that this technique can be used to investigate the spatial relationship of the combustion reaction zone and pulverized-coal particles in turbulent pulverized-coal flames without disturbing the combustion reaction field. In the upstream region, the combustion reaction occurs only in the periphery of the clusters where high-temperature burned gas of the methane pilot flame is entrained and oxygen supply is sufficient. In the downstream region, however, combustion reaction can be seen also within clusters of pulverized-coal particles, since the temperature of pulverized-coal particles rises, and the mixing with emitted volatile matter and ambient air is promoted.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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