The prediction performance of 9 model sets, which combine 3 turbulent models and 3 combustion models, was investigated numerically for turbulent partially-premixed jet flame. The standard ${\kappa}-{\varepsilon}$ (SKE), Realizable ${\kappa}-{\varepsilon}$ (RKE) and Reynolds stress model (RSM) were used as a turbulence model, and the eddy dissipation concept (EDC), steady laminar flamelet (SLF) and unsteady laminar flamelet model (ULF) were also adopted as a combustion model. The prediction performance of those 9 model sets was evaluated quantitatively and qualitatively for Sandia D flame of which flame structure was measured precisely. The flame length was predicted as, from longest to shortest, RSM > SKE > RKE, and the RKE predicted the flame length of the jet flame much shorter than experiment. The flame temperature was over predicted by the combination of RSM + SLF or RSM + ULF while the flame length obtained by RSM + SLF and RSM + ULF was well agreed with the experiment. The combination of SKE + SLF and SKE + ULF predicts well the flame length as well as the temperature distribution. The SKE turbulence model was most superior to the other turbulent models, and SKE + ULF showed the best prediction performance for the structure of turbulent partially-premixed jet flame.
The effect of fuel composition and coaxial air on the nitrogen oxide emission index was studied in a non-premixed turbulent jet flame. Validity of experimental setup and methodology is checked. The NOx emission trend is similar with previous works in hydrogen flame, but it's not well in $H_2/CO$ flame. Normalized EINOx scaling with modified $S_G$ applying near-field concept was conducted. Experimental data don't collapse single correlation curve, but partially same trend is observed in all cases.
LES results of turbulent premixed combustion flows are introduced by using the dynamic sub-grid scale model based on G-equation describing the flame front propagation. The turbulent premixed combustion flows around bluff body and over backward facing step are analyzed to validate present formation. LES of swirling partially premixed combustion flame is also performed to conform the predictive capabilities of LES model and to prompt our understanding for the combustion flows over double cone swirl burner combustor by using CFD-ACE+ commercial code.
For the better understanding of the stability of turbulent combustion, more researches on extinction and re-ignition are needed. Flame interactions in non-premixed flame have also not been greatly researched. We made a hybrid twin jet flame, the combinations of diffusion flame and partially-premixed diffusion flame, in a twin jet counterflow configuration. The extinction limits of a crossed twin jet counterflow have been extended in comparison with those of a one-dimensional counterflow because of flame interactions through heat transfer and joint ownership of various radicals. Besides, we have obtain ignition $Damk\"{o}hler$ number by experimental method without external ignition source using the extinction characteristic in a crossed twin jet counterflow flame. From results, we can identify the hysteresis between extinction and ignition $Damk\"{o}hler$ number in S-curve.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.10
no.3
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pp.77-84
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2002
Measurements of NO and NOx emission of laminar partially premixed LPG/air flames with and without acoustic excitation are reported. The NOx emission at the tailpipe of a combustion chamber is determined by chemiluminescent analyser. The NOx measurements are taken in flames with several different center tube equivalance ratio( ø$\sub$o/), and overall equivalace ratio(ø$\sub$o/) for a fixed fuel flowrate. The NOx emission decrease to reach a minimum value at an optimum ø$\sub$c/ 2. Theø$\sub$c/ 2 flame gives a compromise of thermal NO and prompt NO mechanism. In the case of excitation. the visual shape of the flame is changed from laminar flame to turbulent-like flame. With increasing levels of excitation amplitude, an optimum value of the NO and NOx emission exists. A shorter flame caused by the enhanced upstream mixing due to acoustic excitation results in the reduction of NO and NOx emission in the present flames. The reduction of flame length affects the shorter residence time of center tube mixture, and significantly influences the NOx reduction.
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.
In order to realistically represent the complex turbulence-chemistry interaction at the partially premixed turbulent lifted flames encountered in the gas turbine combustors, the combined conserved-scalar/level-set flamelet approach has been adopted. The parallel unstructured-grid finite-volume method has been developed to maintain the geometric flexibility and computational efficiency for the solution of the physically and geometrically complex flows. Special emphasis is given to the swirl effects on the combustion characteristics of the lean-premixed gas turbine combustor. Numerical results suggest that the present approach is capable of realistically simulating the combustion characteristics for the lean-premixed gas turbine engines and the lifted turbulent jet flame with a vitiated coflow.
The isothermal flow structure and mixing characteristics of a hybrid/dual swirl jet combustor for micro-gas turbine were numerically investigated. Location of pilot nozzle, angle and direction of swirl vane were varied as main parameters with constant fuel flow rates for each nozzle. As a result, the variation in location of pilot nozzle resulted in significant change in turbulent flow field near burner exit, in particular, center toroidal recirculation zone (CTRZ) as well as turbulent intensity, and thus flame stability and emission characteristics might be significantly changed. The swirl angle of $45^{\circ}$ provided similar recirculating flow patterns in a wide range of equivalence ratio (0.5~1.0). Compared to the co-swirl flow, the counter-swirl flow leaded to the reduction in CTRZ and fuel-air mixing near the burner exit and a weak interaction between the pilot partially premixed flame and the lean premixed flame. With the comparison of experimental results, it was confirmed that the case of co-swirl flow and swirl $angle=45^{\circ}$ would provided an optimized combustor performance in terms of flame stability and pollutant emissions.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.14
no.6
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pp.171-178
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2006
The performance in the practical combustion system including reciprocating engines and gas turbine combustors is being much governed by turbulent reacting flow that is often analyzed by both a laminar flamelets concept and flame interaction. The characteristics of laminar flame interaction have been investigated numerically to provide basic understanding of wrinkled turbulent flames under concentration interaction resulting from inhomogeneity in fuel-air mixing, especially focused on the transition of flame characteristics such as diffusion flame, partially premixed diffusion flame, and triple-layer flame by the variation in the degree of premixedness. The extinction stretch rates to the premixedness have also been obtained in this paper. The boundary defining the regime of the existence of triple-layer flames as functions of both stretch rate and premixedness has been determined which agrees well with previously reported experiment measuring OH radical concentration peaks based on PLIF.
We measured emission indices for $NO_x$, CO, temperature and radical characteristics for partially premixied flames formed by suction & blow fans air condition. At sufficiently high levels of partial premixing a double flame structure consisting of a rich premixed inner flame and outer diffusion flame was established similar to that previously observed in premixed flames. $NO_x$, Temperature, CO values were experimented with approximately constant air flow rate and decreasing equivalence ratios. The reduction in $NO_x$ and temperature at suction condition as compared with that for blow condition was approximately 20%, but on the contrary, CO emission was increased. In addition, We measured temperature distributions and found that temperature increased continuously with increasing partial premixing. We also estimated CH, $C_2$ radical intensity. CH and $C_2$ radicals provide evidence that, for the present measurement, CH and $C_2$ radicals intensity was associsated with their premixed component. And we observed stronger $C_2$, CH radicals intensity at suction conditions than blow conditions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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