A series of computational simulations have been carried out for non-reacting and reacting flows in a supersonic combustor configuration with and without a cavity. Transverse injection of hydrogen, a simplest form of fuel supply, is considered in the present study with the injection pressure of 0.5 and 1.0 ㎫. The corresponding equivalence ratios are 0.17 and 0.33. The work features detailed resolution of the flow and flame dynamics in the combustor, which was not typically available in most of the previous studies. In particular, oscillatory flow characteristics are captured at a scale sufficient to identify the underlying physical mechanisms. Much of the flow unsteadiness is related not only to the cavity, but also to the intrinsic unsteadiness in the flowfield. The interactions between the unsteady flow and flame evolution may cause a large excursion of flow oscillation. The role of the cavity, injection pressure, and amount of heat addition are examined systematically.
Thermo-acoustic instability of methane/ air flames in an industrial gas-turbine combustor is numerically investigated adopting CFD analysis. The combustor has 37 EV burners through which methane and air are mixed and then injected into the chamber. First, steady fuel! air mixing and flow characteristics established by the burner are investigated by numerical analysis with single burner. And then, based on information on the flow data, the burners are modeled numerically via equivalent swirlers, which facilitates the numerical analysis with the whole combustion system including the chamber and numerous burners. Finally, reactive flow fields within the chamber are investigated numerically by unsteady analysis and thereby, spontaneous instability is simulated. Based on the numerical results, scaling analysis is conducted to find out the instability mechanism in the combustor and the passive control method to suppress the instability is proposed and verified numerically.
The in-cylinder flow field of gasoline engine comprises unsteady compressible turbulent flows caused by the intake port, combustion chamber geometry. Thus, the quantitative analysis of the in-cylinder flow characteristics plays an important role in the improvement of engine performances and the reduction of exhaust emission. In order to obtain the quantitative analysis of the in-cylinder gas flows for a gasoline engine, the single-frame particle tracking velocimetry was developed, which is designed to measure 2-dimensional gas flow field. In this paper, influences of the swirl and tumble intensifying valves on the in-cylinder flow characteristics under the various intake flow conditions were investigated by using this PTV method. Based on the results of experiment, the generation process of swirl and tumble flow in a cylinder during intake stroke was clarified. Its effect on the tumble ratio at the end of compression stroke was also investigated.
Stabilization mechanism of lifted flame in the near field of coflow jets has been investigated experimentally and numerically for methane fuel diluted with nitrogen. Lifted flames were observed only in the near field of coflow jets until blowout occurred in the normal gravity condition. To elucidate the stabilization mechanism for the stationary lifted flames in the near field of coflow jets for the diluted methane having the Schmidt number smaller than unity, the behaviors of the stationary lifted flame in microgravity and unsteady propagation phenomena were investigated numerically at various conditions of jet velocity. It has been founded that the buoyancy plays an important role for flame stabilization of lifted flame in normal gravity and the stabilization mechanism is due to the significant variation of the propagation speed of lifted flame edge compared to the local flow velocity at the edge.
Coke oven is used in an iron-making process for producing coke through devolatilization of the coking coal. An unsteady 2-dimensional model of solid bed is proposed to simulate a coke oven. The model contains governing equations with partial differential equation forms for the solid phase and the gas phase. Drying and devolatilization of coking coal, heat transfer, and generation of internal pores in the coking coal are also reflected to the source terms. Simulation results show a reasonable trend compared with the physical data.
The present study conducted a numerical modeling on the diesel SCR (selective catalytic reduction) system using ammonia as a reductant over vanadium-based catalysts $(V_2O_5-WO_3/TiO_2)$. Transient modeling for ammonia adsorption/desorption on the catalyst surface was firstly carried out, and then the SCR reaction was modeled considering for it. In the current catalytic reaction model, we extended the pure chemical kinetic model based on laboratory-scale powdered-phase catalyst experiments to the chemico-physical one applicable to realistic commercial SCR reactors. To simulate multi-dimensional heat and mass transfer phenomena, the SCR reactor was modeled in two dimensional, axisymmetric domain using porous medium approach. Also, since diesel engines operate in transient mode, the present study employed an unsteady model. In addition, throughout simulations using the developed code, effects of space velocity on the DeNOx performance were investigated.
Three-dimensional numerical study was carried out for the investigation of the detonation wave structures propagating in tubes. Fluid dynamics equations and conservation equation of reaction progress variable were analyzed by a MUSCL-type TVD scheme and four stage Runge-Kutta time integration. Chemical reaction was modeled by using a simplified one-step irreversible kinetics model. The variable gas properties between unburned and burned states were considered by using variable specific heat ratio formulation. The unsteady computational results in three-dimension show the detailed mechanisms of rectangular and diagonal mode of detonation wave instabilities resulting same cell length but different cell width in smoked-foil record. The results for the small reaction constant shows the spinning mode of three-dimensional detonation wave dynamics, which was rarely observed in the previous numerical simulation of the detonation waves.
The study of unsteady gas exchange processes in the intake and exhaust systems of four-cylinder, four-stroke cycle internal combustion engine is described in this paper. The calculation model for the intake and exhaust systems is established and solved by the characteristic method for the equations defining these systems. A constant pressure theory is used for modeling branches of intake and exhaust manifolds. The relationship between the volumetric efficiency and the intake, exhaust pressure variation is clarified by simulation of these systems. It is found that the volumetric efficiency mainly depends on the intake pressure during the short period before the intake valves is closed, that the volumetric efficiency is influenced a little by intake chamber volume in the intake and exhaust system.
Heat regenerator occupied by regenerative materials improves thermal efficiency of regenerative combustion system through the recovery of sensible heat of exhaust gases. By using one-dimensional two-phase fluid dynamics model, the unsteady thermal flow of regenerator with spherical particles, were numerically analyzed to evaluate the heat transfer and pressure losses and to suggest the parameter for designing heat regenerator. It is confirmed that the computational results, such as air preheat temperature, exhausted gases outlet temperature, and pressure losses, agreed well with the experimental data conducted from Chugairo. The thermal flow in heat regenerator varies with porosity, configuration of regenerator and diameter of regenerative particle. Assuming a given exhaust gases temperature at the regenerator outlet, the regenerator length need to be linearly increased with inlet Reynolds number of exhaust gases. It is considered that inlet Reynolds number of exhaust gases should be introduced as a regenerator design parameter.
This study has been conducted by experiments for distribution of concentration of helium gas, which is jetted into stationary atmosphere at the normal temperature and pressure. It is able to obtain the data for concentration of helium and air mixtures by the use of hot wire probe which has fast response. At an up stream, the concentration gradient which is attained is steep. At a down stream, the mixing time of helium and air is gradually shortened with the lapse of time in front of a jet. The arrival frequency of a jet in an unsteady area is mostly constant from 0% to 100% up to 80mm, but the time which is reaching to 100% is gradually to lengthen as a descending downstream. After starting a jet and the point of 90%, the mixing time is especially to lengthen. This reason comes from the turbulent intensity which causes for mixing of helium and air. This time difference which causes according to lengthen a jet should be considered in the design of combustion chamber.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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