Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.36
no.3
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pp.309-314
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2012
Flame flickering occurs mainly because of the buoyancy force for pool fires under ambient air. The cup-burner flame was used for experimental investigation of the effect of the oxidizer velocity on the gravitational instability. The results showed that the flickering frequency decreased with increasing oxidizer velocity. The frequency-buoyancy relation with nondimensional variables coincided with that of the buoyant flume and pool fires when the characteristic velocity was defined as the difference between the fuel and oxidizer velocities, which implies that the origin of the gravitational instability is the Kelvin-Helmholtz instability in the shear layer. The effect of the oxidizer composition on the instability was also examined through nitrogen dilution in the oxidizer stream. As the concentration of inert gas increased, the length of the blue flame increased and lift-off behavior was observed. The oscillation frequency was independent of the dilution ratio, but was related to the local flame structure.
The effect of swirl flow structures on combustion dynamics of two interacting, lean-premixed flames was experimentally investigated, with a particular emphasis on swirl numbers and swirl rotational directions. Our results show that the amplitude of limit cycle oscillations is very sensitive to the combination of swirl numbers and rotational directions, while the instability frequency remains nearly unchanged. The counter-rotating cases show significantly lower pressure perturbations, and this behavior appears to be related to the formation of compact interacting zone with higher heat release rate, indicating the presence of increased flame surface wrinkling caused by intense turbulence.
A nonlinear acoustic instability of subcritical liquid-oxygen droplet flames burning in gaseous hydrogen environment are investigated numerically. Emphases are focused on the effects of finite-rate kinetics by employing a detailed hydrogen-oxygen chemistry and of the phase change of liquid oxygen. Results show that if nonlinear harmonic pressure oscillations are imposed, larger flame responses occur during the period that the pressure passes its temporal minimum, at which point flames are closer to extinction condition. Consequently, the flame response function, normalized during one cycle of pressure oscillation, increases nonlinearly with the amplitude of pressure perturbation. This nonlinear response behavior can be explained as a possible mechanism to produce the threshold phenomena for acoustic instability, often observed during rocket-engine tests.
The combustion instability acts as a serious obstacle for the lean premixed combustion of gas turbine and even causes the fatal damage to the combustor and whole system. In this experiment, the pressure fluctuation is highly related to the stabilizing position of flame and fuel injection location. The fuel injection location is connected with the convection time of the fresh mixture, which is important time scale to refresh the mixtures near the flame stabilization location. The flame is extremely unstable when the alternative stabilization occurs and bulk mode frequency (${\sim}10Hz$) of pressure fluctuation is observed in this condition. It was found that the convection time scale of the fresh reactant coincided with the time scale of the bulk mode fluctuation. Hence this phenomenon results from the local equivalence ratio change caused by the pressure fluctuation induced by thermo-acoustic effects.
Combustion instability is a common phenomenon in a ducted flame burner and is known as accompanying low frequency oscillation. This is due to the interaction between unsteady heat release rate and sound pressure field, that is, thermoacoustic feedback. In Rayleigh criterion, combustion instability is triggered when the heat addition is in phase with acoustic oscillation. A Rijke type burner with a pre-mixed flame is built for investigating the effect of Reynolds number and equivalence ratio on thermoacoustic oscillation. The results suggest that the frequency of max, oscillation is dependent on Reynolds number and equivalence ratio whereas its magnitude is not a strong function of these two parameters.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2017.05a
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pp.65-67
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2017
Various combustion modeling approaches have been developed and verified in a combustion system such as rockets, gas turbines, and so on. This study introduces basic theory and recent research activities on 1D network model where a system is divided into a series of acoustic element and mass/momemtum/energy conservations are applied in the component. Each component is connected to the neighboring ones with proper jump conditions. Flame transfer function and acoustic transfer function are determined and effects of the each function on the system instability is investigated.
Kim, Jeongjin;Yoon, Jisu;Joo, Seongpil;Kim, Seongheon;Sohn, Chae Hoon;Yoon, Youngbin
Journal of the Korean Society of Combustion
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v.22
no.1
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pp.39-45
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2017
Combustion instability analysis of partially premixed model gas turbine combustor was conducted with 1D lumped method. Flame Transfer Function(FTF) was obtained with variation of fuel composition by Photo Multiplier Tube(PMT) and Hot Wire Anemometry(HWA). Decreasing instability frequency was observed when combustor length increased and multi-mode instability was confirmed. Instability frequency mode was changed while $H_2$ composition rate was increased and had agreement with experimental value. This work confirms that prediction of longitudinal combustion instability mode of partially premixed combustor is possible using 1D lumped method.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.32
no.5
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pp.342-350
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2008
The effects of combustion instability on flow structure and flame dynamics with the inlet configurations in a model gas turbine combustor were investigated using large eddy simulation (LES). A G-equation flamelet model was employed to simulate the unsteady flame behaviors. As a result of mean flow field, the change of divergent half angle($\alpha$) at combustor inlet results in variations in the size and shape of the central toroidal recirculation (CTRZ) as well as the flame length by changing corner recirculation zone (CRZ). The case of ${\alpha}=45^{\circ}$ show smaller size and upstream location of CTRZ than those of $90^{\circ}$ and $30^{\circ}$ by the development of higher swirl velocity. The flame length in the case of ${\alpha}=45^{\circ}$ is shorter than other cases, while the case of ${\alpha}=30^{\circ}$ yields the longest flame length due to the decrease of effective reactive area with the absence of CRZ. Through the analysis of pressure fluctuation, it was identified that the case of ${\alpha}=45^{\circ}$ shows the largest damping effect of pressure oscillation in all configurations and brings in the noise reduction of 2.97dB, compared to that of ${\alpha}=30^{\circ}$ having the largest pressure oscillation. These reasons were discussed in detail through the analysis of unsteady phenomena related to recirculation zone and flame surface. Finally the effects of flame-acoustic interaction were evaluated using local Rayleigh parameter.
In the present paper, the effects of combustion instability on flow structure and flame dynamic with the configurations of burner exit in a model gas turbine combustor are investigated using large eddy simulation(LES). A G-equation flamelet model is employed to simulate the unsteady flame behavior. As a result of mean flow field, the change of divergent half angle(${\alpha}$) at burner exit results in variations in the size and shape of the central toroidal recirculation(CTRZ) as well as flame length by changing corner recirculation zone(CRZ). The case of ${\alpha}=45^{\circ}$ show smaller size and upstream location of CTRZ than that of $90^{\circ}$ and $30^{\circ}$ by the development of higher swirl velocity. The flame length in the case of ${\alpha}=45^{\circ}$ is the most shortest, while that in the case of ${\alpha}=30^{\circ}$ is the longest by the decrease of effective reactive area with the absence of CRZ. Through the analysis of pressure fluctuation, it is identified that the case of ${\alpha}=45^{\circ}$ shows the most largest damping effect of pressure oscillation in all configurations and brings in the noise reduction of 2.97dB, comparing with that of ${\alpha}=30^{\circ}$ having the largest pressure oscillation. These reasons are discussed in detail through the analysis of unsteady phenomena about recirculation zone and flame surface. Finally the effects of flame-acoustic interaction are evaluated using local Rayleigh parameter.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.36
no.12
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pp.1193-1199
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2012
A cup burner experiment was performed to investigate the effect of the oxidizer velocity and concentration on flame instability near extinction. Heptane was used as a fuel and air diluted by nitrogen and carbon dioxide was used in the oxidizer stream. Two types of flame instabilities at the flame base and at axial downstream were observed near extinction. The instability at the flame base could be characterized by cell, swing, and rotation modes, and the cell mode changed to the rotation mode through the swing mode as the oxidizer velocity increased. To assess the parameters for the flame instability, the initial mixture strengths, Lewis number, and adiabatic flame temperature were investigated under each condition. The Lewis number might be the most important among them, but it is impossible to generalize because of the insufficient number of cases. Furthermore, the axial periodic flickering motion disappeared at low and high oxidizer velocities near extinction. This resulted from the fact that low oxidizer velocity induced evaporated fuel velocity below the critical velocity and high velocity made the reacting fuel velocity comparable.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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