Flame surface area is a critical parameter determining turbulent flame speed. Three-dimensionaldirect numerical simulations (DNS) were conducted to figure out the evolution process of flame surface area. Fully compressible Navier-Stokes equations are solved to reproduce premixed flame embedded in isotropic decaying turbulent flow. The tangential straining and curvature of propagating surface affect development of flame area. In this study, four different turbulent intensity flows and three different Le number flames are investigated to force changes in straining and curvature effects. Consistent results are obtained for the probability density functions (PDF) of strain and curvature with previous researches. It is revealed that displacement speed, which is a speed of flame surface relative to unburnt flow, controls the balance between sink and source of flame surface area.
Flame surface area is a critical parameter determining turbulent flame speed. Three-dimensional direct numerical simulations(DNS) were conducted to figure out the evolution process of flame surface area. Fully compressible Navier-Stokes equations are solved to reproduce premixed flame embedded in isotropic decaying turbulent flow. The tangential straining and curvature of propagating surface affect development of flame area. In this study, four different turbulent intensity flows and three different Le number flames are investigated to force changes in straining and curvature effects. Consistent results are obtained for the probability density functions (PDF) of strain and curvature with previous researches. It is revealed that displacement speed, which is a speed of flame surface relative to unburnt flow, controls the balance between sink and source of flame surface area.
This study examines the effect of acoustic excitation using forced coaxial air on the flame characteristics of turbulent hydrogen nonpremixed flames. A resonance frequency was selected to acoustically excite the coaxial air jet due to its ability to effectively amplify the acoustic amplitude and reduce flame length and NOx emissions. Acoustic excitation causes the flame length to decrease by 15 % and consequently, a 25 % reduction in EINOx is achieved, compared to a flame without acoustic excitation. Moreover, acoustic excitation induces periodical fluctuation of the coaxial air velocity, thus resulting in slight fluctuation of the fuel velocity. From phase-lock PIV and OH PLIF measurement, the local flow properties at the flame surface were investigated under acoustic forcing. During flame-vortex interaction in the near field region, the entrainment velocity and the flame surface area increased locally near the vortex. This increase in flame surface area and entrainment velocity is believed to be a crucial factor in reducing flame length and NOx emission in coaxial jet flames with acoustic excitation. Local flame extinction occurred frequently when subjected to an excessive strain rate, indicating that intense mass transfer of fuel and air occurs radially inward at the flame surface.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제33권4호
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pp.466-475
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2009
A numerical analysis of reactive flow in a liftoff flame is accomplished to elucidate the characteristics of flame propagation velocity and volume integral of reaction rate with the variation of fuel injection velocity at the fuel rich region, fuel lean region and diffusion flame region. The increase of fuel injection velocity enhances flame propagation velocity, but its effect on the flame propagation velocity is not much greater under 4%. The increase of fuel injection velocity affects directly and linearly on the flame surface area in the fuel rich region and so enhances volume integral of reaction rate to accommodate the increment of fuel.
자발 진동하는 층류 예혼합 분젠 화염을 관찰하기 위하여 분기관을 가진 연소기를 제작 하였다. 특히, 조건에 따른 화염 거동을 살펴봤으며, 화염 표면적과 열발생 변동의 관계에 대하여 고찰하였다. 본 연구에서 사용된 당량비는 1.1 이고, 노즐 출구 평균 유속은 1.75 m/sec 이다. 연소 챔버와 분기관의 길이비(L.R.)는 연소기 내 압력 변동에 영향을 미치며, 결과적으로 화염 거동 특성이 달라짐을 관찰하였다. 또한, 간섭 필터의 유무에 따른 $OH^*$, $CH^*$, 그리고 화염 자발광은 정성적으로 유사한 거동을 나타냈으며, 자발 진동하는 층류 예혼합 분젠 화염의 화염 표면적 변동과 열발생 변동은 선형적인 관계를 가짐을 확인하였다.
In order to clarify turbulent combustion characteristics of hydrocarbon mixtures by hydrogen addition, turbulent burning velocities in a constant volume vessel were measured for both lean and rich hydrocarbon mixtures. Moreover, the configuration characteristics of turbulent flame was investigated in the wrinkled laminar flame region. A laser tomography technique was used to obtain the images of turbulent flame, and quantitative analyses were performed. As a result, the characteristics of turbulent burning velocity was shown a distinct difference with the addition rate of hydrogen between lean and rich mixtures. On the other hand, the obtained tomograms showed that the surface area of turbulent flame depends almost only on the turbulence intensity.
Silica particle formation and growth process including chemical reaction, coagulation and sintering was studied in a counterflow diffusion flame burner. The counterflow geometry provides a one dimensional flow field, along the stagnation point streamline, which greatly simplifies interpretation of the particle growth characteristics. $SiCl_4$ has been used as the source of silicon in hydrogen/oxygen/argon flames. The temperature profiles obtained by calculation showed a good agreement with experiment data. Using one and two dimensional sectional method, aerosol dynamics equation in a flame was solved, and these two results were compared. The two dimensional section method can consider sintering effect and growth of primary particle during synthesis, thus it showed evolution of morphology of non-spherical particles (aggregates) using surface fractal dimension. The effects of flame temperature and chemical loading on particle dynamics were studied. Geometric mean diameter based on surface area and total number concentration followed the trend of experiment results, especially, the change of diameters showed the sintering effect in high temperature environment.
The deposition behavior of soot particles in a diffusion flame along a solid wall was examined experimentally by getting rid of the effect of natural convection utilizing microgravity environment. The microgravity environment was realized by using a drop tower facility. The fuel for the flame was an ethylene ($C_2H_4$) and the surrounding oxygen concentration 35% with the surrounding air velocity of $V_a$=2.5, 5, and 10 cm/s. Laser extinction method was adopted to measure the soot volume fraction distribution between the flame and burner wall. The results show that observation of soot deposition in normal flame was difficult from buoyancy and the relative position of flame and solid surface changes with time. The soot particle distribution region moves closer to the surface of the wall as the surrounding air velocity is increased. And the experiments determined the trace of the maximum soot concentration line. It was found that the distance between soot line and flame line is around 5 mm. That is, the soot particle near the flame zone tends to move away from flame zone because of thermophoretic force and to concentrate at a certain narrow area inside of the flame, finally, to adhere the solid wall.
A method is developed to include the effect of volume expansion in the description of the flame dynamics using G-equation. Line volume-source is used to represent the effect of the exothermic process of combustion with source strength determined by the density difference between the burned and the unburned region. Volume expansion adjusts the flow field to accommodate the increased volume flow rate crossing the flame front. Test result predicted the measured velocity field qualitatively. The method was applied to study the interaction of vortex and premixed flame. Increased volume expansion did not change the initial growth rate of flame area. However, the residence time and flame surface area increased with higher expansion ratios.
본 연구는 화염안정을 위해 약간의 메탄을 첨가한 1차원, Hat, 예혼합, 층류 석탄-공기 화염구조에 관한 연구로서 반응영역을 늘리기 위해 0.3 atm에서 운전되는 저압버너를 사용하였다. 본 연구에서는 가스 온도, 주요가스의 농도, 샘플된 촤의 분석과 화염속도에 대하여 여러 모델들의 해석결과를 실험결과와 서로 비교하였다. 여러 모델중 촤 표면적 지수(S=4)와 휘발성분에 대해 각각의 탈휘발화 속도상수를 적용한 model II $I^{*}$ -d가 실험치와 비교적 일치함을 보여주었다. 샘플된 촤의 분석 결과 입자의 반응이 낮게 예측되어져 촤 표면적지수를 증가시켜야만 했다. 이 지수는 촤의 반응 표면적에 대한 민감도 분석으로부터 얻어진 결과였고 model II $I^{*}$ -d의 화염속도 해석결과는 대부분의 측정치에 근접한 결과를 보여주고 있다. 고체 입자 직경은 열적 지연과 반응표면적을 통하여 탈휘발화율과 촤 산화에 큰 영향을 주며 이는 곧 화염속도에 영향을 주고 있음을 보여주었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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