This paper proposes a numerical modeling approach to simulate the hybrid combustion phenomena. From the physical understandings of hybrid combustion, the computational domain was separated into three regions: the solid fuel, gas phase reactive flow, and the interface between solid and fluid. Moreover, for the accurate calculation, computational grids for these regions was generated at every time step considering the instantaneous moving interface which are governed by the balance equations using thermal pyrolysis. In the domain of reactive flow, by virtue of diffusion flame structure, turbulent combustion modeling was introduced using either mixture fraction approach or mean reaction rate approach.
It is well known that the combustion phenomenon of diesel engine is an unsteady turbulent diffusion combustion. Therefore, the combustion performance of diesel engine is related to a complex phenomenon which involves the various factors of combustion, such as a injection pressure, injection timing, injection rate, and operation conditions of engine. In this study, the spray and the flame development processes in a single cylinder D.I. diesel visualization engine which uses the electronically controlled injection system were visualized to interpret the complicated combustion phenomenon by using high speed CCD camera. In addition, the cylinder pressure and heat release rate were also obtained in order to analyze the diesel combustion characteristics under several engine conditions.
This paper conducted experimental study of turbulent diffusion flame, equipped with a unique double swirler combustor for gas fuel. The burner has two vane swirlers which are fitted to primary, secondary air channel. Temperature, and NOx emission concentrations are measured in combustion flame region and velocity in cold flow for various primary/secondary air ratio conditions. The results showed the characteristics of swirl flame and decreasing NOx concentrations with increasing primary/secondary air ratio.
Extinction characteristics of pure hydrogen-oxygen diffusion flames, at high pressures in the neighborhood of the critical pressure of oxygen, is numerically studied by employing counterflow diffusion flame as a model flame let in turbulent flames in rocket engines. The numerical results show that extinction strain rate increases almost linearly with pressure up to 100 atm, which can be explained by comparison of the chain-branching-reaction rate with the recombination-reaction rate. Since contributions of the chain-branching reactions, two-body reactions, are found to be much greater than those of the recombination reactions, three-body reactions, extinction is controlled by two-body reactions, thereby resulting in the linearity of extinction strain rate to pressure. Therefore, it is found that the chemical kinetic behaviors don't change up to 100 atm. Consideration of the pressure fall-off reactions shows a slight increase in extinction strain rate, but does not modify its linearity to pressure. The reduced kinetic mechanisms, which were verified at low pressures, are found to be still valid at high pressures and show good qualitative agreement in prediction of extinction strain rates. Effect of real gas is negligible on chemical kinetic behaviors of the flames.
Based upon temperature calibration using the diffusion flame, the temperature and soot concentration of the turbulent flame in a visualized Diesel engine's turbulent flow of flame was qualitatively measured. Two different heads were used to judge the effect of swirl ratio within the combustion chamber. It was possible to measure the highest temperature of the non-swirl head visualized engine which is approximately 2400K, and that the swirl head engine managed up to 2100K. Also, the more the pressure of the spray increases the more the temperature increases due to the improved combustion situation with respect to the visualized diesel engine soot. This experiment also revealed that the KL factor was high where the fuel collided with the walls of the combustion chamber. Moreover the KL factor was high on parts of the chamber where the temperature dropped rapidly.
Combustion using oxygen enriched air is known as a technology which can increase thermal efficiency due to increase of the flame temperature. Flame shapes, schlieren photos, OH radical chemiluminescence and local flame temperature were examined as a function of OEC(Oxygen Enriched Concentration) in a coaxial non-premixed jet. With increase of OEC, flame length and width decreased, but its brightness increased significantly, and the size of vortices in the flame also increased. Especially, the reaction around the flame surface became active. The strong OH intensity appeared to be made and moved from middle stream to upper one with increase of OEC, which shows combustion reaction in the upper stream becomes more dominant In addition, the temperature distributions of the flames showed similar tendency with OH radical intensities. A flame with high temperature and strong stability was obtained with increasing OEC of the coflow.
The relationship among the flame radiation, NOx emissions, residence time, and global strain rate are examined for turbulent non-premixed jet flames with wide variations in coaxial air conditions. Measurements of NOx emission, flame geometry and flame radiation were made to explain the NOx emission scaling based on global parameters such as flame residence time, global strain rate, and radiant fraction. The overall 1/2-power scaling is observed in coaxial air flames, irrespective of coaxial air conditions, but the degree of deviation from the 1/2-slope curve in each case differs from one another. From the comparison between the results of pure hydrogen flames and those of helium diluted hydrogen flames, it is observed that flame radiation plays a significant role in pure hydrogen flames with coaxial air and the deviation from 1/2-power scaling may be explained in two reasons: the difference in the flame radiation and the difference in jet similarity in coaxial air flames. From the radiation measurements, more detailed explanations on these deviations were suggested.
Present study has been conducted to see the relative effects of adding N: to fuel-side and air-side on flame structure, soot formation and NOx emissions. Experiments were carried out to ascertain to what degree chemical kinetics and/or molecular transport effects can explain the differences in soot formation and NOx emission by studying laminar diffusion flames. Direct photograph was taken to see the flame structure. CARS techniques was used to get the flame temperature profiles. And spatial distribution of soot could be obtained by PLII method. CHEMKIN code was also used to estimate the global residence time to predict NOx emissions at each condition. Results from these studies indicate that fuel-side dilution is more effective than air-side dilution in view of NOx emissions. However, air-side dilution shows greater effectiveness over fuel-side dilution in soot formation. And turbulent mixing and heat transfer problems were thought to be considered in practical applications.
The computations of chemically reacting laminar and turbulent flows are performed using the preconditioned Navier-Stokes solver coupled with turbulent transport and multi-species equations. A low-Reynolds number $k-\varepsilon$ turbulence model proposed by Chien is used. The presence of the turbulent kinetic energy tenn in the momentum equation can materially affect the overall stability of the fluids-turbulence system. Because of this coupling effect, a fully coupled formulation is desirable and this approach is taken in the present study. Choi and Merkle's preconditioning technique is used to overcome the convergence difficulties occurred at low speed flows. The numerical scheme used for the present study is based on the implicit upwind ADI algorithm and is validated through the comparisons of computational and experimental results for laminar methane-air diffusion flame and $ H_2/O_2$ reacting turbulent shear flow. Preconditioning formulation shows better convergence characteristics than that of non-preconditioned system by approximately five times as much.
Several visualization techniques of laser diagnostics are presented for combustion phenomena, including Mie scattering for flow, Rayleigh and Raman scattering spectroscopy for major species, laser-induced fluorescence for minor species, and laser-induced incandescence for soot. These techniques have been applied to understand the various combustion phenomena more clearly, including buoyancy-dominant flow system, diffusion flam oscillation, laminar and turbulent lifted flames, flame propagation along a vortex ring, and soot zone characteristics. The usefulness of laser diagnostics on a better understanding of physical mechanism is demonstrated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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