[논문]선회도에 따른 평면 화염 버너의 유동특성

장영준; 정용기; 전충환

doi:10.22634/ksme-b.2001.25.7.997

선회도에 따른 평면 화염 버너의 유동특성
The Effect of Swirl Number on the Flow Characteristics of Flat Flame Burner 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.25 no.7 = no.190, 2001년, pp.997 - 1004

장영준 (부산대학교 기계공학부) , 정용기 (부산대학교 대학원) , 전충환 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Burner of Flat Flame type expects the uniform flame distribution and NOx reduction. The characteristics of Flat Flame Burner become different according to swirl number in the burner throat. Experiments were focused on swirl effect by four types of swirler with different swirl numbers (0, 0.26, 0.6 and 1.24). It shows many different flow patterns according to swirl number using PIV(Particle Image Velocimetry) method. The flow of burner with swirler is recirculated by pressure difference between its center and outside. Recirculated air makes stable in flame, and reduced pollutant gas. In case of swirl number 0, main flow passes through axial direction. As swirl number increased, The backward flow develops in the center part of burner and Flow gas recirculates. This is caused by radial flow momentum becomes larger than axial flow by swirled air and the pressure at center drops against surrounding. As swirl number increases, the radial and axial velocity was confirmed to be larger than low swirl numbers. And turbulence intensity have similar pattern. The CTRZ(Central Toroidal Recirculation Zone) is shown evidently when y/D=1 and S=1.24. The boundary-layer between main flow and recirculated flow is shown that the width is seen to be decreased as swirl number increased.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 강선회를 수반한 확대 유도관 방식의 고부하 평면 화염 연소기의 비연소 유동장의 정량적 해석을 위해, PIV 기법으로 동일한 지점의 유동장들을 앙상블 평균하여 연소기의 선회강도가 재순환 영역을 포함한 전체 유동장에 미치는 영향을 파악하였다.
본 연구에서는 평면 화염 버너에 4가지 선회도를 가지는 베인형 선회기를 장착하여 PIV 기법을 이용하여 선회도가 유동 특성에 미치는 영향을 파악하여 다음과 같은 결론을 얻었다

제안 방법

후처리는 불량벡터의 제거, 보간, 앙상블의 순서로 처리하였다. 각 선회도 별로 1000장의 화상을 취득하여 앙상블 평균하였다 본 연구에서 난류강도의 정의는 반경 및 축 방향 속도의 섭동 성분의 r.m.S값(Urms Vnns)을 스롯 출구의 속도(Uwg)로 나눈값을 사용하였다. 그리고, 주유동과 주위 유입유동이 접촉하면서 두 유동이 평행하게 되어 정체되는(V=0) 경계영역의 특성을 파악하였다.
S값(Urms Vnns)을 스롯 출구의 속도(Uwg)로 나눈값을 사용하였다. 그리고, 주유동과 주위 유입유동이 접촉하면서 두 유동이 평행하게 되어 정체되는(V=0) 경계영역의 특성을 파악하였다.
Hiett와 Powell은 피토관을 이용하여 가스 터빈 연소 실내의 유동장을 측정하였다(3).또한 Mathur, Maccallum 등도 3차원 구형피토관을 사용하여 3차원 난류유동장을 측정하였으며 강선회류는 연소실 중앙부에 재순환영역을 발생시킴을 확인하였다.(4,5) Lee 둥은 고부하 연소기의 유동장 특성에 관한 연구에서 연소실 팽창각에 따른 유동 특성과 선회도의 증가에 따른 재순환 영역의 축 방향의 속도가 증가하는 것을 관찰하였다.
반경방향 속도장으로부터 구한 데이터를 이용하여 속도가 0인 지점, 즉 주 유동과 유입되는 유동의 경계영역을 산출하였다. 이 유동은 주 유동과 유입되는 유동이 접촉하면서 유입유동의 방향이 주 유동으로 바뀌는 곳으로 주 유동과 유입 공기의 경계영역이다.
5에서는 더욱 하류 반경 지점에서 같아진다. 스롯의 직경(D)을 사용한 상대위치 4지점(y/D=l, 1.5, 2, 2.5) 에서 선회도에 따른 축방향 속도를 계즉하여 음의 속도 값을 갖는 재순환영역의 유동 패턴을 확인하였다. 연소기에 공급되는 연소용 공기는 선회도에 따라 선회운동을 하고, 선회류가 연소기 출구에서 분출됨에 따라 중심축 부근의 저압은 축 방향의 압력 역구배를 형성시키며 축방향 운동에너지가 역방향의 압력구배를 극복하지 못할 때 재순환 영역이 형성된다.
실연소시 2600Kcal/h에 상당하는 유량 48 Q/min을 공급하였고, 선회각(θ)이 0, 20, 40, 60인 4개의 노즐을 사용하여 선회도를 0, 0.26, 0.6, L24로 변형시키면서 전체 유동장의 특성을 파악하였다. 여기서 선회 수(S)는 무차원수로서 분류내의 각 운동량을 노즐 반경과 축방향 운동량을 곱해 나눈값으로 다음의 값으로 정의된다.
2는 연소기의 단면과 PIV화상을 취득하기 위한 측정영역을 나타낸다. 유동장을 관찰하기 위한 연소기는 아크릴로 제작하였으며, 중심으로부터 23mm떨어진 곳에서 한쪽면을 100×100mm 로 계측하였다. 중심을 기준으로 유동이 축 대칭이라는 가정하에 주유동, 재순환 영역, 그리고 경계영역의 유동패턴을 포함한 한쪽면의 화상을 획득하였다.
유동장을 관찰하기 위한 연소기는 아크릴로 제작하였으며, 중심으로부터 23mm떨어진 곳에서 한쪽면을 100×100mm 로 계측하였다. 중심을 기준으로 유동이 축 대칭이라는 가정하에 주유동, 재순환 영역, 그리고 경계영역의 유동패턴을 포함한 한쪽면의 화상을 획득하였다.
즉 실제 속도벡터 간의 간격은 12픽셀이 된다. 후처리는 불량벡터의 제거, 보간, 앙상블의 순서로 처리하였다. 각 선회도 별로 1000장의 화상을 취득하여 앙상블 평균하였다 본 연구에서 난류강도의 정의는 반경 및 축 방향 속도의 섭동 성분의 r.

대상 데이터

3은 베인 형태의 축방향 선회기의 구조를 나타낸다. 버너의 스롯직경은 34mm, 스롯 유도관 길이는 65mm, 곡률 반경은 56mm이다. 버너의 전체적인 형상은 스롯 부분에서 점차적으로 직경이 확대되는 방사형 모양이다.
1은 평면화염 버너의 선회각에 따른 확대 유도관 전면부의 유동장을 측정하기 위한 실험 장치도이다. 유동계측을 위한 PIV 장치는 이중 펄스 발생기(Nd : YAG 레이져)와 화상취득을 위해 1KX1K의 해상도를 가진 CCD카메라(PIVCAM 10-15)를 사용하였다. 레이저와 CCD카메라를 제어하기 위해 구동 드라이브 (Syncronizer, TSI 610032)를 사용하였다.

이론/모형

PIV기법을 이용한 속도벡터의 검출은 2프레임 상호상관 기법을 이용하였다. 두 프레임 사이의 간격은 160㎲로 일정하게 하고, 속도 벡터의 계산을 위한 탐색영역(interrogation window)의 크기는 24 x 24픽셀로 50%의 겹침을 허용하였다.

성능/효과

(1) 선회도에 따른 유선분포에서 선회도가 없는 직진 유동에 비하여 선회도가 증가할수록 반경 방향의 속도 성분의 증가로 주 유동이 버너 벽면에 근접하여 이동하고, 중심과 외부의 압력차이로 인해 유입공기 유동이 버너 중심으로 역류하였다.
(2) 선회도가 클수록 반경 방향 속도는 y/D=l 이하의 벽면 근처에서만 증가하였고, 선회도가 1.24 인 경우에 x/D=l 에서 무차원 속도값 (U/Uavg)이 0.65로 가장 크게 나타났으며, 난류 강도도 이와 유사한 경향을 보였다.
(3) 축 방향 속도 성분은 버너 중심에서 속도 성분을 가지는 Toroidal 형태를 취하며 선회도의 증 가에 따라 축 방향 무차원 속도 값(V/Uavg)은 증가하나 난류강도는 버너 벽면에서 멀어질수록 버너 중심에서 최대값을 갖는다.
(4) 주 유동과 유입공기 유동의 경계영역은 선회도의 증가에 따라 버너 벽면에 근접하고, 또한 그 겅계영역의 면적이 감소하는 경향을 보인다.
6은 버너의 축 방향 네 지점에서의 축 방향 속도성분(V/Uavg)을 나타낸 것이다. (a)는 y/D=l인 지점으로 선회유동의 영향으로 버너 축 방향의 양의 속도는 없으며, 선회도가 높을 수록 버너 중심을 향하는 음의 속도 성분이 더욱 크게 나타나고, 특히 선회도가 1.24인 경우에는 축 방향 최대 속도는 -0.4까지도 나타났다. 이것은 선회도의 증가로 버너의 중심부에 부압이 형성되고, 이로 인해 음의 속도가 증가하여 외부 유입 공기에 의한 재순환 영역이 형성되는 것이다.
Pxyms는 방향에 관계없이 전체 난류강도를 나타낸 것으로 선회도의 증가에 따라 유도관 중심부에서의 Pxgms 값이 높게 나타나고, 넓게 분포하는 경향을 나타내었다. 이것은 Fig.

참고문헌 (14)

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상세보기
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상세보기
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상세보기
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Yang, W. J., 1989, Handbook of Flow Visualization, Hemisphere Pub. Co.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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