[논문]스월이 있는 3차원 모델 연소기 내의 연소특성

김만영

doi:10.3795/ksme-b.2003.27.1.095

스월이 있는 3차원 모델 연소기 내의 연소특성
Prediction of Combustion Characteristics in a 3D Model Combustor with Swirling Flow 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.27 no.1 = no.208, 2003년, pp.95 - 104

김만영 (현대자동차 승용디젤엔진시험팀)

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this work is to investigate the turbulent reacting flow in a three dimensional combustor with emphasis on thermal NO emission through a numerical simulation. Flow field is analyzed using the SIMPLE method which is known as stable as well as accurate in the combustion modeling, and the finite volume method is adopted in solving the radiative transfer equation. In this work, the thermal characteristics and NO emission in a three dimensional combustor by changing parameters such as equivalence ratio and inlet swirl angle have investigated. As the equivalence ratio increases, which means that more fuel is supplied due to a larger inlet fuel velocity, the flame temperature increases and the location of maximum temperature and thermal NO has moved towards downstream. In the mean while, the existence of inlet swirl velocity makes the fuel and combustion air more completely mixed and burnt in short distance. Therefore, the locations of the maximum reaction rate, temperature and thermal NO were shifted to forward direction compared with the case of no swirl.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 복사열전달을 고려한 3차원 연소기 내의 화학반응 난류 유동장 해석을 통하여 연소기 내부의 열유동 특성 및 질소산화물의 생성을 살펴보았다. 입구의 당량비에 따라 내부의 열 유동 특성이 변하였으며 특히 당량비가 증가함에 따라 연료측의 속도가 증가하기 때문에 화염의 최고 온도가 점점 높아지며 그 위치 또한 출구 쪽으로 이동하였으며, 질소 산화물의 발생량도 증가하였다.
본 연구의 목적은 3차원 연소기 내의 반응 유동장의 수치해석을 수행하여 연소기 내부의 열유동 특성을 살펴보고, 이를 통한 질소산화물의 분포를 해석하여 환경오염 물질의 생성 및 그의 저감 대책에 대한 기초자료를 제공하는 것이다. 이를 위하여, 기존의 3차원 화학반응 난류 유동장해석 프로그램 및 복사열전달 해석 프로그램을 결합하여 반응유동장 해석을 수행하였고, 후처리 과정으로서 thermal NOx의 생성기구를 도입하여 질소산화물의 분포를 고찰하였다.
아래에서는 입구에서의 당량비와 스월 각도를 변화시켰을 때의 3차원 연소기 내의 연소 특성 및 질소산화물 배출특성을 살펴보기로 한다.

가설 설정

있다. 따라서 본 연구에서는 대부분의 다른 연구에서 도입하고 있는 것처럼 확률밀도함수를 beta 함수 형태의 확률밀도함수(beta pdf) Bpdf로 가정하였으며, 또한 이 확률밀도함수는 다른 변수보다 온도에 특히 민감한 것으로 가정하였다.(7) 즉,

제안 방법

한편, 본 연구에서 고려하고 있는 연료는 기체 상태의 CH4 이므로 연소생성물은 순수 기체 상태의 CO2와 H2O 이며, 연소 생성물 중에 입자가 포함되어 있지 않기 때문에 산란은 무시하였다 (즉,σs = 0). 또한 흡수계수는 복사에너지의 파장에 따라 심하게 변하는 비회체 특성을 가지고 있지만, 이를 고려할 경우 많은 계산시간이 소요되므로 본 연구에서는 연료 및 연소생성물에 의한 흡수계수를 다음과 같이 파장에 따라 변하지 않는 회체가스로 고려하였다.(11) 즉,
이 중에서 thermal NOx는 주로 연소용 공기중에 함유된 질소의 산화에 의하여 생성되며, prompt NOx는 화염 영역 근처에서 일어나는 빠른 속도의 화학반응에 의하여 생성되며, 마지막으로 fuel NOx는 주로 연료 중에 함유되어 있는 질소의 산화에 의하여 일어난다. 본 연구에서 다루고 있는 연료인 CHq에는질소 성분이 없으므로 여기에서는 이러한 세 가지 모델 중 특히 온도에 민감하다고 알려져 있는 thermal NOx 메카니즘만을 고려하기로 한다.
이를 위하여, 기존의 3차원 화학반응 난류 유동장해석 프로그램 및 복사열전달 해석 프로그램을 결합하여 반응유동장 해석을 수행하였고, 후처리 과정으로서 thermal NOx의 생성기구를 도입하여 질소산화물의 분포를 고찰하였다. 이러한 연구는 3차원 연소기 내의 연소 및 배출 특성에 대한 기초연구가 될 뿐만 아니라, 본 연구에 사용된 방법론 및 개발된 프로그램은 최근들어 관심이 높아지고 있는 환경오염물질의 생성 및 그의 저감 대책의 제시에 있어서도 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.
복사강도를 나타낸다. 이와 함께, 입구는 각각 연료 및 공기의 온도를 갖는 흑체 벽면으로 처리하고 출구는 300K의 온도로 유지되는 흑체 벽면으로 처리하였다. 본 연구에서 사용된 벽면의 방사율은 εw=0.
한편, 입구에서 들어오는 연료 및 연소용 공기의 온도는 각각 300K와 600K이며 공기의 축 방향 속도는 15m/s로 고정하였으며 연료의 속도는 입구에서의 당량비 λ 에 따라 다음과 같이 변화하도록 하였다.
한편, 출구에서의 축방향 속도는 전체적인 질량 유량을 만족하도록 보정하였으며 이 외의 다른 모든 변수는 외삽하였고, 벽면에서의 속도는 점착 조건 및 벽법칙으로 처리하였으며,(16) 엔탈피는 단열조건을 사용하였다. 한편, 복사전달 방정식의 해석을 위하여 벽면 경계조건이 필요하며, 벽면 방사율 5w인 확산적으로 방사 및 반사하는 벽면에서의 복사강도는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

이론/모형

생 성열을 나타낸다. 이와 함께, 반응률, Rfu은 Magnussen과 Hjertager(9)가 제안한 eddy dissipation 연소 모델을 사용하였으며, 그 표현 식은 다음과 같다.
전술한 지배방정식은 SIMPLE 알고리즘에 기초한 CMJ3D 코드(15)를 이용하여 해석하였으며, 복사열전달의 경우 유한체적법(16)的을 적용하였고, 격자계는 해의 정확도 및 계산시간을 고려하여, ( Nx × Ny × N2) = (37×21×21) 시스템을 사용하였다.

성능/효과

(1,2) 최근 십수 년간의 실험적 또는 이론적인 연구에 의하면, 질소산화물은 thermal, prompt 및 fuel NOx의 세가지 생성기구가 있는 것으로 알려져 있다.(2) Thermal NOx는 질소를 포함하지 않는 연료를 연소시킬 때 연소용 공기 중의 산소가 분리, 산화하여 생성되는 것으로서 주로 고온의 연소가스가 존재하는 화염의 후류 영역에서 생성되고, prompt NOx 는 주로 화염면 및 그 근방에서 생성되는 것으로서 탄화수소계의 연료의 연소시에 발생한다. 한편 fuel NOx는 연료내에 화학적으로 결합되어 있는 질소 성분이 연소과정에서 산화되어 생성되는 것으로서 화석연료의 연소시에 특히 중요하다.
4는 각각 x=x0/2인 단면에서의 물리량들의 값을 보여주고 있다. 비록 본 논문에 도시하지는 않았지만 이들을 출구단면에서의 값들과 비교해보면, 우선 난류량들의 경우 아직 완전 발달하지 않은 x=xa/2 단면의 경우 중심부보다 전단 층이 있는 중심 근처의 영역에서 높은 값을 나타내며 따라서 아직 완전한 혼합이 일어나지 않았음을 알 수 있다. 연료의 반응률은 난류량이 큰 부근에서 최고값을 나타내고 있으며 이 부근에서 최고 온도가 형성되고 있다.
살펴보았다. 입구의 당량비에 따라 내부의 열 유동 특성이 변하였으며 특히 당량비가 증가함에 따라 연료측의 속도가 증가하기 때문에 화염의 최고 온도가 점점 높아지며 그 위치 또한 출구 쪽으로 이동하였으며, 질소 산화물의 발생량도 증가하였다. 질소 산화물의 생성항은 화염의 최고 온도 뒤쪽에서 최고값을 나타낸다.

후속연구

여기에서 P는 확률밀도함수로서, 정확한 해석을 위해서는 확률밀도함수의 전달 방정식을 해석하여 P를 구해야 하지만, 그러한 접근 방법은 엄청난 계산시간을 요구하고, 더구나 본 연구와 같은 3차원 해석에 적용시키기에는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 대부분의 다른 연구에서 도입하고 있는 것처럼 확률밀도함수를 beta 함수 형태의 확률밀도함수(beta pdf) Bpdf로 가정하였으며, 또한 이 확률밀도함수는 다른 변수보다 온도에 특히 민감한 것으로 가정하였다.
이를 위하여, 기존의 3차원 화학반응 난류 유동장해석 프로그램 및 복사열전달 해석 프로그램을 결합하여 반응유동장 해석을 수행하였고, 후처리 과정으로서 thermal NOx의 생성기구를 도입하여 질소산화물의 분포를 고찰하였다. 이러한 연구는 3차원 연소기 내의 연소 및 배출 특성에 대한 기초연구가 될 뿐만 아니라, 본 연구에 사용된 방법론 및 개발된 프로그램은 최근들어 관심이 높아지고 있는 환경오염물질의 생성 및 그의 저감 대책의 제시에 있어서도 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.
입구의 스월 속도가 존재하면 보다 많은 혼합이 이루어지기 때문에 반응 위치가 앞으로 이동하며 이로 인하여 화염의 최고 온도 및 질소산화물의 발생도 이동한다. 향후 비회체 영향을 고려한 실제 가스 효과에 의한 반응유동장 및 NO의 생성에 관한 추가연구가 요구된다.

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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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