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문제 정의
- 또한 이 속도는 화염을 안정화 시키는 주요 원인의 상실을 의미하며 이는 곧 화염날림이 발생하는 조건에 해당한다. 따라서 Fig. 4 에서 보인 농도구배에 따른 화염 날림이 발생하는 평균속도 값 자체가 삼지화염의 전파속도와 비교될 수 있으므로 이에 대해 좀더 살펴보자. 결국 Fig.
- 본 연구에서는 기존의 삼지화염 연구에 비해 농도구배가 상대적으로 매우 작은 범위에서 안정적인 부상화염을 형성시킬 수 있는 연소기의 형태를 제안하고 해당 농도범위에서의 화염 부상 특성을 메탄과 프로판에 대해 실험하여 낮은 농도구배 영역에서의 화염전파 특성에 관한 실험결과를 제시하고자 한다.
- 만들었다. 이 연구에서는 각각의 예혼합기 당량비를 바꾸어 농도 구배를 조절하였고, 각 슬롯의 유속을 변화시키면서 삼지화염의 응답을 연구하였다. 그러나, 실험적 조건의 한계로 안정한 부상 화염을 얻지 못하고, 세라믹 허니 콤(honeycomb)에 부착된 삼지 화염의 특성을 주로 관찰하였으며 이에 대한 수치 계산의 결과가 실험에서 관찰된 삼지화염의 형상, 온도, 그리고 화학 조성과 유사함을 보였다.
제안 방법
- 각 슬롯으로 유입되는 공기와 연료의 유량은 각각 미세관을 지나는 유동 양단의 압력차를 마노미터와 미세조절 벨브를 이용해 조절하였으며 각각의 유량은 포말유량계를 이용하여 검정하였다. 실험에 사용된 연료는 메탄(99.
- 농도구배 제어를 위해 14개의 슬롯 중 10 개를 사용하고 가장자리 각각 2개의 슬롯에는 질소를 유입 시켰으며 Z 방향으로는 별도의 이 중 수축노즐을 설치하여 질소를 흘려주게 된다. 각각의 슬롯으로 공급되는 유량을 수축노즐의 면적비를 고려하여 일정하게 유지함으로써 평균 속도를 조절하였다.
- 그 결과 기존의 삼지화염 실험의 문제점을 제안하였고 농도구배와 평균유속 변화에 따른 삼지화염의 부상과 화염전파에 대해 다음과 같은 특성을 파악할 수 있었다. 1) 일정한 평균 유속에 대해 농도구배가 증가할 때 화염의 부상 높이는 삼지 점이 최 저점에 이를 때까지 감소하다가 이후에는 증가한다.
- 농도 구배가 삼지 화염의 부상 특성에 미치는 영향을 실험하기 위해 농도구배의 능동적 제어가 요구되어 다중 슬롯과 수축노즐로 구성된 버너를 제작하였으며 Fig. 1은 실험장치의 기본적인 구조를 보여주고 있다. 버너는 슬롯부, 허니컴, 수축 노즐로 이루어져 있다.
- 더불어 이처럼 낮은 농도구배에서 화염 구조에 변화가 발생할 가능성에 대한 확인을 위하여 삼지 화염 내의 온도 분포를 직경 15 ㎛ SiC 필라멘트를 이용하여 측정하였는데, 이러한 방법은 고온 영역에서 높은 온도 정밀도를 가지고 있다.(18) 이 때 온도 보정을 위해서 온도분포를 알고 있는 평면 화염과 분젠화염을 이용하여 1700-2100K 범위에서 측정하였으며 이를 이용해 5 차 근사식을 구하여 사용하였다.
- 두 경우 모두 이론당량비에 해당하는 지점에서의 질량분율의 기울기 값을 구하여 농도구배로 사용하였다. 슬롯 출구에서의 동일한 농도에 대해 평균유속과 노즐로부터 거리가 변할 때 실제 농도구배의 변화를 추가실험을 통해 평가하였다. 평균유속이 10% 증가할 때 노즐 출구에서의 농도구배는 약 3% 증가하였으며, 노즐로부터 거리 증가는 20mm 높이 차이에 대해 ±0.
- 예혼합기의 평균유속과 농도구배를 독립적으로 제어할 수 있는 다중 슬롯 연소기를 제작하여 지금까지 실험결과가 부족했던 낮은 농도구배 영역에서 안정적인 부상화염을 생성하였으며 메탄과 프로판 화염의 부상 높이와 화염내 온도 등을 측정하였다. 그 결과 기존의 삼지화염 실험의 문제점을 제안하였고 농도구배와 평균유속 변화에 따른 삼지화염의 부상과 화염전파에 대해 다음과 같은 특성을 파악할 수 있었다.
- 이 같은 조건에서 실제 노즐 출구에서의 농도구배를 구하기 위해 메탄의 경우 질량스펙트럼분석기 (Mass Spectroscopy: HI DEN HPR20) 를 사용하여 질량분율의 공간 분포를 구했으며 프로판의 경우 ND-Yag 레이저(500mJ)와 고감도 CCD(Intensified CCD: PIMAX 512x512)를 이용한 Rayleigh 산란 신호로 질량분율의 공간분포를 구한 결과가 Fig. 3 이다. 두 경우 모두 이론당량비에 해당하는 지점에서의 질량분율의 기울기 값을 구하여 농도구배로 사용하였다.
- 6 이다. 화염의 부상높이는 노즐 줄구에서 예혼합화염과 확산 화염 이 만나는 삼지점(triple point)까지 의 수직 거리로 정의되는데, 실험에서는 노즐 출구와 예혼합 화염의 최저지점 사이의 거리를 카세토미터 (cathetometer)< 이용하여 측정하였으며 진동하는 화염에 대해서는 평균 부상높이를 나타내었는데 화염 부상 특성에 대해 차례로 논하기로 하자.
대상 데이터
- 본 연구에서는 화염의 중심을 지나는 유동방향속도( Vc)를 LDV(Laser Doppler Velocimetry)로 측정하였으며 0.5 ㎛의 산화알루미늄(Al2O3) 입자를 사용하였다. 삼지화염은 예혼합화염면을 따라 연소 속도가 변하므로 곡률을 가지게 되고 화염 상류의 유동재편(flow redirection)이 발생하는데, Fig.
- 실험 변수로는 노즐 출구에서의 유량을 노즐 단면으로 나눈 평균유속(Vm)과 노즐 출구에서의 농도구배(#)가 사용되었다. 농도구배 제어를 위해 14개의 슬롯 중 10 개를 사용하고 가장자리 각각 2개의 슬롯에는 질소를 유입 시켰으며 Z 방향으로는 별도의 이 중 수축노즐을 설치하여 질소를 흘려주게 된다.
- 실험에 사용된 연료는 메탄(99.95%)과 프로판(98%)이며 유동 교란과 외부 산화제 유입을 막기 위해 질소를 사용하였다.
성능/효과
- 그 결과 기존의 삼지화염 실험의 문제점을 제안하였고 농도구배와 평균유속 변화에 따른 삼지화염의 부상과 화염전파에 대해 다음과 같은 특성을 파악할 수 있었다. 1) 일정한 평균 유속에 대해 농도구배가 증가할 때 화염의 부상 높이는 삼지 점이 최 저점에 이를 때까지 감소하다가 이후에는 증가한다. 2) 메탄화염 의 경우 프로판 화염 에비해 안정화 조건에서 부상높이가 상대적으로 매우 작다.
- 1) 일정한 평균유속에 대해 농도구배가 증가할 때 화염의 부상높이를 나타낸 곡선은 U 자 형태를 가진다. 즉, 삼지점 이 최 저점에 이를 때까지 감소하다가 이후에는 증가한다.
- 2) 메탄화염의 경우 프로판 화염에 비해 안정화 조건에서 부상높이가 상대적으로 매우 작다. → 메탄 화염의 경우 부상높이가 25mm 정도를 넘으면 화염 날림이 발생하였으며, 프로판의 경우 80mm 이상까지도 화염이 안정화 될 수 있었는데, 그 원인은 두 가지로 생각할 수 있다.
- 2) 메탄화염의 경우 프로판 화염에 비해 안정화 조건에서 부상높이가 상대적으로 매우 작다. → 메탄 화염의 경우 부상높이가 25mm 정도를 넘으면 화염 날림이 발생하였으며, 프로판의 경우 80mm 이상까지도 화염이 안정화 될 수 있었는데, 그 원인은 두 가지로 생각할 수 있다.
- 2) 메탄화염 의 경우 프로판 화염 에비해 안정화 조건에서 부상높이가 상대적으로 매우 작다. 3) 화염 안정화의 농도구배 범위는 평균 속도의 증가에 따라 좁아진다. 4) 부상높이가 최소가 되는 지점도 평균 속도의 증가에 따라 낮은 농도구배의 영역으로 옮겨간다.
- 3) 화염 안정화의 농도구배 범위는 평균속도의 증가에 따라 좁아진다 → 평균유속이 일정 크기만큼씩 증가함에 따라 화염이 안정화되는 부상 높이가 더 큰 간격으로 증가하므로 평균유속이 클 때의 화염은 낮은 평균유속에 비해 축방향 유속구배가 보다 작은 영역, 즉 유동 안정성이 상대적으로 낮은 영역에 존재하게 된다. 따라서 농도구배, 속도교란, 혹은 화염 형상의 교란으로 인한 삼지 화염 전파속도에 발생하는 작은 변화가 화염 날림을 보다 쉽게 일으키므로 화염이 안정화 되는 농도구배의 구간이 좁아지게 된다.
- 3) 화염 안정화의 농도구배 범위는 평균 속도의 증가에 따라 좁아진다. 4) 부상높이가 최소가 되는 지점도 평균 속도의 증가에 따라 낮은 농도구배의 영역으로 옮겨간다.
- 4) 부상높이가 최소가 되는 지점도 평균 유속의 증가에 따라 보다 낮은 농도구배의 영역으로 옮겨가고 있음을 알 수 있다.→ 평균 유속이 비교적 작아서 노즐 근처에 화염이 존재할 때는 화염의 형상이 노즐의 경계조건에 의해 변화하게 된다.
- 따라서 부상 높이 측정의 결과보다 화염이 상류쪽에 위치하게 되고 화염 근처에서의 예리한 속도 변화를 측정할 수는 없었다. 그러나 화염 하류와 상류에서 온도 변화의 비를 이후에 설명할 SiC 필라멘트를 이용하여 측정한 결과 약 7.3(~2140K/293K) 이었으므로 화염하류에서의 속도 측정값(~300cm/s)에 근거하여 화염 직전의 속도를 예상해보면 (300/7.3~41cm/s) 연소속도보다 조금 작은 값을 가짐을 알 수 있어서 실제 속도 분포는 그림의 실선과 같이 될 것을 예상할 수 있다. 또한 15mm 정도의 부상 높이에서도 노즐 줄구에서의 속도 (~130cm/s)는 거의 일정하고 평균유속과 큰 차이가 없음을 알 수 있는데, Fig.
- 이 연구에서는 각각의 예혼합기 당량비를 바꾸어 농도 구배를 조절하였고, 각 슬롯의 유속을 변화시키면서 삼지화염의 응답을 연구하였다. 그러나, 실험적 조건의 한계로 안정한 부상 화염을 얻지 못하고, 세라믹 허니 콤(honeycomb)에 부착된 삼지 화염의 특성을 주로 관찰하였으며 이에 대한 수치 계산의 결과가 실험에서 관찰된 삼지화염의 형상, 온도, 그리고 화학 조성과 유사함을 보였다.
- 예상한 값과 일치함을 알 수 있다. 노즐 중앙 균일유속 부분의 실제 속도가 평균유속에 비해 15% 정도 큰 것을 고려한다면 농도구배가 없을 때의 실제 실험 결과도 이론 값에 근접할 수 있는데, 평균유속과 균일유속 부분의 실제 속도 중에서 어떤 값이 보다 적절한 기준이 될 것인가는 명확하지 않다. 그러나 한편으로 이 같은 연장선으로 예측한 화염날림 속도와 실제 화염날림 속도의 차이는 결국 화염 가장자리의 존재가 화염 전파 속도를 변화시키는데 차지하는 비중을 의미한다고 볼 수 있다.
- 첫째, 프로판 화염의 가연 농도 범위가 메탄에 비해 넓어서 화염으로 인한 유속변동이 더 크기 때문이다. 둘째, 삼중점을 중심으로 대칭적으로 존재하는 화염의 평균 루이스수(Le=a/D)를 비교할 때 프로판의 경우가 더 근 값을 가지게 되므로 유동에 발생하는 교란에 대해 보다 안정적인 화염이 존재하게 된다.(Table 1)
- 둘째는 확산화염의 강도 변화가 전체 화염의 전파 속도에 영향을 미칠 수 있다는 점이다. 농도구배의 증가는 확산화염 반응의 전체 예혼합화염 반응에 대한 비를 증가시키는데 화염의 곡률이 충분히 작아서 삼중점 근처의 예혼합화염 반응의 변화가 작으면 삼중점 근처 확산화염의 반응 증가에 의한 화염 하류쪽의 부피 변화가 작게나마 삼지 화염의 전파속도를 증가시킬 것으로 예상된다.
- 3~41cm/s) 연소속도보다 조금 작은 값을 가짐을 알 수 있어서 실제 속도 분포는 그림의 실선과 같이 될 것을 예상할 수 있다. 또한 15mm 정도의 부상 높이에서도 노즐 줄구에서의 속도 (~130cm/s)는 거의 일정하고 평균유속과 큰 차이가 없음을 알 수 있는데, Fig. 2 에서 볼 수 있듯이 노즐 중앙의 균일 유속부분이 평균유속보다 15% 정도 크다는 점을 감안하면 화염이 있을 때 노즐에서의 속도는 실제 속도보다 6% 정도 작은 값임을 알 수 있다.
- 타당하다. 메탄 화염의 경우 평균유속 90-102.5 cm/s 범위에서, 프로판 화염의 경우 100~127.5 cm/s 범위에서 화염을 안정화 시킬 수 있었다. 이론 당량비에서 메탄과 프로판의 연소속도는 대략 40 cm/s 와 44 cm/s 이다(Table 1).
- 4 의 화염 날림 조건은 농도구배 변화에 대해 화염전파 속도에 최고 값이 존재함을 보이고 있다. 메탄의 경우#>0.005 일 때 기존의 삼지화염 의 연구 결과와 마찬가지로 농도 구배에 따라 화염날림이 발생하는 속도가 감소하는 것을 알 수 있으며, 이 값의 연장선으로부터 농도구배가 없을 때 화염 날림이 발생하는 속도를 예측해 보면 110 cm/s 정도임을 알 수 있다. 그런데 이는 실제 농도구배가 0 인 조건에서의 화염날림 조건인 93 cm/s 보다 조금 큰 값이다.
- 본 실험장치는 비반응 유동장의 축방향 속도 감소가 2% 미만으로 매우 작고 화염 이 비반응 유 동장의 균일속도부 내에 위치하므로 두번째 기구를 화염 안정화의 주 원인으로 보는 것이 타당하다. 메탄 화염의 경우 평균유속 90-102.
- 본 연구에서의 비반응 유동장은 축방향으로 동일하였으며 화염 안정화 기구가 화염으로 인한 상류 속도에 의해 지배되므로 화염의 부상높이가 충분히 크다면 화염으로부터 상류쪽으로 멀리 떨어진 노즐에서의 유속은 거의 일정한 값이 될 것이며 노즐의 줄구 속도는 앞서 정의된 삼지 화염의 전파 속도와 유사한 값을 가지게 됨을 알 수 있다. 또한 이 속도는 화염을 안정화 시키는 주요 원인의 상실을 의미하며 이는 곧 화염날림이 발생하는 조건에 해당한다.
- 수평으로 설치한 덕트 상부에 흐르는 메탄의 유량을 증가시키면 자연스럽게 농도 구배가 증가하고 그 결과 화염전파속도가 감소함을 보였다. 농도구배에 따른 화염전파속도의 존재는 확산화염의 부상 높이와 난류 화염전파를 연구하는데 있어 중요한 의미를 가지게 되었으며 그러한 이유로 삼지화염이 비중 있게 다루어지게 되었다.
- 이상과 같은 많은 연구의 결과 삼지화염의 전파 속도가 이론당량비인 층류 예혼합 화염의 연소 속도보다 큰 값을 가지는 것을 알 수 있었으며, 특히 삼지화염 전파속도는 예혼합화염 하류의 밀도 변화가 유발하는 화염 상류쪽의 유동 변화로 설명되었고 그 값은 농도 구배의 증가에 따라 감소하는 것으로 알려져 있다. 그러나 지금까지의 삼지 화염에 관한 연구는 대부분 농도 구배가 큰 범위에서 확산화염이 활발히 존재하는 경우에 대해 다루어 진데 반해 낮은 농도 구배에서 화염의 특성을 실험적으로 연구한 결과는 거의 없었다.
- 지금까지의 결과로부터 화염날림이 발생하는 속도를 근거로 농도구배 변화에 따른 삼지화염의 전파 속도를 논하는 것이 타당함을 알 수 있으며 삼지 화염의 전파속도를 구하기 위해서는 전체 가연 범위에 대해 선형적인 농도구배를 가지는 화염을 독립적으로 형성시켜야 함을 예상할 수 있다. 더불어 이처럼 낮은 농도구배에서 화염 구조에 변화가 발생할 가능성에 대한 확인을 위하여 삼지 화염 내의 온도 분포를 직경 15 ㎛ SiC 필라멘트를 이용하여 측정하였는데, 이러한 방법은 고온 영역에서 높은 온도 정밀도를 가지고 있다.
- → 메탄 화염의 경우 부상높이가 25mm 정도를 넘으면 화염 날림이 발생하였으며, 프로판의 경우 80mm 이상까지도 화염이 안정화 될 수 있었는데, 그 원인은 두 가지로 생각할 수 있다. 첫째, 프로판 화염의 가연 농도 범위가 메탄에 비해 넓어서 화염으로 인한 유속변동이 더 크기 때문이다. 둘째, 삼중점을 중심으로 대칭적으로 존재하는 화염의 평균 루이스수(Le=a/D)를 비교할 때 프로판의 경우가 더 근 값을 가지게 되므로 유동에 발생하는 교란에 대해 보다 안정적인 화염이 존재하게 된다.
- 슬롯 출구에서의 동일한 농도에 대해 평균유속과 노즐로부터 거리가 변할 때 실제 농도구배의 변화를 추가실험을 통해 평가하였다. 평균유속이 10% 증가할 때 노즐 출구에서의 농도구배는 약 3% 증가하였으며, 노즐로부터 거리 증가는 20mm 높이 차이에 대해 ±0.8% 이내에서 농도구배의 변화를 보였다. 이러한 변화는 유량 및 당량비 조절의 실험오차범위(2%)에 포함되므로 이후 농도구배는 유량이나 화염 높이에 무관하게 노즐 출구에서의 농도구배를 사용하기로 한다.
- 2 이다. 화염 선단이 주로 위치하게 되는 하류 x= 100mm 지점까지 영역에서 유속 측정 결과 균일 유동(potential core)이 충분히 유지되고 축방향 속도 감소는 초기속도의 2% 미만으로 매우 작음을 알 수 있었다. (z 방향 질소 유입이 없는 경우의 측정결과임.
후속연구
- 또한 온도 측정 결과는 이러한 결과가 예혼합 화염에서 전형적인 삼지화염으로의 천이 과정일 가능성을 보여주고 있으며 농도구배에 따른 화염 전파속도의 변화를 기준으로 예혼합 화염과 삼지화염을 구분할 필요가 있다고 제안한다. 또한 지금까지의 결과는 큰 스케일의 연소기의 안정화 기구를 이해하는 데 중요한 자료가 될 것으로 판단된다.
- 또한 온도 측정 결과는 이러한 결과가 예혼합 화염에서 전형적인 삼지화염으로의 천이 과정일 가능성을 보여주고 있으며 농도구배에 따른 화염 전파속도의 변화를 기준으로 예혼합 화염과 삼지화염을 구분할 필요가 있다고 제안한다. 또한 지금까지의 결과는 큰 스케일의 연소기의 안정화 기구를 이해하는 데 중요한 자료가 될 것으로 판단된다.
- 그런데 특이하게도 그의 결과는 기타 연구자의 결과와 상반되 게 농도구배의 증가가 화염전파 속도를 조금 증가시키는 것을 보이고 있다. 비록 연료의 희석이 화염의 구조를 변화시키므로 직접 적으로 타 연구자들의 결과와 비교될 수는 없지만 매우 낮은 농도 구배에서 화염의 전파속도에 대한 보다 엄밀한 실험의 필요가 있다고 판단된다.
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