[논문]탄화수소 연료 액적의 연소 특성에 관한 수치해석

이봉수; 이경재; 김종현; 구자예

doi:10.3795/ksme-b.2003.27.11.1595

탄화수소 연료 액적의 연소 특성에 관한 수치해석
A Numerical Study of Combustion Characteristics of Hydrocarbon Fuel Droplet 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.27 no.11 = no.218, 2003년, pp.1595 - 1603

이봉수 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과) , 이경재 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과) , 김종현 (경원전문대학 자동차학과) , 구자예 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Droplet combustion at high ambient pressures is studied numerically by formulating one dimensional combustion model in the mixture of n-heptane fuel and air. The ambient pressure is supercritical conditions. The modified Soave-Redlich-Kwong state equation is used in the evaluation of thermophysical properties to account for the real gas effect on fluid p-v-T properties in high pressure conditions. Non-ideal thermodynamic and transport property at near critical and supercritical conditions are also considered. Several parametric studies are performed by changing ambient pressure and initial droplet diameter. Droplet lifetime decreased with increasing pressure. Surface temperature increased with increasing pressure. Ignition time increased with increasing initial droplet diameter. Temporal or spatial distribution of mass fraction, mass diffusivity, Lewis number, thermal conductivity, and specific heat were presented.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 이에 대한 데이터가 부족한 실정이다. 본 연구에서는 초임계 상태에서의 상의 경계를 임계 온도 지점으로 하여서 초임계 상태를 해석하였다. 그리고 아임계 및 초임계 상태에서 액적 표면 온도의 변화 및 액적수명에대해서 연구하였고, 초임계 상태에서 여러 물성치들의 유동장에서의 시간에 따른 변화를 연구하였다.

가설 설정

해석한다. b) 일정 압력 - 압력은 전 계산영역에서 일정하다. 따라서 모멘텀식을 풀 필요가 없으며 동시에 전체 에너지 계산에는 유동의 작은 속도 때문에 단순히 내부에너지와 같다고 할 수 있다.
따라서 모멘텀식을 풀 필요가 없으며 동시에 전체 에너지 계산에는 유동의 작은 속도 때문에 단순히 내부에너지와 같다고 할 수 있다. c) 복사와 점성 소산은 무시한다. d) 중력은 없다.
연소 메카니즘은 1단 비가역 화학식 (Asingle-step irreversible chemical scheme)을 적용하였다.⑼ 연료는 공기와 이론반응 한다고 가정하였다.
계산에 사용된 탄화수소 연료액적은 n-heptane 이고 주위 공기는 산소(21%)와 질소(79%)의 혼합기로 가정하였다. 계산은 액적의 초기 온도를 300K로 하고 주위 온도는 1000K를 조건으로 하여 계산하였다.
유동장에서 주위 가스는 연료 액적의 질량전달이 이루어지는 반경방향을 제외하고 정지상태라 가정한다. 다음은 계산을 위해 기본적으로 설정한 가정이다.

제안 방법

(1) 주위 압력 및 직경의 크기를 변화시켜 가면서 액적 수명과, 표면온도의 변화 등을 관찰하였다. 주위 압력이 높을수록 연료액적의 수명은 감소하였고, 표면 온도는 증가하였다.
(2) 주위 온도를 1000K, 압력을 5MPa로 하여, 초임계 상태에 대한 여러 물성치들의 반경 방향발달을 시간에 대해 나타내었다. 액상/기상간의경계면에서는 상변화에 많은 에너지가 사용되므로 상경계면에서는 상대적으로 열 전도율, 루이스 수, 비열이 급격히 감소하였다.
가정하였다. 계산은 액적의 초기 온도를 300K로 하고 주위 온도는 1000K를 조건으로 하여 계산하였다. 액적의 직경이 초기 직경의 10% 일 때를 멈춤 조건으로 하였다.
구형대칭을 가정하였으므로 1차원으로 격자를 생성하고, 액상인 연료와 기상인 액체를 구분하여 계산을 한다. 경계면을 중심으로 액상과 기상으로 나누어 각각 초기에 설정한 수만큼의 격자를 생성한다.
본 연구에서는 초임계 상태에서의 상의 경계를 임계 온도 지점으로 하여서 초임계 상태를 해석하였다. 그리고 아임계 및 초임계 상태에서 액적 표면 온도의 변화 및 액적수명에대해서 연구하였고, 초임계 상태에서 여러 물성치들의 유동장에서의 시간에 따른 변화를 연구하였다.
수치적 계산에서는 기체 온도의 시간에 대한 변곡점이나, 혹은 기상에서 한 점이 주위의 온도보다 높아지는 때를 점화가 시작되었다고 간주 할 수 있다. 본 논문에서는 기체상의 한 점이 주위의 온도보다 높아졌을 때, 점화가 시작되었다고 간주하고 이때부터 액상과 기상 경계면의 온도가 급격히 상승하게 된다.
임계상태가 되면, 액상-기상의 구분이 모호하게 되고 하나의 단일 상이되나, 이에 대한 data의 부족으로 임계물성치에 대한 정확한 수치해석이 어려운 실정이다. 본 연구에서는 증발열이 0이고, 액상, 기상의 조성이 같아질 때, 초임계상태가 발생한 것이라 하고, 경계면에서의 온도를 임계온도로 설정한 후에 새로 계산된 임계온도를 기준으로 물성치를 계산하였다. 액상과 기상을 구분하여 계산하는 확산계수의 계산을 위해 새로운 임계온도를 기준으로 상의 경계를 구분하여서 초임계 상태에 대한 계산을 수행하였다.
경계면을 중심으로 액상과 기상으로 나누어 각각 초기에 설정한 수만큼의 격자를 생성한다. 상변화가 급격히 일어나는 액적 표면에서 격자밀도를 조밀하게 생성하고 시간에 따라 액적반경이 작아지므로 기화 과정의 전 계산영역에서 액적표면은 기화와 함께 이동하도록 격자를 구성하였다.
아임계 및 초임계 상태에서 1단 총괄 연소반응을 사용하여 n-heptane 연료액적의 연소에 관한 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 증발열이 0이고, 액상, 기상의 조성이 같아질 때, 초임계상태가 발생한 것이라 하고, 경계면에서의 온도를 임계온도로 설정한 후에 새로 계산된 임계온도를 기준으로 물성치를 계산하였다. 액상과 기상을 구분하여 계산하는 확산계수의 계산을 위해 새로운 임계온도를 기준으로 상의 경계를 구분하여서 초임계 상태에 대한 계산을 수행하였다.
점성 및 열전도도 그리고 확산계수를 계산하는 데는 아임계압력에서의 각 화학종들의 계수의 값을 구한 후에 혼합기에 대한 값을 계산하고 초임계압력에서는 고압 효과를 고려하여 수정하는 방법으로 계산을 한다. 점성과 열전도도를 구하기 위해 NIST 에서 개발한 SUPERTARPP ⑺ 코드를 사용하였다.
이 코드는 온도와 압력효과 모두를 고려하였다. 확산계수의 경우에는 기상과 액상을 구분하여 계산을 수행하였다. 기상에서 임계압력 이하의 질량 확산계수는 Fuller et al.

이론/모형

각 화학종의 생성속도는 Westbrook 과 Dryer㈣ 에 의해 제안된 1단 총괄 반응 메카니즘을 사용하여 계산 하였다.
고압상태에서의 증발을 다루기 위해 실제 기체효과를 고려한 수정된 Soave-Redlich-Kwong 상태방정식을 사용하였다.”')
기상에서 임계압력 이상의 경우는 Takahashi가제안한 식으로 확산계수를 얻을 수 있다.⑶기
기화되는 과정은 시간 스텝에 따른 수치 수렴의 제한이 없으므로 내재적 유한체적법을 사용하여 계산한다. 따라서 온도, 압력, 화학포텐셜은독립변수에 대해서 선형화 되어야 한다.
액상의 질량확산에 대한 이원 확산계수는 Wilke 와 Chang의 식을⑶ 사용한다.
연소 메카니즘은 1단 비가역 화학식 (Asingle-step irreversible chemical scheme)을 적용하였다.⑼ 연료는 공기와 이론반응 한다고 가정하였다.
계산을 한다. 점성과 열전도도를 구하기 위해 NIST 에서 개발한 SUPERTARPP ⑺ 코드를 사용하였다. 이 코드는 온도와 압력효과 모두를 고려하였다.
초임계 상태같은 고압환경에서는 이상기체 가정이 성립하지 않기 때문에 실기체효과를 고려한 Soave-Redlich-Kwong같은 상태방정식을 사용해야 한다. 임계점 이상이 되면 증발열이 0이되고 액체-기체 간의 구분이 모호해져서 단일상으로 해석을 하여야 한다.

성능/효과

액상/기상간의경계면에서는 상변화에 많은 에너지가 사용되므로 상경계면에서는 상대적으로 열 전도율, 루이스 수, 비열이 급격히 감소하였다. 시간이 흐를수록 주위 기체가 액적 내부로 용해되는 양이 증가하므로 액적내부의 열 전도율은 감소하였다.
주위 압력이 높을수록 연료액적의 수명은 감소하였고, 표면 온도는 증가하였다. 압력 증가 시에는 연료와 산소의 밀도 증가로 인하여 점화 시간이 증가하였다.
7은 연료와 산소의 질량 분율이 시간에 따라 변화하는 것을 나타내었다. 화염이 반경방향으로 이동하는 것을 알 수 있고, 연료의 질량 분율을 통해서 액적의 반경이 시간에 따라 줄어들고 있음을 알 수 있다. 화염의 반경방향의 이동을 보다 쉽게 보기 위해 Fig.

참고문헌 (12)

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Takahashi, S., 1974, 'Preparation of a Generalized chart for the Diffusion Coefficients of Gases at High Pressures,' journal of Chemical Engineering of japan, Vol. 7, No.6, pp. 417-420

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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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