A flame extinction phenomenon is a typical unsteady process in combustion. Flame extinction is characterized by various physical phenomena, such as convection, diffusion, and the production of heat and mass. Flame extinction can be achieved by either increasing the strain rate or curvature, by dilut...
A flame extinction phenomenon is a typical unsteady process in combustion. Flame extinction is characterized by various physical phenomena, such as convection, diffusion, and the production of heat and mass. Flame extinction can be achieved by either increasing the strain rate or curvature, by diluting an inert gas or inhibitor, or by increasing the thermal or radiant energy loss. Though the extinction is an inherently transient process, steady and quasi-steady approaches have been used as useful tools for understanding the flame extinction phenomenon. Recently, unsteady characteristics of flames have been studied by many researchers, and various attempts have been made to understand unsteady flame behavior, by using various extinction processes. Representative parameters for describing flame, such as flame temperature, important species related to reactions, and chemi-luminescence of the flame have been used as criterions of flame extinction. In these works, verification of each parameter and establishing the proper criterions of the extinction has been very important. In this study, a time-dependent flame temperature and an OH radical concentration were measured using optical methods, and the instantaneous change of the flame luminosity was also measured using a high-speed ICCD (HICCD) camera. We compare the unsteady extinction points obtained by three different methods, and we discuss transient characteristics of maximum flame temperature and OH radical distribution near the extinction limit.
A flame extinction phenomenon is a typical unsteady process in combustion. Flame extinction is characterized by various physical phenomena, such as convection, diffusion, and the production of heat and mass. Flame extinction can be achieved by either increasing the strain rate or curvature, by diluting an inert gas or inhibitor, or by increasing the thermal or radiant energy loss. Though the extinction is an inherently transient process, steady and quasi-steady approaches have been used as useful tools for understanding the flame extinction phenomenon. Recently, unsteady characteristics of flames have been studied by many researchers, and various attempts have been made to understand unsteady flame behavior, by using various extinction processes. Representative parameters for describing flame, such as flame temperature, important species related to reactions, and chemi-luminescence of the flame have been used as criterions of flame extinction. In these works, verification of each parameter and establishing the proper criterions of the extinction has been very important. In this study, a time-dependent flame temperature and an OH radical concentration were measured using optical methods, and the instantaneous change of the flame luminosity was also measured using a high-speed ICCD (HICCD) camera. We compare the unsteady extinction points obtained by three different methods, and we discuss transient characteristics of maximum flame temperature and OH radical distribution near the extinction limit.
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문제 정의
등은 OH Radical 의 농도를 측정하여 소화의 기준으로삼았다.("T9)이와 같이 비정상 화염의 소화에 대해 많은 연구가 있어왔지만 소화점 근처에서의 각 물리량의 거동에 대해 자세히 살펴본 연구는 드문 것이 사실이다.(")따라서 본 연구에서는 시간에 따라 변화하는 화염 온도, 0H 라디칼의농도 화염의 자발광의 변화를 측정하고 소화점 근처에서 각 물리량의 거동 특성을 살펴봄으로하여 화염의 비정상 소화를 보다 면밀히 관찰해보고자 한다.
3~28) 라디칼이 가지는 특성상 연소 반응의 변화를 가장 빠르고 정확히 대표할 것으로 쉽게 예상할 수 있다. 본 연구에서는 화염 소화 한계에서 OH 라디칼의 거동을 살펴보고 이를 화염의 온도 변화와 비교하고자 하였다. Fig.
제안 방법
512x512)로 신호를 측정하였다. OH LIF 는 Nd:YAG 레이저와 더불어 dye 레이저 및 파장 분할기(frequency doubler)를 이 용하여 283.01nm 로 동조된 레이저를 광원으로 사용하였고, # 전이 Q]6 라인의 OH 라디칼의 신호를 UG- 11 과 WG-305 필터를 장착한 ICCD 카메라를 이용하여 측정하였다. 화염의 자발광을 통한 소화점 은 High speed ICCD 카메 라(HICCD, 마lantom v7.
Rayleigh 산란 신호를 이용하여 시간에 따른 화염대 근처 온도장의 변화를 살펴볼 수 있었다. 시간이 지남에 따라 thermal thickness 의 변화와 화염 최고 온도의 변화를 살펴볼 수 있었으며, 수치해석을 통해 얻은 물성치를 이용하여 화염최고 온도를 얻어낼 수 있었다.
연료 측의 혼합 챔버는 메탄과 질소를 혼합 시키기 위해 사용되었으며, 산화제 측에도 물리적으로 같은 유로(flow path) 조건을 주기 위해 같은 크기의 챔버를 설치하였다. 각 챔버줄구에는 1mm 직경의 오리피스를 달아 피스톤에 의해 발생하는 압력 변동이 상류의 유량 제어부에 영향을 미치지 못하도록 하였다. 실험의 초기 조건이 되는 정상 상태의 화염을 얻기 위해 질소로 희석된 순수 메탄을 연료로, 건조된 공기를 산화제로 사용하였고 주 노즐로 공급되는 연료 및 산화제와 같은 유속의 질소를 주위류노즐로 공급하여 보다 안정화된 화염을 얻었다.
의미한다. 따라서 본 연구에서는 각 시각에서 식 ⑴을 이용하여 온도를 예측할 때 10회 측정 각각의 신호에서 공기의 Rayleigh 신호와 화염의 Rayleigh 신호를 이용하여 계산한 후 이를 평균하여 사용하였다. Fig.
0) 를 사용하여 측정하였다. 레이저, ICCD 카메라 및 HICCD 카메라는 신호 지연 발생기(pulse delay generator, BNC 555-4C)에 의 해 piston 과 동기되어 작동하며 피스톤의 움직임을 기준으로 하여 일정기간의 지연시간을 줌으로써 시간에 따른 화염의 특성을 관찰할 수 있었다.
시간에 따른 Rayleigh 신호의 변화를 살펴보면 화염대 근처 고온부의 너비(thermal thickness)의 변화를 명확히 관찰 할 수 있다. 본 연구에서는 Rayleigh 신호 분석을 위해 H2, 02, OH, CO, CO》H20, N2, CH4 의 주요 화학종을 고려하였으며 상온공기 (T=298 K)와 화염 대 사이 의 신호세기 비를 이용하여 화염 최고 온도를 측정하였다. 각화학종의 Rayleigh 산란 단면적은 Ref(23) 의 값을 사용하였고 최고 온도 지점에서 각 화학종의 몰분률은 수치 해 석(29.
근처 온도장의 변화를 살펴볼 수 있었다. 시간이 지남에 따라 thermal thickness 의 변화와 화염 최고 온도의 변화를 살펴볼 수 있었으며, 수치해석을 통해 얻은 물성치를 이용하여 화염최고 온도를 얻어낼 수 있었다. 그 결과 변형률의 변화에 따른 화염 최고 온도의 변화를 나타내는 S curve 의 upper branch 를 비정상 소화 과정에서 얻어낼 수 있었다.
01nm 로 동조된 레이저를 광원으로 사용하였고, # 전이 Q]6 라인의 OH 라디칼의 신호를 UG- 11 과 WG-305 필터를 장착한 ICCD 카메라를 이용하여 측정하였다. 화염의 자발광을 통한 소화점 은 High speed ICCD 카메 라(HICCD, 마lantom v7.0) 를 사용하여 측정하였다. 레이저, ICCD 카메라 및 HICCD 카메라는 신호 지연 발생기(pulse delay generator, BNC 555-4C)에 의 해 piston 과 동기되어 작동하며 피스톤의 움직임을 기준으로 하여 일정기간의 지연시간을 줌으로써 시간에 따른 화염의 특성을 관찰할 수 있었다.
대상 데이터
각 챔버줄구에는 1mm 직경의 오리피스를 달아 피스톤에 의해 발생하는 압력 변동이 상류의 유량 제어부에 영향을 미치지 못하도록 하였다. 실험의 초기 조건이 되는 정상 상태의 화염을 얻기 위해 질소로 희석된 순수 메탄을 연료로, 건조된 공기를 산화제로 사용하였고 주 노즐로 공급되는 연료 및 산화제와 같은 유속의 질소를 주위류노즐로 공급하여 보다 안정화된 화염을 얻었다.
실험장치는 연소기와 피스톤 부, 레이저 및 동기 시스템으로 이루어진 측정 부등 크게 세 부분으로 나눌 수 있다. 연소기는 대향 제트 버너(opposing jet counter-flow burner) 로 노즐 줄구의 유속을 균일하게 하기 위해 18.7 의 수축비를 가지는 수축 (contraction) 노즐을 사용하였으며 미세한 메쉬와 다공물질을 이용하여 유속 변동 시 연소기내 유동을 균일하게 하였다. MFC 를 통해 조절된 유량은 2L 부피를 가지는 혼합 챔버 (mixing chamber) 와 오리 피스(orifice)를 지나 버너로 공급된다.
데이터처리
레이저가 통과하는 부피 (probe volume)의 중심 부분에서 강한 OH 신호가 검출되며 레이저조사 볼륨의 변두리 (prove edge) 부분에서 약한 OH LIF 신호가 검출 됨을 확인할 수 있다. 이 경우도 Rayleigh 산란 신호 측정 시와 마찬가지로 각 경우에 대해 10 회씩 반복 실험하였으며 그 결과를 평균하여 사용하였다.
이론/모형
OH LIF 방법이 사용되었다. Rayleigh 산란기법은 Nd:YAG 레이저 (Continuum, 500mJ, 532nm)를 광원으로 사용하고 band pass filter(532nm, FWHM lOnm) 를 장착한 ICCD(Princeton Inc. 512x512)로 신호를 측정하였다. OH LIF 는 Nd:YAG 레이저와 더불어 dye 레이저 및 파장 분할기(frequency doubler)를 이 용하여 283.
시간에 따라 변화하는 화염 온도와 OH 라디칼의 농도를 측정하기 위하여 Rayleigh 산란기법과 OH LIF 방법이 사용되었다. Rayleigh 산란기법은 Nd:YAG 레이저 (Continuum, 500mJ, 532nm)를 광원으로 사용하고 band pass filter(532nm, FWHM lOnm) 를 장착한 ICCD(Princeton Inc.
성능/효과
0H 라디칼은 Rayleigh 산란 신호를 통해 얻은 thermal thickness 에 비해 매우 작은 영역에 존재하며 소화점을 넘어서는 순간 온도에 비해 매우 빠르게 소멸함을 관찰할 수 있었다.
시간이 지남에 따라 thermal thickness 의 변화와 화염 최고 온도의 변화를 살펴볼 수 있었으며, 수치해석을 통해 얻은 물성치를 이용하여 화염최고 온도를 얻어낼 수 있었다. 그 결과 변형률의 변화에 따른 화염 최고 온도의 변화를 나타내는 S curve 의 upper branch 를 비정상 소화 과정에서 얻어낼 수 있었다.
유속 변동에 의해 화염이 영향 받아 소화점에 가까이 갈수록 화염내의 OH 농도가 감소하고 있음을 확인할 수 있다. 레이저가 통과하는 부피 (probe volume)의 중심 부분에서 강한 OH 신호가 검출되며 레이저조사 볼륨의 변두리 (prove edge) 부분에서 약한 OH LIF 신호가 검출 됨을 확인할 수 있다. 이 경우도 Rayleigh 산란 신호 측정 시와 마찬가지로 각 경우에 대해 10 회씩 반복 실험하였으며 그 결과를 평균하여 사용하였다.
시간이 지남에 따라 화염의 강도는 점점 더 약화되어 소화지점이 발생하기 시작하며 이 소화 영역은 화염대 중심 쪽으로 점점 진행되고 최종적으로 중심 화염의 소화가 일어난다. 본 연구에서는 중심 화염의 소화를 화염의 최종 소화 점으로 잡았으며 Fig. 3 의 경우 t=15ms 에서 화염의 최종 소화가 일어난다. 화염의 자발광을 통한 소화점은 위와 같은 방법으로 반복 측정하여 구하였으며 실험결과 1ms 이내에의 높은 재현성을 보임을 확인할 수 있었다.
비정상 유속 변동에 의해 소화해 가는 화염의 자발광의 변화를 살펴본 결과 대향 제트(opposing jet) 형태의 화염은 화염 외곽에서 화염 중심 방향으로 화염의 소화가 일어남을 알 수 있었다. 화염대 근처의 유속을 측정한 결과 위 소화현상은 대향 제트 유동장의 경우 국소 변형률(local strain rate)이 화염 외 곽지역 이 더 크기 때문으로 밝혀졌다.
소화점 근처에서 소화를 대표할 수 있는 물리량인 화염의 자발광, 화염 최고 온도, OH 라디칼의 변화를 시간에 따라 측정한 결과 세 물리량을 기준으로 얻은 비정상 소화점은 오차범위 안에서 일치하였으며 유동의 특성에 덜 민감하고 화염의반응 상태를 잘 대표하는 OH 라디칼의 변화가 보다 명확한 소화 기준을 제시함을 확인할 수 있었다.
이때 그림에 표시된 비정상 소화점(unsteady extinction point)은 고속 카메라로 측정된 화염의 자발광이 사라지는 지점을 반복 측정하여 얻은 평균 시간에서의 변형률이다. 여기서 시간에 따른 화염 최고 온도는 측정된 Rayleigh 신호와 식 (1)을 이용해 얻은 값으로 유속 변동이 시작된 초기에는 화염 온도의 변화가 크지 않다가 일정시간이 지난 후 화염의 온도가 점점 감소하고 고속 카메라 이미지에서 얻은 소화점 근처에서는 온도가 급격히 감소하고 있음을 확인할 수 있다. 이는 비정상 소화 과정에서의 S-curve 의 upper branch 라 할 수 있다.
7은 시간에 따른 OH LIF 신호의 변화를 나타낸 그림 이다. 유속 변동에 의해 화염이 영향 받아 소화점에 가까이 갈수록 화염내의 OH 농도가 감소하고 있음을 확인할 수 있다. 레이저가 통과하는 부피 (probe volume)의 중심 부분에서 강한 OH 신호가 검출되며 레이저조사 볼륨의 변두리 (prove edge) 부분에서 약한 OH LIF 신호가 검출 됨을 확인할 수 있다.
한편 시간이 흐름에 따라 유속 증가에 따른 화염의변화에 의해 OH 라디칼의 최대 농도와 OH 라디칼이 존재하는 영역이 점점 감소하고 있음을 알 수 있다. 특히 소화점 근처인 t=19ms 에서 OH 라디칼의 최대 농도가 초기 조건의 70% 정도로 감소하며 이후 급격히 감소하여 소화점을 지난 t=20ms 에서는 OH 라디칼이 완전히 소멸하였음을 확인할 수 있다. OH 라디칼이 사라지는 영역인 t=19 ms 는 앞서 화염의 자발광과 화염온도를 통해 살펴 본 소화지점 과 일치 하는 영역이다.
균일한 압력으로 피스톤을 구동하기 위해 서지탱크를 사용하였으며 솔레노이드(solenoid) 밸브를 이용하여 피스톤을 제어한다. 피스톤의 이동은 안정화된 화염에 유속 변동을 가하여 소화에 이르게 하며 산화제 노즐 출구에서 열선 유속계(hot-wire anemometry, Dantec CTA 56C17)를 사용하여 유속 변동을 측정한 결과 시간에 따라 선형적으로 증가하는 형태의 유속 변동이 나타남을 확인할 수 있었다.
3 의 경우 t=15ms 에서 화염의 최종 소화가 일어난다. 화염의 자발광을 통한 소화점은 위와 같은 방법으로 반복 측정하여 구하였으며 실험결과 1ms 이내에의 높은 재현성을 보임을 확인할 수 있었다.
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