[논문]저신장율 에지 화염의 진동 불안정성

김강태; 박준성; 김정수; 오창보; 길상인; 박정

doi:10.3795/ksme-b.2006.30.4.343

저신장율 에지 화염의 진동 불안정성
Oscillatory Instability of Low Strain Rate Edge Flame 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.30 no.4 = no.247, 2006년, pp.343 - 349

김강태 (순천대학교 기계자동차공학부) , 박준성 (순천대학교 기계자동차공학부) , 김정수 (순천대학교 기계자동차공학부) , 오창보 (한국기계연구원 에너지기계연구센터) , 길상인 (한국기계연구원 청정환경기계연구센터) , 박정 (순천대학교 기계자동차공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Systematic experiments in $CH_4/Air$ counterflow diffusion flames diluted with He have been undertaken to study the oscillatory instability in which lateral flame size was less than burner nozzle diameter and thus lateral heat loss could be remarkable at low global strain rate. The oscillatory instability arises for Lewis numbers greater than unity and occurs near extinction condition. The oscillation is the direct outcome from the advancing and retreating edge flame. The dynamic behaviors of extinction in this configuration can be classified into three modes; growing, harmonic and decaying oscillation mode near extinction. As the global strain rate decreases, the amplitude of the oscillation becomes larger. This is caused by the increase of lateral heat loss which can be confirmed by the reduction of lateral flame size. Oscillatory edge flame instabilities at low global strain rate are shown to be closely associated with not only Lewis number but also heat loss (radiation and lateral heat loss).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

”)일차원 및 이차원 동시에 존재하는 경우에 대해서는 체계적으로 보고돤바 없다. 본 연구에서는 Park 등의 기존 연구 결과들을 기반으로 나타날 것으로 기대되는 일 차원 및 이차원 화염 진동 현상을 규명하는 연구에 초점을 맞추었다V) 이를 통해 메탄/공기 대향류 확산 화염에 연료 측 Le > 1 이 되도록 헬륨을 메탄 측에 희석시키면서 화염 소화 거동 과일 차원 및 이차원 화염 진동을 규명하기 위한 연구를 수행하였다.

가설 설정

보고하였지만, «.”)일차원 및 이차원 동시에 존재하는 경우에 대해서는 체계적으로 보고돤바 없다. 본 연구에서는 Park 등의 기존 연구 결과들을 기반으로 나타날 것으로 기대되는 일 차원 및 이차원 화염 진동 현상을 규명하는 연구에 초점을 맞추었다V) 이를 통해 메탄/공기 대향류 확산 화염에 연료 측 Le > 1 이 되도록 헬륨을 메탄 측에 희석시키면서 화염 소화 거동 과일 차원 및 이차원 화염 진동을 규명하기 위한 연구를 수행하였다.

제안 방법

기존의 연구들에서 소화 한계 부근에서 화염 진동에 의한 불안정성이 나타난다고 수치 해석적으로 밝혀졌고 이는 Lewis Number, 복사 열 손실, 체 적열 손실이 주요한 영향임은 잘 알려져 있다.。T。)이러한 사실들을 근간으로 하여 소화 한계 부근에 서나타나는 화염 진동의 동적 거동과 형상을 측정하였다.
Fig. 3 전체 화염 신장율에 따른 임계 헬륨 몰분율의 소화 한계를 도시화한 것으로써, 실험으로 측정된 소화 한계 곡선과 ID Oppdif code 를 통하여 수치해석으로 얻어진 소화 한계 곡선을 비교하였다. Oppdif code는 버너 간 간격이 유한한 효과는 고려하지만 유한한 버너 직경 효과는 고려되지 않는 1 차원 상사 개념에 기반을 두고 있으나 실험은 유한한 버너 직경을 가지고 실험이 수행되었음을 주목하여야 한다.
3m/s로 전 실험 범위에서 고정하였다. 각 가스 실린더에서 나온 연료, 희석제 및 공기는 질량유동제어기(MFC)를 거치며 MFC 전원 공급 및 제어 유닛과 P/C에 의해 연료측과 산화제측의 유량을 동시에 조절하였다.
대향류 버너에서 C-curve 의 소화 한계를 취득하기 위해 헬륨을 희석제로 사용하여 전체 화염 신 장율을 6~30广까지 체계적으로 변화시키며 실험을 수행하였다. 이와 더불어 다차원 열손실 효과를 배제한 수치 해석 결과와 실험결과를 비교분 석하였다.
밝혀진 바 있다. 따라서 본 연구에서는 화염의 소화 거동에 있어서 화염 반경 방향의 열 손실을 고려한 경우와 고려하지 않은 경우를 비교하기 위해 1차원 Oppdif0')코드를 사용하여 수치해석 데이터를 획득하여 실험과 비교 분석하였다. 유사변수 개념을 근간으로 둔 Oppdif 코드는 속도, 온도, 화학종의 방정식을 풀게 되고 복사항은 광학적 박복사 모델을 채택하였다.
대향류 버너에서 C-curve 의 소화 한계를 취득하기 위해 헬륨을 희석제로 사용하여 전체 화염 신 장율을 6~30广까지 체계적으로 변화시키며 실험을 수행하였다. 이와 더불어 다차원 열손실 효과를 배제한 수치 해석 결과와 실험결과를 비교분 석하였다. 실험으로 얻어진 화염소화를 위한 최대 임계헬륨 몰 분율의 전체 화염신장율이 수치 해석으로 얻어진 화염소화를 위한 최대 임계헬 륨몰 분율의 전체 화염신장율보다 높게 나타났다.
화염 소화 실험은 전체 화염 신장율을 일정하게유지한 상태에서 연료의 유동을 감소시킴과 동시에 희석제의 유동을 증가시키면서 화염 소화 한계를 취득하였고 동일한 방법으로 화염 소화 한계근처에서 실험이 수행된다. 전체 화염 신장율의범위는6广에서 30广였다.
화염 진동이 시작되는 조건에서 가시적으로는화염의 진동 유무를 판단하기는 어려움이 있어 SiC-fiber 의 발광도를 측정하였다. SiC-fiber 는 화염의 끝부분에 설치하였고 Digital Media Camera 를이 용하여 Framing rate 30Hz, 셔터 속도 l/4000sec으로 실시간 촬영되고 분석되었다.
4 전체 화염 신장율에 따른 임계 헬륨 몰분율의 소화 한계와 이차원 화염 진동이 일어나는 영역을 나타낸 것이다. 화염의 진동 유무는 가시적으로 명확히 판단하기 어려워서 SiC fiber의 발 광도를 측정하여 판단하였다. 전체 화염 신장율이 8广이하에서는 전체 화염 신장율이 감소할수록 화염 진동 현상이 일어나는 영역이 넓어진 것을 알 수 있다.

대상 데이터

버너 덕트의 내부에는 일련의 미세 스크린을 설치하여 노즐 출구에서 균일한 유동 속도를 갖도록 하였다. 연료는 CH₄ 에 헬륨을 희석하여사용하였고 산화제로는 공기를 사용하였다. He 를희석하여 사용한 이유는 이전의 연구들에서 밝혀진 바와 같이 대부분의 화염 진동 현상은 Le 가 1 보다 큰 조건에서 발생하며 연료 측 Le 를 1 보다 크게 만들 수 있는 가장 적합한 희석제가 헬륨이기 때문이다.

이론/모형

유사변수 개념을 근간으로 둔 Oppdif 코드는 속도, 온도, 화학종의 방정식을 풀게 되고 복사항은 광학적 박복사 모델을 채택하였다. 부력항은 Oppdif 코드 상에는 첨가하지 않았고, 화학 반응 모델은 GRI-v.3.0 상세 반응 기구, 열화학적 물성치는 Chemkin, 전달 물성치 는 Tranfit 을 사용하였다. 기존의 연구들에서 소화 한계 부근에서 화염 진동에 의한 불안정성이 나타난다고 수치 해석적으로 밝혀졌고 이는 Lewis Number, 복사 열 손실, 체 적열 손실이 주요한 영향임은 잘 알려져 있다.

성능/효과

화염 신장율이 20疽 이하에서 실험과 수치해석 결과가 크게 차이를 나타내는 것은 Park 등의 연구에서 지적한 바와 같이 복사 열손실 이외에도 추가적으로 측면으로 열 손실 효과가 기인하는 것으로 판단된다.(1)>그러나, 화염 신장율이 증가하여 30广 가 되면 수치 해석과 실험과의 차이는 현격히 줄어든다는 것을 알 수 있다. 이것은 화염 신장율 증가로 화염 대 두께는 줄어들어 복사 열 손실이 급격히 줄어들고 화염크 기도 증가하여 측면 열 손실에 의한 효과가 일차원적 화염 구조를 바꾸기에 충분하지 않았기 때문이다.
저화염 신장율 화염에서는 화염소화에 영향을 주는 요인으로 복사열 손실 효과와 더불어 화염 반경 방향의 열 손실이 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있다. Le > 1에 대해 수행된 실험으로부터 화염 소화 한 계 부근과 낮은 화염신장율인 경우 화염진동이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이때 화염의 진동현상은 세 가지의 모드로 구분할 수 있다.
화염 반경 측정을 임의의 기준 시간으로부터 측정했기 때문에 소화 지점은 모두 다르다. 그러나 화염의 크기를 살펴보면 전체 화염 신장율이 높아질수록 화염이 커지는 것을 알 수 있었다. 또한 화염 측면방향의 크기의 변화가 전체 화염 신장율이 달라짐에 따라 여러 형태로 나타난다.
본 연구 결과와 기존 연구결과들을 근거로 저화염 신장율의 화염소화 한계 근처에서 화염진 동은 Le, 복사 열손실 등의 영향뿐만 아니라 측면 열 손실 효과가 중요한 역할을 함을 알 수 있다.
6-(b) 에서 보면 더 확연히 알 수 있다. 시간 기준을 소화가 발생하는 시점을 기준으로 소화 발생하기 전에 약 2.5 초 동안에 시간의 변화에 따른 화염 반경의 변화를 살펴보면 가장 낮은 전체 화염 신장율에서는 화염 반경이 가장 작고 변화가 매우 크게 나타나만 전체 화염 신장율이 증가할수록 화염의 반경은 커지며 변화가 점점 감소하는 것을 알 수 있다. 또한 전체 화염 신장율이 증가할수록 화염이 소화되는 시간의 기울기가 점점 커진다.
이와 더불어 다차원 열손실 효과를 배제한 수치 해석 결과와 실험결과를 비교분 석하였다. 실험으로 얻어진 화염소화를 위한 최대 임계헬륨 몰 분율의 전체 화염신장율이 수치 해석으로 얻어진 화염소화를 위한 최대 임계헬 륨몰 분율의 전체 화염신장율보다 높게 나타났다. 저화염 신장율 화염에서는 화염소화에 영향을 주는 요인으로 복사열 손실 효과와 더불어 화염 반경 방향의 열 손실이 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있다.
3의 왼쪽 사진에서 보는 바와 같이 화염의 크기가 매우 작은 것을 알 수 있다. 오른쪽 사진이 화염 크기가 버너 직경과 유사한 크기인 것을 감안해서 비교해보면 화염의 크기가 버너 노즐보다는 현저히 작은 것을 알 수 있다. 화염의 크기가 버너 직경보다 현저히 작아 화염의 측면 열 손실이 화염 전체에 영향을 주기 때문에 순간적으로 화염의 온도와 반응율(Reaction rate)이 감소하게 된다.
화염이 기연 가스를 향해 후퇴하기(retreating wave) 때문에 화염 강도가 감소하기 때문이다. 우측 하단의 사진은 화염이 소화하기 직전의 화염으로써 화염의 크기가 매우 작은 상태로 화염 발광 강도도 매우 약하게 됨으로써 화염 강도가 급격히 감소하는 것을 알 수 있었다. 이는 Buckmaster 가 제시하는 에지 화염의 거동과 동일 하지만, 。) 본 실험에서는 화염의 직접 가시화로는 삼중화염(triple flame)은 나타나지 않았다.
이상의 결과들로부터 저신장율의 대향류확산화 염에서 화염 소화와 소화 한계 부근에서의 화염 진동에는 Le, 복사 열 손실 이외에도 측면 방향 열 손실이 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있다.
1Hz의 주기를 가지며, 화염의 소화 거동은 진폭이 증가하다가 소화되었다. 전체 화염신장율 9~10广 에서는 진동 진폭의 변화가 상대적으로 작고 주기는 명확하게 관찰되지 않거나 0.66Hz 에서 점점 빨라지다가 진동이 나타나지 않으며, 진폭이 감소하다가 화염이 소화되었다.
또한 화염 측면방향의 크기의 변화가 전체 화염 신장율이 달라짐에 따라 여러 형태로 나타난다. 즉, 전체 화염 신장율 6~7广에서는 진동 진폭의 변화가 상대적으로 크고 0.66Hz~0.1Hz의 주기를 가지며, 화염의 소화 거동은 진폭이 증가하다가 소화되었다. 전체 화염신장율 9~10广 에서는 진동 진폭의 변화가 상대적으로 작고 주기는 명확하게 관찰되지 않거나 0.

참고문헌 (14)

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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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