제트상사성 이론에 의해 잘 이해되어온 층류부상화염의 부상화염 거동에 대해 연료 노즐 직경 변화 효과를 통한 부력효과의 중요성을 밝히기 위한 실험적 연구를 수행하였다. 부력 효과를 평가하기 위해 연료노즐 직경을 $0.1{\sim}6\;mm$ 정도의 크기까지 변화시켰고, 헬륨을 희석제로 프로판과 메탄 화염을 순수 연료로부터 희석하면서 부상 거동을 체계적으로 관찰하였다. 부상화염 거동 설명을 위해 중요 물리 변수인 희석율로 표현되는 연료강도, 화염 스트레치, 화염 곡률 효과로 부상 거동을 체계적으로 설명하기 위해 척도 법칙(scaling law)을 통한 중요 물리 변수를 실험 변수로 유도하였다. 노즐 직경이 큰 경우와 연료 희석율이 큰 경우에 대해서는 부력 효과가 중요하다는 것을 실험 결과로부터 입증하였다. 또한, Chen 등의 결과에 따라 0.5
제트상사성 이론에 의해 잘 이해되어온 층류부상화염의 부상화염 거동에 대해 연료 노즐 직경 변화 효과를 통한 부력효과의 중요성을 밝히기 위한 실험적 연구를 수행하였다. 부력 효과를 평가하기 위해 연료노즐 직경을 $0.1{\sim}6\;mm$ 정도의 크기까지 변화시켰고, 헬륨을 희석제로 프로판과 메탄 화염을 순수 연료로부터 희석하면서 부상 거동을 체계적으로 관찰하였다. 부상화염 거동 설명을 위해 중요 물리 변수인 희석율로 표현되는 연료강도, 화염 스트레치, 화염 곡률 효과로 부상 거동을 체계적으로 설명하기 위해 척도 법칙(scaling law)을 통한 중요 물리 변수를 실험 변수로 유도하였다. 노즐 직경이 큰 경우와 연료 희석율이 큰 경우에 대해서는 부력 효과가 중요하다는 것을 실험 결과로부터 입증하였다. 또한, Chen 등의 결과에 따라 0.5
Experimental study was conducted to clarify the importance of buoyancy effects in laminar lifted flames which have been well understood by cold jet similarity theory. To evaluate buoyancy effects, lifted flame behaviors were systematically observed in methane and propane lifted flames diluted with H...
Experimental study was conducted to clarify the importance of buoyancy effects in laminar lifted flames which have been well understood by cold jet similarity theory. To evaluate buoyancy effects, lifted flame behaviors were systematically observed in methane and propane lifted flames diluted with He as changing the fuel nozzle diameter from 0.1 to 6 mm. Important physical parameters such as fuel strength, flame stretch and flame curvature, which were derived through simple physical scaling laws, were estimated. It is experimentally proven that buoyancy effects are important in relatively large fuel nozzle diameter and large fuel dilution with He. The results of Chen et al., which displayed the existence of stably lifted flames for 0.5
Experimental study was conducted to clarify the importance of buoyancy effects in laminar lifted flames which have been well understood by cold jet similarity theory. To evaluate buoyancy effects, lifted flame behaviors were systematically observed in methane and propane lifted flames diluted with He as changing the fuel nozzle diameter from 0.1 to 6 mm. Important physical parameters such as fuel strength, flame stretch and flame curvature, which were derived through simple physical scaling laws, were estimated. It is experimentally proven that buoyancy effects are important in relatively large fuel nozzle diameter and large fuel dilution with He. The results of Chen et al., which displayed the existence of stably lifted flames for 0.5
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문제 정의
1 mm 근처의 노즐로 프로판을 연료로 사용한 경우 부상화염이 발생하는 임계속도가 약 14 m/s 정도 크기로 일반적으로 부력에 의해 유도되는 유동속도가 1 m/s라는 것을 감안하면 모멘텀이 우세한 경우였기 때문에 실제로 제트 상사성에 근거한 부상화염 거동이 잘 일치하는 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 노즐 직경 크기를 증가하여 삼지화염 선단의 화염 곡률을 증가시키는 효과와 노즐 크기 증가에 의한 부력 효과를 비교함으로써 실제로 제트상사성 이론이 실험 결과와 일치되는 노즐 크기를 평가하고자 한다. 이와 반대로 제트 상사성 이론에서 실험 결과들이 벗어나게 되는 원인을 평가하고자 한다.
본 연구에서는 Chung의 연구그룹의 결과들은 주로 노즐 직경이 0.1~0.2 mm 정도 크기로 비슷한 크기(Order)에서 실험이 수행되었지만, 실제로 연료노즐의 크기는 삼지 화염의 화염 곡률의 크기와 관련되므로 Chen의 연구 결과를 확장하여 0.5 < Sc < 1에서도 안정된 부상화염이 존재할 수 있고 화염 곡률이 화염전파속도에 영향을 미쳐 부상화염 거동에 중요한 역할을 할 것이라는 아이디어를 근간으로 연구를 수행하였다.
식 (6)으로부터 물리적으로 노즐 직경이 증가할수록 부력 효과는 우세해져 부력에 의해 유도되는 유동 속도는 증가하므로 결과로서 부력으로부터 유도되는 화염 스트레치는 증가하게 됨을 의미한다. 이러한 물리적 해석을 근간으로 화염의 안정화 선도를 관찰하고자 하였다. Fig.
따라서 본 연구에서는 노즐 직경 크기를 증가하여 삼지화염 선단의 화염 곡률을 증가시키는 효과와 노즐 크기 증가에 의한 부력 효과를 비교함으로써 실제로 제트상사성 이론이 실험 결과와 일치되는 노즐 크기를 평가하고자 한다. 이와 반대로 제트 상사성 이론에서 실험 결과들이 벗어나게 되는 원인을 평가하고자 한다. 또한 Chen 등의 결과에서 0.
가설 설정
부상화염의 안정화 기구는 비반응제트상사이론[7,8]에 따라 삼지화염의 삼중점이 이론 당량비선을 따르고 따라서 이론 당량비선을 따라 화염이 전파된다고 가정함으로써 유량과 노즐 직경에 따른 부상높이는 다음과 같이 주어진다.
제안 방법
실험을 할 때 노즐에서 분사된 연료가 주위에 영향을 최소화 혹은 제거하기 위해 아크릴 칸막이실(compartment, 530 mm×530 mm×930 mm)을 구성하였으며, 각 연료와 희석제는 압력 조절기로 조절하고 버블미터로 검증된 1, 5, 20, 500 ml/min의 유량에 대해 MFC(mass flow controller)를 통해 노즐로 분사된다. 삼지화염의 화염 곡률과 부력 효과를 조절하기 위해 실험에 사용된 노즐의 직경은 각각 0.12, 0.25, 0.5, 1, 4.2, 6.09 mm이며, 화염의 부상높이는 ICCD 카메라(USA Princeton Instruments, PI-Max, Marconi CCD47-10)를 사용하여 측정하였고, 각 데이터에 대해 120회의 촬영을 통해 얻어진 부상 높이를 앙상블 평균(ensemble average)을 통해 얻었다. 현재의 실험영역을 층류화염만으로 한정하기 위해 연료 내부 구조를 쉴리렌(Schlieren) 장치로 가시화 하였으며, 할로겐 램프에 CCD camera(Kodak KAi- 1010M)를 이용하였다.
실험을 할 때 노즐에서 분사된 연료가 주위에 영향을 최소화 혹은 제거하기 위해 아크릴 칸막이실(compartment, 530 mm×530 mm×930 mm)을 구성하였으며, 각 연료와 희석제는 압력 조절기로 조절하고 버블미터로 검증된 1, 5, 20, 500 ml/min의 유량에 대해 MFC(mass flow controller)를 통해 노즐로 분사된다.
층류 부상화염 거동에 있어 120회 촬영하여 얻어진 상으로부터 앙상블 평균된 부상 높이의 측정 노즐 직경의 변화와 헬륨을 희석제로 프로판과 메탄 화염에 대해 희석율을 변화시키면서 부력 효과의 중요성에 관한 실험적 연구를 수행하였고 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
09 mm이며, 화염의 부상높이는 ICCD 카메라(USA Princeton Instruments, PI-Max, Marconi CCD47-10)를 사용하여 측정하였고, 각 데이터에 대해 120회의 촬영을 통해 얻어진 부상 높이를 앙상블 평균(ensemble average)을 통해 얻었다. 현재의 실험영역을 층류화염만으로 한정하기 위해 연료 내부 구조를 쉴리렌(Schlieren) 장치로 가시화 하였으며, 할로겐 램프에 CCD camera(Kodak KAi- 1010M)를 이용하였다. 화염 부상높이는 Fig.
대상 데이터
1과 같다. 연료 공급부는 연료, 희석제, 압력조절기 및 질량유량계로 구성되어 있고, 연료는 순도 99.99%의 프로판과 메탄, 희석제는 순도 99.999%의 헬륨을 사용하였다.
이론/모형
Table 1에 프로판과 메탄의 희석률에 따른 Sc를 나타내었다. Sc를 계산하기 위해 사용된 확산 계수(diffusivity)는 참고문헌[10]으로부터 계산하였다.
성능/효과
(1) 프로판 화염에 대해 노즐 직경과 헬륨으로 희석한 실험으로부터, Chung의 연구 그룹에서 주로 사용된 0.1 mm 정도 크기의 노즐 직경이 작은 경우에서는 순수 프로판의 경우 화염 부상을 위한 임계출구 속도가 10 m/s 이상이므로 상대적으로 부력 효과는 작아 제트 상사성 이론에 근거한 부상화염거동의 전체적인 특성은 만족된 것으로 판단된다. 그러나 노즐 직경이 증가함에 따라 부력 효과는 우세해져 화염부상 및 화염 날림을 위한 임계출구 속도는 오히려 감소해 유동에 의한 화염 스트레치와 화염 곡률에 의한 화염 스트레치에 의한 화염 전파속도와 부상 높이의 상관성에 의해 설명이 되지 않는 점으로부터 부력 효과의 중요성을 알 수 있다.
(2) 프로판 화염에 대해 노즐 직경과 헬륨으로 희석한 실험으로부터, Chen 등의 연구 결과와 유사하게 0.5 < Sc < 1의 영역 안에서 안정된 부상화염이 존재한다는 것을 입증하였다.
5 < Sc < 1의 영역 안에서 안정된 부상화염이 존재한다는 것을 입증하였다. Chen의 결과를 기반으로 노즐 직경에 따라 화염 부상이 존재하는 임계 Sc는 변한다는 것을 실험적으로 입증하였다. 그러나, 노즐 직경에 따라 화염 부상이 존재하는 임계 Sc이 증가하고 연료 희석율이 증가하는 점, 그리고 노즐 직경 증가에 따라 화염부상의 임계출구 속도가 감소한다는 점으로부터 부력 효과가 노즐 직경이 증가하는 경우에는 우세하다는 것을 입증하였다.
4는 반대로 노즐 직경이 큰 경우 부상 높이가 증가하는 것을 알 수 있다. 결과적으로 이것은 노즐 직경이 증가함에 따라 부력에 의한 효과가 실제 부상 높이와 같은 부상 화염 거동에 우세하게 작용하고 있음을 알 수 있다.
결국 Chung의 연구그룹에서는 작은 연료 노즐을 사용함으로 인해 유동에 의한 화염 스트레치가 크고, 노즐 크기가 작아서 화염 곡률 반경 역시 작아 화염곡률 효과에 의한 화염스트레치 역시 크고, 부력에 의해 유도되는 화염 스트레치가 더해져서 화염이 쉽게 안정화되기 힘든 상황을 의미한다. 그러나 본 연구에서는 유동에 의한 화염스트레치는 노즐출구 속도 감소로 상대적으로 감소하고, 부력에 의한 화염 스트레치는 증가하지만, 노즐 직경 증가로 화염 곡률반경 증가에 따른 화염 스트레치는 감소하기 때문에 안정된 화염 부상이 존재한 것으로 이해될 수 있다.
Chen의 결과를 기반으로 노즐 직경에 따라 화염 부상이 존재하는 임계 Sc는 변한다는 것을 실험적으로 입증하였다. 그러나, 노즐 직경에 따라 화염 부상이 존재하는 임계 Sc이 증가하고 연료 희석율이 증가하는 점, 그리고 노즐 직경 증가에 따라 화염부상의 임계출구 속도가 감소한다는 점으로부터 부력 효과가 노즐 직경이 증가하는 경우에는 우세하다는 것을 입증하였다.
그러나 희석율이 6% 이상인 경우에는 Table 2에 나타내듯이 안정된 부상 화염이 존재하는 것을 알 수 있다. 노즐 직경은 삼지화염의 곡률의 크기에 관련되므로 Chung의 연구 그룹의 결과들은 노즐 직경이 0.1 mm 근처에서 얻어져 실제로 삼지 화염의 화염 곡률 반경이 매우 작아 식 (3)의 두 번째 항에 해당하는 곡률항에 따라 화염 스트레치가 매우 큰 경우에 해당하며, 본 연구에서 제시한 Fig. 8의 결과는 노즐 직경이 1 mm로 Chung의 연구그룹에 비해 노즐 직경의 크기가 한 Order가 더 큰 경우에 해당하므로 화염 스트레치가 상대적으로 매우 작은 경우에 해당한다는 점을 주목하여야 한다. 결국 Chung의 연구그룹에서는 작은 연료 노즐을 사용함으로 인해 유동에 의한 화염 스트레치가 크고, 노즐 크기가 작아서 화염 곡률 반경 역시 작아 화염곡률 효과에 의한 화염스트레치 역시 크고, 부력에 의해 유도되는 화염 스트레치가 더해져서 화염이 쉽게 안정화되기 힘든 상황을 의미한다.
노즐의 직경에 따라서 화염이 부상하기 시작하는 희석률과 Sc가 다르며, 직경이 작아질수록 부상이 시작되는 Sc도 낮았다. Chen 등[9]의 결과에서는 Sc = 0.
이상의 결과들로부터 순수 프로판 및 헬륨으로 희석된 프로판 부상화염들에 있어서 노즐 직경이 증가하면 부력이 우세하게 작용한다는 것을 알 수 있었고, 그렇다면 메탄 화염에 대해서도 이러한 현상은 명확히 할 필요가 있다.
층류 부상화염에 있어서 부상화염 거동은 연료 강도, 화염 스트레치 혹은 스탈라소산율, 화염곡률 효과, 열방출 효과 등에 의해 지배를 받는 것으로 이해되지만 중력 조건에서 부력에 의한 효과는 실제로 부상 화염거동에 있어서 지배적으로 작용할 수 있다는 점을 밝혔다. 따라서 미소중력에서 부상화염 거동은 현재와 상이한 결과를 줄 것으로 예측되며 본 연구진의 미래 연구로 남아 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
층류 부상화염 거동에 있어 120회 촬영하여 얻어진 상으로부터 앙상블 평균된 부상 높이의 측정 노즐 직경의 변화와 헬륨을 희석제로 프로판과 메탄 화염에 대해 희석율을 변화시키면서 부력 효과의 중요성에 관한 실험적 연구를 수행하였고 어떤 결론을 얻을 수 있었는가?
(1) 프로판 화염에 대해 노즐 직경과 헬륨으로 희석한 실험으로부터, Chung의 연구 그룹에서 주로 사용된 0.1 mm 정도 크기의 노즐 직경이 작은 경우에서는 순수 프로판의 경우 화염 부상을 위한 임계출구 속도가 10 m/s 이상이므로 상대적으로 부력 효과는 작아 제트상사성 이론에 근거한 부상화염거동의 전체적인 특성은 만족된 것으로 판단된다. 그러나 노즐 직경이 증가함에 따라 부력 효과는 우세해져 화염부상 및 화염 날림을 위한 임계출구 속도는 오히려 감소해 유동에 의한 화염 스트레치와 화염 곡률에 의한 화염 스트레치에 의한 화염 전파속도와 부상 높이의 상관성에 의해 설명이 되지 않는 점으로부터 부력 효과의 중요성을 알 수 있다.
(2) 프로판 화염에 대해 노즐 직경과 헬륨으로 희석한 실험으로부터, Chen 등의 연구 결과와 유사하게 0.5 < Sc < 1의 영역 안에서 안정된 부상화염이 존재한다는 것을 입증하였다. Chen의 결과를 기반으로 노즐 직경에 따라 화염 부상이 존재하는 임계 Sc는 변한다는 것을 실험적으로 입증하였다. 그러나, 노즐 직경에 따라 화염 부상이 존재하는 임계 Sc이 증가하고 연료 희석율이 증가하는 점, 그리고 노즐 직경 증가에 따라 화염부상의 임계출구 속도가 감소한다는 점으로부터 부력 효과가 노즐 직경이 증가하는 경우에는 우세하다는 것을 입증하였다.
에지화염이 층류화염편의 확장 영역에 해당되는 이유는 무엇인가?
삼지화염 혹은 에지화염은 부분예혼합 혼합 구조에서 나타나며, 혼합 정도를 나타내는 진행 변수(progressive variable)를 통하여 층류화염편 모델로 묘사될 수 있기 때문에 에지화염은 층류화염편의 확장 영역에 해당된다. 층류화염편은 난류화염의 평균 구조는 층류화염편들의 앙상블로 나타낼 수 있고 순간 구조는 층류로 연소하기 때문에 난류 부상 화염을 이해하기 위한 기초연구로서 층류 부상 화염을 연구하는 것 역시 매우 중요하다는 인식하에 층류부상화염의 화염 안정화 기구를 이해하기 위한 많은 노력이 있었다[5,6].
연료 공급부는 무엇으로 구성되어 있는가?
1과 같다. 연료 공급부는 연료, 희석제, 압력조절기 및 질량유량계로 구성되어 있고, 연료는 순도 99.99%의 프로판과 메탄, 희석제는 순도 99.
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