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문제 정의
- 본 연구에서는 본 연구 그룹에서 그간 약 4년 정도 연구를 수행하여 얻어진 연구 결과들을 토대로 희석된 연료의 C-곡선 상에서의 화염 소화 거동과 에지화염 진동 불안정성에 대한 얻어진 결과들을 정리하여 소개하고, 또한 최근 수행된 연구들을 통해 밝혀진 사실들을 추가하여 대향류 화염에서 화염 소화 거동과 저신장율 화염조건에서 화염 진동 불안정성의 문제를 명확히 하고자 한다.
- Maruta 등의 결과와 Bundy 등의 결과를 비교해 보면 저신장율화염에서는 비교적 잘 일치하고 있으나 전환점을 지나서 고신장율화염에서는 상이한 결과를 나타내며 특히 Oppdif Code로부터 얻어진 결과들과는 상당히 상이하다는 것을 알 수 있다. 저 신장율화염에서 Oppdif Code 결과 그리고 미소 중력 실험에서 얻어진 결과들과 상이한 점에 대해서는 앞에서 저신장율화염에서 반경방향으로 전도 열손실에 의한 효과임을 상세히 보인 바 있기 때문에 주요 관심은 고신장율화염에서 상이한 데이터를 나타내는 이유에 대해 논의하기로 한다.
제안 방법
- 0의 상세 반응 기구를 사용하였다. 2차원 대향류 화염에 대해서는 Oh 등에 의해 개발된 수치해석코드[11]를 수정하여 사용하였다. 상세한 내용은 참고문헌에 나와 있으므로 여기서는 생략하기로 한다.
- 8은 현재 연구의 버너 직경들을 사용한 실험 결과, 기존 미소 중력에서의 실험 결과, 그리고 Oppdif Code 계산 결과를 비교하여 나타내었다. Fig. 8에서 수치해석은 무중력 조건에서 Oppdif code로부터 얻어진 결과이고 속이 찬 기호의 데이터는 각각 10초 동안 미소 중력 상태에서 수행된 Maruta 등[1]의 결과와 2.4초 동안 미소 중력에서 수행된 Bundy 등[13]의 실험 결과를 비교를 위해 함께 비교하였다. 또한 속이 빈 실험 데이터는 현재 연구에서 각각 18, 26, 50 mm 대향류 버너 직경에 대해 수행된 실험 결과를 나타내고 있다.
- 다차원적 효과를 명확히 하기 위해 버너간 간격, 속도비와 전체 신장율을 변화시키면서 실험을 수행하였다. 속도비의 범위는 3에서 5, 버너간 간격은 15.
- 0mm로 변화시켰고, 버너 직경은 18, 26, 50mm의 세가지 경우에 대해 실험을 수행하였다. 대향류 화염에서의 화염대는 산화제 측에 형성되는데, 화염대가 노즐에 부착되는 것을 막기 위해 연료를 상부 노즐에서 분사하고, 산화제는 하부 노즐에서 분사하여 실험하였다. 외부의 화염 교란을 막고 후류(wake flow)에 의해 생성되는 외부 화염을 제거하기 위해 질소 장막유동을 공급하게 된다.
- 연료측이 질소로 희석된 대향류 확산화염에서 화염 소화와 에지화염 진동 특성을 파악하기 위해 속도비, 버너간 간격, 버너 직경을 변화시키며 실험을 수행하였다. 또한, 화염소화와 에지화염 진동 불안정성의 주요 원인을 파악하기 위해 2차원 수치해석이 수행되었다. 이상의 결과들을 정리하면 다음과 같은 결론들이 얻어진다.
- 대향류 버너는 외부에 교란되는 화염을 제거할 수는 있는 구조로 제작되었다. 버너 노즐 간의 간격은 15.0-25.0mm로 변화시켰고, 버너 직경은 18, 26, 50mm의 세가지 경우에 대해 실험을 수행하였다. 대향류 화염에서의 화염대는 산화제 측에 형성되는데, 화염대가 노즐에 부착되는 것을 막기 위해 연료를 상부 노즐에서 분사하고, 산화제는 하부 노즐에서 분사하여 실험하였다.
- 연료측이 질소로 희석된 대향류 확산화염에서 화염 소화와 에지화염 진동 특성을 파악하기 위해 속도비, 버너간 간격, 버너 직경을 변화시키며 실험을 수행하였다. 또한, 화염소화와 에지화염 진동 불안정성의 주요 원인을 파악하기 위해 2차원 수치해석이 수행되었다.
- 전체화염신장율이 55 s-1인 경우 화염 진동 및 화염디스크의 수축없이 화염면 내부에 화염구멍이 발생하고 화염 구멍에서 생성된 에지화염이 음의 전파속도를 가지면서 화염 소화가 나타나는 것을 알 수 있다. 이것을 좀 더 명확히 하기 위해 18와 26 mm 버너 직경에 대해 속도비, 전체 화염신장율에 따라 화염 소화 모드를 체계적으로 정리하여 나타내었다.
- 결국 버너 직경이 작은 경우에는 전환점을 지난 전체화염 신장율이라 하더라도 화염면을 따라 반경방향으로 전도열손실에 의한 영향이 여전히 크게 작용하고 있다는 것을 의미한다. 이것을 확인하기 위해 버너 상부에서 화염 소화의 동적 거동을 디지털 미디어 카메라로 촬영하여 분석하였다.
- 따라서 버너직경을 변화시키면서 실험을 수행했을 때 결과들은 모두 다를수 있음을 의미한다. 이것을 확인하기 위해 버너 직경이 18, 26, 50mm인 경우에 대해 화염 소화 특성을 조사하였다. Fig.
- 95%의 공기를 사용하였다. 진동하는 화염의 거동을 관찰하기 위하여 화염 정면에서, 화염구멍을 통한 화염 소화과정을 관찰하기 위해 상부에서 디지털 미디어 카메라로 촬영하고 PC를 이용하여 분석하였다.
대상 데이터
- 999%)를 사용하였다. 또한 산화제로 일반순도 99.95%의 공기를 사용하였다. 진동하는 화염의 거동을 관찰하기 위하여 화염 정면에서, 화염구멍을 통한 화염 소화과정을 관찰하기 위해 상부에서 디지털 미디어 카메라로 촬영하고 PC를 이용하여 분석하였다.
- 여기서 V와 ρ는 반응물의 유동속도와 밀도를 나타내며, L은 노즐간의 거리, 하첨자 a와 f는 각각 연료와 산화제를 나타낸다. 연료는 99.95%의 고순도 메탄(CH4)를 사용하였으며, 희석제로는 고순도 질소(99.999%)를 사용하였다. 또한 산화제로 일반순도 99.
- Figure 7에서 저신장율 화염에서 에지화염 진동에 대해 고찰하였고, 속도비, 버너간 간격, 그리고 전체화염신장율을 변화시키며 반경방향으로 전도 열손실에 의해 연료 Lewis 수가 1보다 작은 경우에도 에지화염 진동 불안정성이 나타날 수 있음을 보였다. 이러한 에지화염 진동을 특성화하기 위해 현재까지 본 연구 그룹에서 수행된 버너직경 18과 26mm 버너에 대해 얻어진 데이터들을 Peclet 수와 Strouhal 수로 나타내었다. Fig.
이론/모형
- 수치해석은 1차원 대향류 화염의 계산에 대해서는 Oppdif Code를 사용하였고, GRI v-3.0의 상세 반응 기구를 사용하였다. 2차원 대향류 화염에 대해서는 Oh 등에 의해 개발된 수치해석코드[11]를 수정하여 사용하였다.
성능/효과
- 한편, Lewis 수가 1보다 큰 경우는 화염의 진동 불안정성이 나타나고, 1보다 작게 되면 셀불안정성이 나타나게 된다. 1차원 예혼합 화염 및 확산화염에서 열손실이 과다하게 되면 화염 진동을 유발하는 임계 Lewis 수가 감소할 수 있음을 보인 바 있고 [5-8], 특히 본 연구 그룹의 기존연구에서 저신장율 화염에서 반경방향으로의 과도한 전도 열손실은 에지화염 화염 진동을 유발하는 임계 Lewis 수가 1보다 작을 수 있을 수 있음을 보인 바 있다[2]. 또한 최근 1차원 혼합층에서 복사열손실 이외에도 추가적인 열손실이 발생하는 등 열손실 계수가 과다하게 큰 경우 역시 Lewis 수가 1보다 작은 경우에도 진동 불안정성이 나타날 수 있음을 이론적으로 보인 바 있다[9].
- 2) 저신장율 화염 조건들에서는 버너 간 간격과 전체 신장율이 증가할수록 Peclet 수의 증가로 화염은 안정화되고 화염 소화의 임계 질소몰분율은 증가한다. 속도비의 증가에 따라 화염 길이는 짧아지고 결국 반경 방향으로의 전도 열손실은 증가하게 된다.
- 3. 버너직경, 버너 간의 간격, 속도비, 전체화염 신장율에 따라 저신장율 화염에서 나타나는 에지화염의 진동은 Strouhal 수와 Peclet 수에 의해 하나의 곡선으로 잘 특성화된다.
- 또한 속이 빈 실험 데이터는 현재 연구에서 각각 18, 26, 50 mm 대향류 버너 직경에 대해 수행된 실험 결과를 나타내고 있다. Maruta 등의 결과와 Bundy 등의 결과를 비교해 보면 저신장율화염에서는 비교적 잘 일치하고 있으나 전환점을 지나서 고신장율화염에서는 상이한 결과를 나타내며 특히 Oppdif Code로부터 얻어진 결과들과는 상당히 상이하다는 것을 알 수 있다. 저 신장율화염에서 Oppdif Code 결과 그리고 미소 중력 실험에서 얻어진 결과들과 상이한 점에 대해서는 앞에서 저신장율화염에서 반경방향으로 전도 열손실에 의한 효과임을 상세히 보인 바 있기 때문에 주요 관심은 고신장율화염에서 상이한 데이터를 나타내는 이유에 대해 논의하기로 한다.
- 미소중력 조건에서 전체화염신장율이 7 s-1인 경우에도 반경 방향 열손실에 의한 화염 진동이 나타나는 점으로 미루어 Maruta 등과 Bundy 등의 미소 중력에서도 역시 반경 방향 열손실이 크게 작용하고 있음을 유추할 수 있다. 결국 Fig. 8에서 알 수 있었던 바와 같이 Maruta 등과 Bundy 등에 의해 수행된 미소 중력 실험에서 전환점을 지나 Oppdif Code로부터의 수치해석 결과보다도 화염소화 임계몰 분율이 작게 나타나는 이유는 저신장율에서의전형적인 특성인 반경방향 열손실에 의한 효과가 여전히 작용한다는 것을 확인해주는 것이다. 한편, Oppdif Code 결과를 살펴보면 정체점 근처에서 상사성에 기반을 두기 때문에 이론적으로 버너 간격은 무한대이어야 하고 버너 직경 역시 무한대임을 의미한다.
- 이러한 연료측 Lewis 수의 범위는 과도한 열손실이 없다면 한정된 범위 내에서만 화염 진동이 나타날 수 있는 전체신장율을 제한하게 된다. 따라서 진동영역은 외곽으로의 과도한 측면 열손실의 발생으로 버너거리 15mm 조건에서 넓게 나타났으며, 버너거리가 증가함에 따라 불안정 영역은 좁아지고, 마침내 거리 25mm 조건에서는 화염소화한계에 근접하게 나타난다는 것을 알 수 있다.
- 8에 보인 바와 같이 50 mm 버너인 경우 전환점이 20 s-1로 이동하였다. 또한 전환점 이후의 전체화염신장율들에서 모든 실험 결과들이 Oppdif Code의 계산 결과들과 거의 일치하고 있는 점으로부터 버너 직경이 큰 경우에는 반경방향으로의 전도 열손실이 작아져서 고신장율의 스트레치에 의한 화염 구멍 생성과 화염 구멍을 통한 화염 소화 모드를 나타내는 전형적인 고신장율 화염 특성을 나타내는 영역이 확장되었음을 의미한다. 한편, 흥미로운 점은 Maruta 등의 미소중력에서 수행된 실험 결과에서는 16 mm 버너 직경 그리고 Bundy 등의 미소중력에 사용된 버너 직경은 10 mm 로 버너 직경이 작기 때문에 저신장율 화염에서 화염 길이가 작게 되므로 반경 방향으로 전도열손실이 비교적 큰 경우라는 것을 이해하여야 한다.
- 현재의 실험 데이터들에서 알 수 있는 바와같이 화염소화 임계 몰분율은 버너 직경이 작을수록 낮게 나타나고 버너 직경이 증가할수록 Oppdif Code로부터 얻어진 수치해석 결과와 잘 일치하고 있음을 알 수 있다. 또한 중력조건에서 수행된 실험에서 전환점 역시 버너직경이 증가할수록 낮은 전체화염신장율로 이동하는 것을알 수 있다. 저신장율화염에서 Oppdif Code로부터의 결과, Maruta 등 그리고 Budy 등의 결과보다 18 mm 버너 직경을 사용한 현재의 실험결과가 훨씬 작게 나타나는 이유는 복사열손실에 추가하여 반경방향으로의 전도 열손실에 기인하기 때문에 이해가 된다.
- 이것은 기존연구[3]에서 부력에 의한 효과는 무시할 수 있고 반경방향으로의 전도 열손실에 기인함을 보인 사실에서도 확인되듯이 저신장율 화염에서 화염 소화와 화염진동에 대한 직접적 원인인 반경 방향으로의 전도열손실이 고신장율 화염에서도 여전히 나타나 화염 천이를 유발하는 것으로 이해된다. 또한 현재 수행된 실험에서 50 mm 버너직경으로 중력 조건에서 수행된 실험 결과가 Oppdif Code에서 계산 결과에 가장 잘 일치하지만 역시 Oppdif Code 결과와 완전히 일치한 결과를 얻기 위해서는 50 mm 보다도 더 큰 버너를 사용해야 한다는 것을 의미한다.
- 한편 전체화염신장율의 전환점(Turning Point)은 버너거리가 감소함에 따라 증가하고, 속도비가 증가함에 따라 증가한다. 또한, 저신장율 화염에서의 화염소화 임계몰분율은 버너거리가 증가함에 따라 증가하고, 속도비가 감소함에 따라 증가한다. 저신장율 화염에서 버너 거리의 증가와 전체화염신장율의 증가는 Peclet 수의 증가를 의미하며, Peclet 수의 증가가 화염 안정화에 기여한다는 기존 연구들 [4,8]의 결과들과 잘 일치하고 있다.
- 이것은 버너 직경이 증가할수록 화염 길이가 증가하기 때문에 반경방향 전도열손실에 의한 영향이 작아 저신장율의 화염 소화기구에 의한 영향이 줄어든다는 것을 의미한다. 이것이 Fig. 8에 나타나듯이 18 mm 버너직경을 사용한 경우에 전환점을 지나 겉보기 고신장율 영역임에도 불구하고 Oppdif Code로 계산된 결과에 비해 매우 낮은 화염소화 임계 질소 몰분 율을 나타내지만, 26 mm 버너를 사용한 경우 고 신장율 영역에서 Oppdif 결과와 거의 일치하는 결과들을 나타내는 이유라는 것을 알 수 있다. Fig.
-
3.2 C-곡선 상에서 화염 소화 모드와 화염모드의 천이
이상의 결과들로부터 반경방향으로의 전도열손실이 화염 소화와 화염진동에 중대한 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 결국 화염길이가 반경방향으로의 전도 열손실에 중대한 역할을 한다는 것을 의미한다.
- 현재의 실험 데이터들에서 알 수 있는 바와같이 화염소화 임계 몰분율은 버너 직경이 작을수록 낮게 나타나고 버너 직경이 증가할수록 Oppdif Code로부터 얻어진 수치해석 결과와 잘 일치하고 있음을 알 수 있다. 또한 중력조건에서 수행된 실험에서 전환점 역시 버너직경이 증가할수록 낮은 전체화염신장율로 이동하는 것을알 수 있다.
후속연구
- 1) 미소중력 및 중력 조건에서 수행된 모든 실험에서 C-곡선은 화염길이가 버너 직경보다도 작은 저신장율 화염 조건에서는 복사 열손실보다도 오히려 반경 방향으로의 전도 열손실이 우세하며, 상사성 개념 하에서 1차원 수치해석에서 얻어지는 저신장율 화염소화가 복사 열손실 만에 기인하기 위해서는 버너 직경이 50mm 버너 이상의 대향류 실험이 요구된다.
- 1에서 무한대의 버너직경과 버너간격에 기반을 둔 상사성 개념에 예상되는 화염 구멍이 화염 중심에서 나타나야 하는 것과는 달리 화염 온도의 최소가 화염중심으로부터 유한한 거리에서 나타나는 점으로부터 측면 방향으로의 전도 열손실이 버너 직경이 작은 경우에는 고신장율 영역에도 여전히 영향을 주고 있음을 의미한다. 결과적으로 화염 중심부에서 화염 구멍을 통한 화염소화가 나타나기 위해서는 더 큰 버너 직경으로 실험이 수행되어야 함을 의미한다. 불행히도 Fig.
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