[논문]층류확산화염의 불안정성에 대한 매연생성 특성의 역할

남연우; 이원남

층류확산화염의 불안정성에 대한 매연생성 특성의 역할
Soot Formation Characteristics on the Instability of Laminar Diffusion Flames 원문보기

한국연소학회지 = Journal of the Korean Society of Combustion, v.15 no.3, 2010년, pp.74 - 81

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, soot formation characteristics on the instability of laminar diffusion flames were investigated experimentally using a concentric co-flow burner. When a small amount of air was supplied through an inner nozzle, a stable propane laminar diffusion flame became unstable and began to oscillate mainly due to the dilution effect. The increase of air flow rate transformed an oscillating non-sooting flame into a stable nonsooting flame. When the air flow rate was continuously increased an inner flame was formed and the flame was changed to an oscillating sooting flame, an oscillating non-sooting flame and finally a stable non-sooting hollow flame. When the air flow rate was decreased, a non-sooting hollow flame was eventually changed back to a stable non-sooting flame. The presence of an inner flame, however, altered the soot formation characteristics of a flame. More soot production was observed with the presence of an inner flame. The increased or decreased soot formation/oxidation rates, the radiation heat loss, and the heating effect of inner flames are most likely to be responsible for the observed instability of laminar diffusion flames.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

화염 내부의 매연체적분율이 감소하면 복사 열손실이 감소하고 화염 온도가 상대적으로 높게 유지되어 부력 효과에 따른 화염의 불안정성이 발생할 수 있다고 하였다. 따라서 본 연구에서는 매연의 방출과 진동이 동시에 관찰된 프로판 확산화염에 대하여 실험을 수행하였다. 화염의 매연생성 특성과 화염 온도의 관계를 이해하기 위하여 이중 동축류 버너를 사용하였다.
화염의 매연생성 특성과 화염 온도의 관계를 이해하기 위하여 이중 동축류 버너를 사용하였다. 이때 프로판 확산화염의 내부 노즐로 공급되는 공기의 유량을 단계적으로 변화시키면서 매연생성 특성이 확산화염의 불안정성에 미치는 영향을 알아보았다.

제안 방법

매연생성 특성이 확산화염의 불안정성에 미치는 영향을 이중 동축류 프로판 확산화염을 이용하여 실험적으로 알아보았다. 내부 노즐로 공급된 공기 유량의 증가와 감소에 따라 화염이 진동하거나 매연이 방출되는 다양한 현상이 관찰되었다.
64 mm인 내부 노즐로 구성되었다. 외부 노즐과 내부 노즐 사이의 간격을 일정하게 유지하고 두 노즐의 중심을 정확히 일치시켜서 항상 축대칭 화염이 형성되도록 하였다. 외부 노즐을 통하여 프로판(순도 99.
5% 이상)을 공급하였으며 내부 노즐에는 실험 조건에 따라 유량을 변화시킨 공기가 공급되었다. 외부 노즐에 공급되는 프로판 유량을 180 sccm(standard cubic centimeter per minute, 1기압, 0℃)로 일정하게 유지하고 내부 노즐의 공기 유량은 0에서 2,000 sccm까지 단계별로 변화시키면서 실험하였다. 이때 공기 유량을 0에서 2,000 sccm으로 증가시키는 방향(이하 upward)과 2,000에서 0 sccm으로 감소시키는 방향(이하 downward)의 2가지 방법으로 실험을 진행하였다.
외부 노즐에 공급되는 프로판 유량을 180 sccm(standard cubic centimeter per minute, 1기압, 0℃)로 일정하게 유지하고 내부 노즐의 공기 유량은 0에서 2,000 sccm까지 단계별로 변화시키면서 실험하였다. 이때 공기 유량을 0에서 2,000 sccm으로 증가시키는 방향(이하 upward)과 2,000에서 0 sccm으로 감소시키는 방향(이하 downward)의 2가지 방법으로 실험을 진행하였다. 화염을 안정화시키기 위하여 노즐 주위로 60 slpm(standard liter per minute)의 shield 공기가 공급되었다.
화염 내부의 매연입자에서 발생한 2-D 산란 신호는 CCD 카메라를 이용하여(f=105 mm, 셔터 속도 1/50,000 sec) 레이저가 조사된 수직 방향에서 측정되었다. 진동하는 화염의 진동 특성을 이해하기 위하여 CCD 카메라로 60 fps의 동영상을 촬영하였으며, 특정 조건에 대하여 디지털 카메라(Nikon, D-100)로 직접사진을 촬영하였다.
진동하며 매연을 방출하는 조건(650 sccm)에서 앙상블 기법으로 시간에 따라 변하는 매연체적분율과 화염 온도를 측정하였다. Fig.
화염의 내부 구조와 매연 분포를 알아보기 위하여 532 nm 파장의 Nd:YAG 레이저(Big Sky Laser, CFR 200)와 실린더형 렌즈 및 CCD 카메라(Sony, XCHR50)를 이용하여 레이저 광산란 신호를 측정하였다. 화염 내부의 매연입자에서 발생한 2-D 산란 신호는 CCD 카메라를 이용하여(f=105 mm, 셔터 속도 1/50,000 sec) 레이저가 조사된 수직 방향에서 측정되었다. 진동하는 화염의 진동 특성을 이해하기 위하여 CCD 카메라로 60 fps의 동영상을 촬영하였으며, 특정 조건에 대하여 디지털 카메라(Nikon, D-100)로 직접사진을 촬영하였다.
화염의 내부 구조와 매연 분포를 알아보기 위하여 532 nm 파장의 Nd:YAG 레이저(Big Sky Laser, CFR 200)와 실린더형 렌즈 및 CCD 카메라(Sony, XCHR50)를 이용하여 레이저 광산란 신호를 측정하였다. 화염 내부의 매연입자에서 발생한 2-D 산란 신호는 CCD 카메라를 이용하여(f=105 mm, 셔터 속도 1/50,000 sec) 레이저가 조사된 수직 방향에서 측정되었다.
진동하는 화염의 매연체적분율과 온도 측정은 진동주기를 고려하는 앙상블 기법을 사용하였다. 화염의 위상과 동기시키면서 신호를 5 kHz의 측정 주파수로 5초 동안 측정하고 위상을 일치시켜 평균값을 구하여 진동모드 각각에서 매연체적분율과 화염 온도를 측정할 수 있었다.

대상 데이터

1의 이중 동축류 버너가 사용되었다. 이중 동축류 버너는 내경이 11.1 mm인 외부 노즐과 외경과 내경이 각각 6.35 mm와 5.64 mm인 내부 노즐로 구성되었다. 외부 노즐과 내부 노즐 사이의 간격을 일정하게 유지하고 두 노즐의 중심을 정확히 일치시켜서 항상 축대칭 화염이 형성되도록 하였다.
화염을 안정화시키기 위하여 노즐 주위로 60 slpm(standard liter per minute)의 shield 공기가 공급되었다. 프로판과 공기의 유량 제어에는 질량흐름제어장치(MKS, MFC)와 readout 장치(LOKAS, GMATE 2000)가 사용되었다.
따라서 본 연구에서는 매연의 방출과 진동이 동시에 관찰된 프로판 확산화염에 대하여 실험을 수행하였다. 화염의 매연생성 특성과 화염 온도의 관계를 이해하기 위하여 이중 동축류 버너를 사용하였다. 이때 프로판 확산화염의 내부 노즐로 공급되는 공기의 유량을 단계적으로 변화시키면서 매연생성 특성이 확산화염의 불안정성에 미치는 영향을 알아보았다.

이론/모형

이때 측정된 온도는 측정 경로에 따라 적분된 화염의 평균 또는 대표 온도를 나타내며 매연이 가장 많이 존재하는 지역의 온도를 나타내는 것으로 알려져 있다[11]. 진동하는 화염의 매연체적분율과 온도 측정은 진동주기를 고려하는 앙상블 기법을 사용하였다. 화염의 위상과 동기시키면서 신호를 5 kHz의 측정 주파수로 5초 동안 측정하고 위상을 일치시켜 평균값을 구하여 진동모드 각각에서 매연체적분율과 화염 온도를 측정할 수 있었다.
화염의 수평단면에서 중심을 지나는 직경에 대해서 적분된 매연체적분율(이후 적분된 매연체적분율)은 레이저 광소멸법[9]을 이용하여 측정하였으며 여기에는 아르곤이온 레이저(Spectra Physics, Stabilite-2017)과 광다이오드(Hamamatsu, S2281-01)가 사용되었다. 화염 온도는 이색법으로 측정하였으며 자세한 측정 방법은 참고문헌[10]에 나와 있다. 이때 측정된 온도는 측정 경로에 따라 적분된 화염의 평균 또는 대표 온도를 나타내며 매연이 가장 많이 존재하는 지역의 온도를 나타내는 것으로 알려져 있다[11].
화염의 수평단면에서 중심을 지나는 직경에 대해서 적분된 매연체적분율(이후 적분된 매연체적분율)은 레이저 광소멸법[9]을 이용하여 측정하였으며 여기에는 아르곤이온 레이저(Spectra Physics, Stabilite-2017)과 광다이오드(Hamamatsu, S2281-01)가 사용되었다. 화염 온도는 이색법으로 측정하였으며 자세한 측정 방법은 참고문헌[10]에 나와 있다.

성능/효과

내부화염이 존재하면 매연생성 증가에 따른 늘어나는 복사 열손실에 의한 화염 온도 감소와 내부화염의 존재에 따른 화염 온도 증가가 복합적으로 작용하여 부력효과가 나타나고 그 결과로 화염의 불안정성이 정해진다고 해석될 수 있다. 내부 노즐에 화염이 존재하지 않으면 공급되는 공기의 희석효과로 매연의 생성과 복사 열 손실이 감소하여 화염의 상부에서 부력효과가 나타나고 화염이 진동하는 것을 알 수 있었다.
내부화염이 존재하는 경우 대체적으로 매연의 생성이 증가하였으며 화염의 크기가 비교적 길게 유지되고 downward 300 sccm 의 경우를 제외한 모든 화염에서 진동이 발생하였다. 따라서 내부 역확산화염의 존재 유무는 매연생성 특성을 변화시키고 이는 화염의 불안정성에 크게 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 내부화염이 존재하면 매연생성 증가에 따른 늘어나는 복사 열손실에 의한 화염 온도 감소와 내부화염의 존재에 따른 화염 온도 증가가 복합적으로 작용하여 부력효과가 나타나고 그 결과로 화염의 불안정성이 정해진다고 해석될 수 있다.
8은 내부 노즐에 공급되는 공기의 증가로 화염의 선단이 열리면서 길이가 짧아지는 것을 보여주며 이때 내부 화염은 노즐에 부착되어 있는 역확산화염의 형태를 유지하고 있다. 매연입자의 산란 신호로부터 화염 내부에서 생성된 매연 입자가 모두 산화된다는 것을 확인할 수 있다. 이 구간에서 생기는 화염의 진동은 내부화염으로 인해 상대적으로 높은 온도가 형성되면서 부력효과에 의해 발달하는 와동에 의해 발생하기 때문이라고 생각된다.
공기 유량이 좀 더 증가할 경우(upward 650 sccm) 확산화염 내부에 노즐에 부착된 역확산화염이 발생하고 전체 화염은 진동하며 매연을 화염 외부로 방출하였다. 시간에 따라 변화하는 매연체적분율과 화염 온도의 측정 결과로 부터 내부 노즐에 부착되어 형성된 역확산화염이 매연생성과 화염의 불안정성 모두를 증가시키기 때문이라는 것을 알 수 있었다. 공기 유량을 더 증가시키면 화염은 진동하지만 매연의 방출이 없는 형태를 보이다가 궁극적으로 내부에 부상화염을 갖는 안정된 중공 화염의 형태가 되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	내부화염이 존재하는 경우 어떤 것들이 발생하는가?	내부 노즐로 공급되는 공기 유량을 감소시키면 공기 유량이 적어도(downward 300~600 sccm) 내부에 역확산화염이 형성되었다. 내부화염이 존재하는 경우 대체적으로 매연의 생성이 증가하였으며 화염의 크기가 비교적 길게 유지되고 downward 300 sccm 의 경우를 제외한 모든 화염에서 진동이 발생하였다. 따라서 내부 역확산화염의 존재 유무는 매연생성 특성을 변화시키고 이는 화염의 불안정성에 크게 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
	동축류 확산화염의 화염의 길이가 길어지면 발생하는 것은?	동축류 확산화염은 화염의 길이가 길어지면 부력 효과로 인해 화염의 주위에 와동이 발생하여 화염이 불안정해지고 진동하게 된다. 따라서 동축류 확산화염은 화염과 와동의 상호 작용에 관한 연구에 많이 이용되고 있다[1-5].
	동축류 확산화염의 불안정 특성은 연료의 종류에 따라 어떻게 나타나는가?	남연우[8]는 동일한 버너에서 다양한 연료를 사용하여 연료의 유량을 증가시키면서 동축류 확산화염의 불안정성 특성을 알아보았다. 에틸렌과 프로필렌 화염은 연료의 유량에 관계없이 계속하여 안정적인 상태를 유지하는 반면 메탄, 에탄, 프로판 및 n-부탄 화염은 연료 유량이 증가하면 불안정해지고 진동하였다. 특히 프로판과 n-부탄 화염에서는 연료 유량에 따라 매연이 방출되면서 화염이 진동하는 현상이 관찰되었다. 이때 연료에 따른 화염 불안정성 특성의 차이는 화염 내부에 생성되는 매연량의 차이로 해석되었다.

참고문헌 (18)

Chen, L. D., Seaba, J. P., Roquemore, W. M. and Goss, L. P., "Buoyant diffusion flames", Symposium(International) on Combustion, Vol. 22, Issue 1, 1988, pp. 677-684
Thevenin, D., Renard, P. H., Fiechtner, G. J., Gord, J. R. and Rolon, J. C., "Regimes of nonpremixed flame-vortex interactions", Symposium(International) on Combustion, Vol. 28, Issue 2, 2000, pp. 2101-2108
Renard, P. H., Thevenin, D., Rolon, J. C. and Candel, S., "Dynamics of flame/vortex interactions", Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 26, 2000, pp. 225-282

상세보기
Pan, K. L., Qian, J., Law, C. K. and Shyy, W., "The role of hydrodynamic instability in flamevortex interaction", Proceedings of the Combustion Institute, Vol. 29, Issue 2, 2002, pp. 1695-1704

상세보기
Davis, R. W., Moore, E. F., Santoro, R. J. and Ness, J. R., "Isolation of buoyancy effects in jet diffusion flame experiments", Combustion Science and Technology, Vol. 73, 1990, pp. 625-635

상세보기
Katta, V. R., Roquemore, W. M., Menon, M., Lee, S. Y., Santoro, R. J. and Litzinger, T. A., "Impact of soot on flame flicker", Proceedings of the Combustion Institute, Vol. 32, Issue 1, 2009, pp. 1343-1350

상세보기
Shaddix, C. R., Williams, T. C., Blevins, L. G., and Schefer, R. W., "Flame structure of steady and pulsed sooting inverse jet diffusion flames", Proceedings of the Combustion Institute, Vol. 30, Issue 1, 2005, pp. 1501-1508

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남연우, 배승만, 이원남 "화염의 유동장과 온도에 따른 동축류 확산화염의 불안정 특성", 제 40회 KOSCO Symposium 논문집, 2010, pp. 47-52
이원남, "동축류 확산화염의 매연생성에 미치는 연료에 첨가된 산화제의 영향", 한국연소학회지, 제3권, 제1호, 1998, pp. 11-19

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남연우, 이원남, "Ratio pyrometry를 이용한 매연 입자 온도 계측에 대한 고찰", 제 29회 KOSCO Symposium 논문집, 2004, pp. 124-129
이원남, "매연 및 온도 분포에 따른 이색법 확산화염온도의 오차", 산업기술연구, 제3권, 단 국대학교 산업기술연구소, 2003, pp. 63-74
$G\ddot{u}lder$ , O. L. and Snelling, D. R., "Influence of nitrogen dilution and flame temperature on soot formation in diffusion flames", Combustion and Flame, Vol. 92, 1993, pp. 115-124

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강희곤, 이원남, "확산화염 매연생산에 미치는 회석제 및 산화제의 영향", 대한기계학회 학술대회, 제1권, 제2호, 1996, pp. 548-553
이원남, 정용현, "매연입자 온도 측정에 의한 확산화염의 매연생성 특성 해석", 제 19회 KOSCO Symposium, 1999, pp. 241-249
남연우, 이원남, "Modulated LII 신호와 이색법을 이용한 매연입자 온도 계측", 제 33회 KOSCO Symposium, 2006, pp. 110-116
이교우, 정종수, 황정호, "동축 이중 에틸렌 확산화염의 매연 농도분포 및 온도 측정", 대한기계학회 논문집 B권, 제26권, 제3호, 2002, pp. 402-409

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Sidebotham, G. W. and Glassman, I., "Flame temperature, fuel structure, and fuel concentration effects on soot formation in inverse diffusion flames", Combustion and Flame, Vol. 90, 1992, pp. 269-272

상세보기
정종수, 이교우, "동축 이중 확산화염에 대한 중앙 공기제트 유동의 영향", 대한기계학회 학술대회, 제1권, 제2호, 1997, pp. 37-42

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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