[논문]질소 희석된 부탄 부상화염에 있어서 화염진동에 관한 연구

윤성환; 박정; 권오붕; 김정수

doi:10.3795/ksme-b.2010.34.7.729

질소 희석된 부탄 부상화염에 있어서 화염진동에 관한 연구
Study on Flame Oscillations in Laminar Lift-off Butane Flames Diluted with Nitrogen 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.34 no.7 = no.298, 2010년, pp.729 - 738

윤성환 (부경대학교 에너지시스템공학과) , 박정 (부경대학교 기계공학과) , 권오붕 (부경대학교 기계공학과) , 김정수 (부경대학교 기계공학과)

초록
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질소로 희석된 부탄 층류 부상 화염에서 발생할 수 있는 화염진동 메커니즘을 살펴보기 위하여 실험적 연구를 수행하였다. 화염 진동은 층류 자유제트 부상 화염에서 5가지 영역으로 구분되었다: 화염 안정화 영역 (I), 열손실에 의한 진동 (II), 열손실에 의한 진동과 부력에 의한 진동이 혼재된 영역 (III),열손실에 의한 진동과 화염날림 직전의 진동이 혼재된 영역 (IV), 그리고 열손실에 의한 진동, 부력에 의한 진동 및 화염날림 직전의 진동이 모두 혼재된 영역(V). 각각의 화염진동의 특성을 규명하기 위해 화염의 시간에 따른 부상 높이 변화에 대한 FFT분석을 수행하였고 각 영역에 관련된 무차원 변수와 스트라훌 수의 조합으로 특성화 작업을 수행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The characteristics of lifted butane flames diluted with nitrogen have been investigated experimentally in order to elucidate the mechanism of individual flame oscillation modes. Flame oscillations in laminar free-jet lift-off flames are classified into the following five regimes: a stabilized lift-off regime (I), a heat-loss-induced oscillation (II), a buoyancy-induced oscillation along with a heat-loss-induced oscillation (III), a combined form of an oscillation prior to blow-out and a heat-loss-induced oscillation (IV), and a combination of an oscillation prior to blow-out and a buoyancy-induced oscillation along with a heat-loss-induced oscillation (V). The characterization of the individual flame oscillations modes are presented and discussed using Strouhal numbers and their relevant parameters by the analysis of the power spectrum for temporal variation of the lift-off height.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

0mm에서 부상 화염 실험을 수행하였다. 또한 부상 화염 높이에 따른 FFT분석을 통해 특성화 작업을 수행하였고 이러한 특성화를 토대로 각 영역의 진동 메커니즘에 대해 논의하고자 한다.
이제 각 영역 별로 특성화 작업을 수행하고자 한다. 우선 영역 I에서 나타난 부력에 의한 진동(저)을 고찰해 보면 Fig.
15의 Katta 등이 연구한 결과를 살펴보면 화염 끝 매연(soot)의 점멸현상을 매연의 복사에 의한 진동임을 규명한 바 있다. 하지만 본 연구는 이러한 화염 끝에서의 점멸현상이 화염 선단에도 영향을 미칠 수 있는지에 대해 주목하였다. 그리하여 화염 끝에서의 매연에 의한 점멸을 FFT한 결과를 Fig.

제안 방법

화염의 부상높이는 카세토미터와 디지털 VCR 카메라 (SONY, HDR-SR11)를 2차원 이송장치 위에 부착하여 이송시키며 측정하였고 화염의 선단과 노즐의 끝단을 측정하였다. FFT의 분석을 위해 주파수 분해 능력을 고려한 충분한 샘플링시간(약 547sec) 및 샘플주파수 범위를 0.00183-15Hz를 확보하여 얻어진 이미지들로부터 Matlab 기반의 프로그램을 이용하여 부상 높이에 대한 정보를 획득하게 된다.
에 따라 실험을 수행하였다. Fig. 2에 나타낸 화염안정화 선도는 FFT주파수 분석을 통해 각 영역을 구분하였다. 각 영역에 대한 설명은 다음과 같다.
0mm로 된 황동관을 각각 사용한다. 노즐 출구에서 완전 발달된 유동장을 얻기 위하여 노즐 길이를 직경기준 레이놀즈수(Re_D)에 의존한 층류 입구길이보다 충분히 긴 120, 360 mm로 하였다. 연료의 유동이 층류상태를 유지하기 위하여 Schlieren가시화를 통해 실험영역을 32<Re_D<1288로 제한하였다.
노즐부를 50cm × 50cm × 150cm의 아크릴 칸막이실 안에 위치시키고 유입되는 공기에 의한 교란을 막기 위해 노즐 하부에 메쉬를 설치하였다.
3, 1mm에서 실험을 수행하여 화염진동을 기초로 화염안정화 선도를 제시하였다. 또한 각각의 진동불안정성을 각 영역에 관련된 무차원 변수를 도입하여 특성화 작업을 수행하였다.
부상 화염의 진동 특성을 파악하기 위해 본 연구에서는 제트의 노즐출구 속도, U_O 및 질소 희석에 따른 부탄 연료몰분율, X_F,O에 따라 실험을 수행하였다. Fig.
우선 화염 안정화영역에서 동축류에서 나타난 부력에 의한 진동^(12,13)과 유사한 진동(저)을 국부적으로 관찰하였고 동축류와 마찬가지로 노즐출구속도와 스트라훌 수로 특성화를 하였다. 열손실에 의한 진동은 자유제트에서 거의 모든 층류 부상화염에서 관찰할 수 있었으며 열손실 인자와 평균부상높이, 칼로비치 수 및 노즐 유효직경과스트라훌 수로 특성화를 수행하였고 잘 일치하였다.
이러한 Bilger 연구그룹의 연구결과를 토대로 본 연구는 저주파수 진동과 기존의 알려진 부력 및 화염날림 근처에서의 진동특성을 조사하였고 현재의 연구에서는 노즐직경 0.3, 1.0mm에서 부상 화염 실험을 수행하였다. 또한 부상 화염 높이에 따른 FFT분석을 통해 특성화 작업을 수행하였고 이러한 특성화를 토대로 각 영역의 진동 메커니즘에 대해 논의하고자 한다.
질소 희석된 부탄을 연료로 층류 자유제트 부상 화염실험을 노즐 직경 0.3, 1mm에서 실험을 수행하여 화염진동을 기초로 화염안정화 선도를 제시하였다. 또한 각각의 진동불안정성을 각 영역에 관련된 무차원 변수를 도입하여 특성화 작업을 수행하였다.
노즐부를 50cm × 50cm × 150cm의 아크릴 칸막이실 안에 위치시키고 유입되는 공기에 의한 교란을 막기 위해 노즐 하부에 메쉬를 설치하였다. 화염의 부상높이는 카세토미터와 디지털 VCR 카메라 (SONY, HDR-SR11)를 2차원 이송장치 위에 부착하여 이송시키며 측정하였고 화염의 선단과 노즐의 끝단을 측정하였다. FFT의 분석을 위해 주파수 분해 능력을 고려한 충분한 샘플링시간(약 547sec) 및 샘플주파수 범위를 0.

대상 데이터

실험 장치는 유량 조절부, 노즐부, 측정부로 구성되어 있으며 그 개략도는 Fig. 1에 나타내었다. 실험에서 사용할 노즐은 슈퍼드릴(SD-1M)로 가공된 외경 2.
1에 나타내었다. 실험에서 사용할 노즐은 슈퍼드릴(SD-1M)로 가공된 외경 2.0mm, 내경 0.3mm의 스테인리스 강관과 노즐 직경에 따른 화염곡률 및 부력효과를 부각시키기 위해 외경 2.4mm, 내경 1.0mm로 된 황동관을 각각 사용한다. 노즐 출구에서 완전 발달된 유동장을 얻기 위하여 노즐 길이를 직경기준 레이놀즈수(Re_D)에 의존한 층류 입구길이보다 충분히 긴 120, 360 mm로 하였다.
여기서 Xrich값은 예혼합가지가 연결되었기 때문에 화염중심부의 혼합분율과 과농 한계지점에서의 혼합분율이 동일하다고 고려하여 X_rich=X_CL으를 사용하였으며 X_CL은 실험 값을 사용하였다. 그리고 앞서 3.

성능/효과

또한 주위류의 도움이 수반되지 않아 동축류와는 달리 진폭이 크지 않다. 그럼에도 불구하고 시간에 따른 화염 부상높이를 FFT한 결과 3.78Hz가 도출되었고 이를 밴드패스 필터링(3.5-4.0Hz)하여 부상높이 편차와 비교하였을 때 Fig. 3에서 보듯 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 현 연구에서는 이러한 부력에 의한 진동(저)이 1.
열손실에 의한 진동은 자유제트에서 거의 모든 층류 부상화염에서 관찰할 수 있었으며 열손실 인자와 평균부상높이, 칼로비치 수 및 노즐 유효직경과스트라훌 수로 특성화를 수행하였고 잘 일치하였다. 그리고 화염 내 열손실이 존재한다면 화염전파속도의 감소로 인해 화염은 후류로 밀려나다가 스칼라소산율의 증가로 말미암아 화염전파속도의 증가로 인해 다시 상류로 복귀하는 메커니즘으로 이해할 수 있었다. 또한 매연 복사에 의한 진동은 선행연구⁽¹⁵⁾에서 매연의 점멸현상과 달리 화염선단에도 저주파수의 진동현상을 관찰할 수 있었다.
마지막으로 화염날림 직전의 진동은 삼지화염 전파와 화염선단 전파에 따라 특성화가 다르게 나타났고 삼지화염 전파는 무차원화된 특성거리와 Bilger연구그룹이 제안한 화염중심부의 혼합분율⁽¹⁶⁾이 스트라훌 수와 잘 일치하였고 화염선단 전파는 무차원화된 특성거리와 Bilger연구그룹이 제안한 스칼라 소산율식⁽¹⁶⁾이 스트라훌 수와 잘 일치하였다. 그리고 화염이 화염선단 전파를 띄는 경우 화염날림 직전의 진동을 억제하는 것으로 나타났다.
6(a)과 비교하면 화염선단에는 영향을 주지 않은 것을 알 수 있다. 다음으로 저주파수 영역 대를 살펴보면 화염선단과 매우 유사하며 특히 화염선단의 0.133Hz와 유사한 0.145Hz가 도출됨을 알 수 있다. 이 점을 명확히 하기 위해 매연 영역에서 도출된 주파수를 화염선단과 매연 영역에서 밴드패스 필터링한 결과를 Fig.
11 The dependency of buoyancy-induced(high) Strouhal number on Richardson number 현하고 있다. 또한 화염선단 전파를 나타내는 B표기를 살펴보면 삼지화염 전파 (A)와는 달리 기울기가 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 Fig.
부력에 의한 진동(고)은 화염날림 직전의 진동을 억제하는 것으로 나타났다. 마지막으로 화염날림 직전의 진동은 삼지화염 전파와 화염선단 전파에 따라 특성화가 다르게 나타났고 삼지화염 전파는 무차원화된 특성거리와 Bilger연구그룹이 제안한 화염중심부의 혼합분율⁽¹⁶⁾이 스트라훌 수와 잘 일치하였고 화염선단 전파는 무차원화된 특성거리와 Bilger연구그룹이 제안한 스칼라 소산율식⁽¹⁶⁾이 스트라훌 수와 잘 일치하였다. 그리고 화염이 화염선단 전파를 띄는 경우 화염날림 직전의 진동을 억제하는 것으로 나타났다.
부력에 의한 진동(고)은 명멸화염과 양초화염에서 보이는 부력에 의한 켈빈-헬름홀츠 불안정성과 유사하였으며 비반응 유동장에서의 이전 연구⁽¹⁴⁾와 마찬가지로 리차드슨 수와 스트라훌 수로 잘 일치하였다. 부력에 의한 진동(고)은 화염날림 직전의 진동을 억제하는 것으로 나타났다. 마지막으로 화염날림 직전의 진동은 삼지화염 전파와 화염선단 전파에 따라 특성화가 다르게 나타났고 삼지화염 전파는 무차원화된 특성거리와 Bilger연구그룹이 제안한 화염중심부의 혼합분율⁽¹⁶⁾이 스트라훌 수와 잘 일치하였고 화염선단 전파는 무차원화된 특성거리와 Bilger연구그룹이 제안한 스칼라 소산율식⁽¹⁶⁾이 스트라훌 수와 잘 일치하였다.
과 유사한 진동(저)을 국부적으로 관찰하였고 동축류와 마찬가지로 노즐출구속도와 스트라훌 수로 특성화를 하였다. 열손실에 의한 진동은 자유제트에서 거의 모든 층류 부상화염에서 관찰할 수 있었으며 열손실 인자와 평균부상높이, 칼로비치 수 및 노즐 유효직경과스트라훌 수로 특성화를 수행하였고 잘 일치하였다. 그리고 화염 내 열손실이 존재한다면 화염전파속도의 감소로 인해 화염은 후류로 밀려나다가 스칼라소산율의 증가로 말미암아 화염전파속도의 증가로 인해 다시 상류로 복귀하는 메커니즘으로 이해할 수 있었다.

후속연구

1정도의 범위를 띄기 때문에 루이스 수와의 연관성은 현재의 연구에서 관련짓기 힘들다. 하지만 알려진 루이스 수에 의한 진동O(1Hz)과 매우 유사한 주파수를 띄고 있음으로 향후 루이스 수와의 관련성을 연관 지을 수 있는 충분한 여지가 남아있다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	질소로 희석된 부탄 층류 부상 화염에서 발생할 수 있는 각각의 화염진동의 특성을 규명하기 위해서 어떤 작업이 수행되었는가?	화염 진동은 층류 자유제트 부상 화염에서 5가지 영역으로 구분되었다: 화염 안정화 영역 (I), 열손실에 의한 진동 (II), 열손실에 의한 진동과 부력에 의한 진동이 혼재된 영역 (III),열손실에 의한 진동과 화염날림 직전의 진동이 혼재된 영역 (IV), 그리고 열손실에 의한 진동, 부력에 의한 진동 및 화염날림 직전의 진동이 모두 혼재된 영역(V). 각각의 화염진동의 특성을 규명하기 위해 화염의 시간에 따른 부상 높이 변화에 대한 FFT분석을 수행하였고 각 영역에 관련된 무차원 변수와 스트라훌 수의 조합으로 특성화 작업을 수행하였다.
	화염진동 메커니즘의 5가지 영역은?	질소로 희석된 부탄 층류 부상 화염에서 발생할 수 있는 화염진동 메커니즘을 살펴보기 위하여 실험적 연구를 수행하였다. 화염 진동은 층류 자유제트 부상 화염에서 5가지 영역으로 구분되었다: 화염 안정화 영역 (I), 열손실에 의한 진동 (II), 열손실에 의한 진동과 부력에 의한 진동이 혼재된 영역 (III),열손실에 의한 진동과 화염날림 직전의 진동이 혼재된 영역 (IV), 그리고 열손실에 의한 진동, 부력에 의한 진동 및 화염날림 직전의 진동이 모두 혼재된 영역(V). 각각의 화염진동의 특성을 규명하기 위해 화염의 시간에 따른 부상 높이 변화에 대한 FFT분석을 수행하였고 각 영역에 관련된 무차원 변수와 스트라훌 수의 조합으로 특성화 작업을 수행하였다.
	화염 진동의 원인은?	화염진동은 비예혼합 화염과 부분 예혼합화염 구조에서 다양하게 관찰되었고 미소중력에서 소화 직전의 촛불화염, (1) 그리고 희석된 프로판, 메탄의 응축연료(3,4)에서 그 동안 광범위하게 연구되어 왔다. 이러한 화염 진동의 원인으로 화염 내 열손실과 열 및 물질전달의 차에 의해 나타나는 현상으로 밝혀진 바 있다.(5~11) 특히 최근에 에지화염 불안정성은 순수 열손실에 의해 기인하며(10) 특히 저 신장율 대향류 확산화염에서 버너직경이 유한할 때 과도한복사 열손실 및 반경방향 전도 열손실로 인해 연료 루이스수가 1보다 작음에도 불구하고 화염진동이 발생된다고 보고되고 있다.

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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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