액체연료를 사용하는 풀화재에서 화염불안정성에 대하여 산화제 유속변화와 농도변화의 효과를 알아보기 위해 컵버너 실험을 수행하였다. 연료는 헵탄을 사용하였고, 산화제는 공기에 질소와 이산화탄소를 희석하였다. 소화근처에서 축방향 및 화염 밑면에서 두 가지 형태의 대표적인 불안정성이 관찰되었다. 화염 밑면에서 발생되는 불안정성은 셀, 스윙, 회전 모드로 특성화 할 수 있고, 산화제의 유속이 증가할수록 모든 불활성 기체에서 셀, 스윙 모드에서 회전모드로 천이하였다. 이러한 화염밑면 불안정성에 영향을 미치는 변수들을 파악하기 위하여 초기혼합률, Le 수, 단열화염온도에 대해서도 함께 조사되었다. 이 중 Le 수가 불안정성 모드와 가장 큰 상관관계를 보이고 있지만 보다 정확한 관계를 규명하기 위해서는 더 많은 실험조건에서의 결과가 요구된다. 또한, 소화농도근처의 화염에서는 유속이 작거나 큰 경우에는 축방향 주기적인 진동불안정성이 나타나지 않고, 적절한 산화제 속도 영역에서만 관찰된다. 이는 작은 유속에서는 증발하는 연료속도가 임계유속이하이며, 큰 유속에서는 반응중인 연료유속과 산화제 유속이 유사하기 때문으로 판단된다.
액체연료를 사용하는 풀화재에서 화염불안정성에 대하여 산화제 유속변화와 농도변화의 효과를 알아보기 위해 컵버너 실험을 수행하였다. 연료는 헵탄을 사용하였고, 산화제는 공기에 질소와 이산화탄소를 희석하였다. 소화근처에서 축방향 및 화염 밑면에서 두 가지 형태의 대표적인 불안정성이 관찰되었다. 화염 밑면에서 발생되는 불안정성은 셀, 스윙, 회전 모드로 특성화 할 수 있고, 산화제의 유속이 증가할수록 모든 불활성 기체에서 셀, 스윙 모드에서 회전모드로 천이하였다. 이러한 화염밑면 불안정성에 영향을 미치는 변수들을 파악하기 위하여 초기혼합률, Le 수, 단열화염온도에 대해서도 함께 조사되었다. 이 중 Le 수가 불안정성 모드와 가장 큰 상관관계를 보이고 있지만 보다 정확한 관계를 규명하기 위해서는 더 많은 실험조건에서의 결과가 요구된다. 또한, 소화농도근처의 화염에서는 유속이 작거나 큰 경우에는 축방향 주기적인 진동불안정성이 나타나지 않고, 적절한 산화제 속도 영역에서만 관찰된다. 이는 작은 유속에서는 증발하는 연료속도가 임계유속이하이며, 큰 유속에서는 반응중인 연료유속과 산화제 유속이 유사하기 때문으로 판단된다.
A cup burner experiment was performed to investigate the effect of the oxidizer velocity and concentration on flame instability near extinction. Heptane was used as a fuel and air diluted by nitrogen and carbon dioxide was used in the oxidizer stream. Two types of flame instabilities at the flame ba...
A cup burner experiment was performed to investigate the effect of the oxidizer velocity and concentration on flame instability near extinction. Heptane was used as a fuel and air diluted by nitrogen and carbon dioxide was used in the oxidizer stream. Two types of flame instabilities at the flame base and at axial downstream were observed near extinction. The instability at the flame base could be characterized by cell, swing, and rotation modes, and the cell mode changed to the rotation mode through the swing mode as the oxidizer velocity increased. To assess the parameters for the flame instability, the initial mixture strengths, Lewis number, and adiabatic flame temperature were investigated under each condition. The Lewis number might be the most important among them, but it is impossible to generalize because of the insufficient number of cases. Furthermore, the axial periodic flickering motion disappeared at low and high oxidizer velocities near extinction. This resulted from the fact that low oxidizer velocity induced evaporated fuel velocity below the critical velocity and high velocity made the reacting fuel velocity comparable.
A cup burner experiment was performed to investigate the effect of the oxidizer velocity and concentration on flame instability near extinction. Heptane was used as a fuel and air diluted by nitrogen and carbon dioxide was used in the oxidizer stream. Two types of flame instabilities at the flame base and at axial downstream were observed near extinction. The instability at the flame base could be characterized by cell, swing, and rotation modes, and the cell mode changed to the rotation mode through the swing mode as the oxidizer velocity increased. To assess the parameters for the flame instability, the initial mixture strengths, Lewis number, and adiabatic flame temperature were investigated under each condition. The Lewis number might be the most important among them, but it is impossible to generalize because of the insufficient number of cases. Furthermore, the axial periodic flickering motion disappeared at low and high oxidizer velocities near extinction. This resulted from the fact that low oxidizer velocity induced evaporated fuel velocity below the critical velocity and high velocity made the reacting fuel velocity comparable.
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문제 정의
제트 대신 풀화재를 화원으로 사용하는 경우에는 부력지배적인 화염이 형성되므로 두 가지의 불안정성 모드인 축방향 떨림과 밑면의 불안정성을 동시에 구현할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 본 연구에서는 컵버너(cup burner)를 모델로 확산화염의 산화제에 불활성기체(N2, CO2)를 희석한 헵탄연료로 유속변화와 농도변화에 대한 화염밑면과 축방향 진동에 관한 불안정성에 관하여 실험적 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 N2 CO2 등 다양한 불활성가스 희석에 대한 화염불안정성을 컵버너에서 형성된 풀화재에서 검토하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
또한, 연료나 산화제에 불활성기체를 주입하면 반응물의 조성 비율이 달라져 물질확산과 열확산의 비(Lewis number)가 변화하여 이로 인해서 화염전파속도나 화염면의 온도가 변화하게 된다. 본 연구에서는 산화제에 다양한 불활성 기체를 첨가하여 유속변화와 농도변화에 대해 화염 밑면에서의 불안정성 형태를 조사함과 동시에 각 불안정성의 떨림 주파수를 측정하였다. Fig.
본 연구에서는 풀화재에서의 산화제 유속과 농도 변화에 따른 화염의 떨림 주파수를 측정하였다. 컵버너 실험 장치는 NFPA 2001 Standard(15) 를 참고하여 제작하였으며, 자세한 구성은 Fig.
제안 방법
화염의 소화여부 기준은 눈으로 관찰하여 3분 이내에 불이 꺼지면 소화농도로 간주하였다. 또한 유속에 따른 소화기구를 설명하기 위해 단위면적당 연료소모율을 측정하였다. 연료소모율은 경계조건을 일정하게 만들고 일정한 수위를 고정하기 위해 만든 Fig.
유속을 2 cm/s (2 cm/s ~ 16 cm/s)씩 증가시켜가면서 실험을 하였고, 산화제 측의 공기와 희석을 위한 불활성가스는 버블미터(bubble meter)로 검증된 MFC(mass flow controller)를 사용하여 유량을 오차범위 ±1%미만으로 제어하였으며 측정 장치의 하부로 공급된다. 실험은 먼저 연료를 점화시킨 후에 2분 동안 충분히 가열한 다음 화염의 안정성을 확인하였다. 이후, 산화제측 전체 유속을 고정시키고 공기와 불활성기체의 조성 비율을 조절하면서 공급하였다.
또한 유속에 따른 소화기구를 설명하기 위해 단위면적당 연료소모율을 측정하였다. 연료소모율은 경계조건을 일정하게 만들고 일정한 수위를 고정하기 위해 만든 Fig. 1의 장치에서 일정시간 동안 공급되는 전체연료량에서 컵버너로 이동하지 못하고 밑으로 남은 연료량의 차이로부터 연소로 소모된 유량을 측정하였다. 화염 사진 및 주파수는 초당 30 frames의 촬영이 가능한 디지털 카메라(Nikkon, D90) 이용하여 촬영하여 분석하였다.
유속을 2 cm/s (2 cm/s ~ 16 cm/s)씩 증가시켜가면서 실험을 하였고, 산화제 측의 공기와 희석을 위한 불활성가스는 버블미터(bubble meter)로 검증된 MFC(mass flow controller)를 사용하여 유량을 오차범위 ±1%미만으로 제어하였으며 측정 장치의 하부로 공급된다.
4에는 각 불활성가스에 따른 화염 밑면에서의 진동주파수를 유속에 따라 나타내었다. 유속이 낮을 때에 일정한 진동주파수가 나타나지 않아 일정한 진동주기가 나타나는 유속 6 cm/s에서부터 진동주파수를 측정하였다. 다양한 화염 불안정성에 따른 진동주파수를 조사한 결과 질소 희석의 경우에는 스윙 모드로 나타나는 진동주파수는 4~6 Hz 정도 이며, 회전 모드로 나타나는 진동주파수는 대략 절반인 2~3 Hz 정도이다.
이후, 산화제측 전체 유속을 고정시키고 공기와 불활성기체의 조성 비율을 조절하면서 공급하였다. 이 때, 각 유속에서 10초 동안 적당한 시간을 배분하여 해당 공기와 불활성기체의 충분한 조성이 이루어 질수 있도록 하였다. 화염의 소화여부 기준은 눈으로 관찰하여 3분 이내에 불이 꺼지면 소화농도로 간주하였다.
실험은 먼저 연료를 점화시킨 후에 2분 동안 충분히 가열한 다음 화염의 안정성을 확인하였다. 이후, 산화제측 전체 유속을 고정시키고 공기와 불활성기체의 조성 비율을 조절하면서 공급하였다. 이 때, 각 유속에서 10초 동안 적당한 시간을 배분하여 해당 공기와 불활성기체의 충분한 조성이 이루어 질수 있도록 하였다.
화염 밑면 불안정성에 영향을 미치는 변수들을 파악하기 위하여 각 유속에 대한 몰농도에 대해서 Lewis 수, 초기혼합률, 단열화염온도를 조사하였다. 초기혼합률, Ψ,은 산화제류에서의 산소 몰농도에 대한 연료류의 연료 몰농도의 비로써 정의 되었다.
1의 장치에서 일정시간 동안 공급되는 전체연료량에서 컵버너로 이동하지 못하고 밑으로 남은 연료량의 차이로부터 연소로 소모된 유량을 측정하였다. 화염 사진 및 주파수는 초당 30 frames의 촬영이 가능한 디지털 카메라(Nikkon, D90) 이용하여 촬영하여 분석하였다.
이 때, 각 유속에서 10초 동안 적당한 시간을 배분하여 해당 공기와 불활성기체의 충분한 조성이 이루어 질수 있도록 하였다. 화염의 소화여부 기준은 눈으로 관찰하여 3분 이내에 불이 꺼지면 소화농도로 간주하였다. 또한 유속에 따른 소화기구를 설명하기 위해 단위면적당 연료소모율을 측정하였다.
대상 데이터
1과 같다. 연료로는 헵탄(heptane)을 사용하였으며, Leveling Jack 으로 연료의 높이를 조절하여 연료의 액위를 원하는 높이에 고정시켰다. 컵버너는 스테인레스 스틸로 제작되었으며, 내경은 30mm이며, 컵버너 가장자리로 내부에는 45도로 경사가 있다.
유리관 하부에는 산화제의 유속을 유리관 내부 전 구배에 걸쳐 균일하게 하기 위하여 직경 3 mm의 유리구슬(glass bead)로 컵버너 하부에 약 1/3정도 채웠다. 유리관의 내경은 80 mm이다. 유속을 2 cm/s (2 cm/s ~ 16 cm/s)씩 증가시켜가면서 실험을 하였고, 산화제 측의 공기와 희석을 위한 불활성가스는 버블미터(bubble meter)로 검증된 MFC(mass flow controller)를 사용하여 유량을 오차범위 ±1%미만으로 제어하였으며 측정 장치의 하부로 공급된다.
이론/모형
초기혼합률, Ψ,은 산화제류에서의 산소 몰농도에 대한 연료류의 연료 몰농도의 비로써 정의 되었다.(14) 연료와 산화제 Le 수의 산정을 위해 헵탄의 물성치는 San Diego Mechanism(17)에서의 값을 사용하였고, 기타 기체는 CHEMKIN-II(18)를 이용하였다. 또한, 단열화염온도, Tad,는 EQUIL 코드(19)를 이용하여 계산하였으며, 이전연구(14,22)의 결과와 비교하여 3% 오차범위 내에서 잘 일치하였다.
본 연구에서는 풀화재에서의 산화제 유속과 농도 변화에 따른 화염의 떨림 주파수를 측정하였다. 컵버너 실험 장치는 NFPA 2001 Standard(15) 를 참고하여 제작하였으며, 자세한 구성은 Fig. 1과 같다. 연료로는 헵탄(heptane)을 사용하였으며, Leveling Jack 으로 연료의 높이를 조절하여 연료의 액위를 원하는 높이에 고정시켰다.
성능/효과
(1) N2, CO2 등 불활성가스 희석하였을 경우, 유속이 증가할수록 화염 밑면에서 스윙, 셀, 회전 모드의 다양한 화염불안정성이 소화근처에서 나타났다.
(2) 회전 모드의 화염불안정성은 셀 모드, 스윙 모드의 불안정성 보다 진동주파수가 약 2배 정도 작다. 또한, 이 때 회전하는 회전 방향은 특정한 방향이 존재하지 않는데, 이는 주위 교란의 초기조건에 따른 현상으로 판단된다.
(3) 유속이 낮은 경우 축방향 진동이 나타나지 않음을 확인하였다. 이러한 현상은 액면에서의 연료증발량이 축방향 불안정성을 일으키는 최소 연소속도보다 작기 때문이다.
(4) 축방향 진동현상은 화염에 의한 열팽창 및 부력 등의 영향으로 화염불안정성이 나타나 와류를 생성시키고 이에 따라 화염이 축방향으로 진동한다.
(14) 연료와 산화제 Le 수의 산정을 위해 헵탄의 물성치는 San Diego Mechanism(17)에서의 값을 사용하였고, 기타 기체는 CHEMKIN-II(18)를 이용하였다. 또한, 단열화염온도, Tad,는 EQUIL 코드(19)를 이용하여 계산하였으며, 이전연구(14,22)의 결과와 비교하여 3% 오차범위 내에서 잘 일치하였다.
따라서 스윙 모드와 회전모드 간의 상관관계가 있음을 의미한다. 또한, 소화농도에 가까울수록 스윙보다는 회전 모드 형태의 불안정성을 보인다는 것을 확인할 수 있다. 이산화탄소 희석의 경우에는 스윙과 회전 모드 주파수 사이에 셀의 주파수가 위치함을 볼 수 있다.
일정시간 후에는 이 부근에서 화염이 떨어져 나가고 다시 길이가 작은 화염이 생성된다. 이러한 반복적인 떨림 현상은 일반적으로 풀화재 버너 직경에 의존한다고 알려져 있지만, 본 연구에서는 주위류의 유속을 변화하였을 때 소화 근처농도에서도 떨림 주파수가 변화함을 확인할 수 있었다. N2 와 CO2를 희석하였을 경우에는 유속이 가장 낮은 부분에서는 축방향 불안정성이 나타나지 않으며, 유속을 증가시키면 주기적 떨림 현상이 나타나다가 이후 다시 화염이 안정되는 것을 확인 할 수 있다.
이러한 축방향 떨림 주파수는 상대적인 부력의 크기를 의미하는 무차원 변수인 Fr 수와 주파수의 무차원 변수인 St 수 또는 Ri 수와의 상관관계가 있음이 알려져 있다. 주위류가 존재하는 제트에서의 무차원 변수에 적용하는 특성 속도는 제트와 주위류와의 속도차이로 정의해야 기존의 상관관계를 만족함을 얻을 수 있었다.(5) 또한, Katta 등은 특정조건에서 불안정해지는 확산화염을 수치해석과 실험을 통하여 연구하여 부력효과 뿐만 아니라 매연의 복사열전달 특성도 화염의 진동에 영향을 미칠 수 있다고 하였다.
그러므로 본 연구의 결과는 이전연구(14)에서 보고되었던 Le 수의 변화와 초기혼합률에 대한 화염불안정성의 경향성은 나타나지 않는다. 한편, 단열화염온도는 전체적으로 불활성가스의 농도가 증가함에 따라 단열화염온도가 선형적으로 감소하는 것을 확인할 수 있다. 같은 몰 농도에서는 CO2의 단열화염온도가 비열이 크므로 N2에 비해 더 작지만 소화 근처영역에서는 CO2의 단열화염온도가 낮은 몰분율에 기인하여 큼을 알 수 있다.
그림에는 각 불활성 기체별로 주위류 유속에 따른 소화농도를 함께 도시하였다. 화염불안정성을 살펴보면 소화 농도 근처에서 유속이 증가하면서 불활성기체에 따라 다양한 형태로 화염베이스에서의 불안정성이 나타남을 확인할 수 있었다. 질소희석의 경우 주위류 유속을 증가시킬수록 소화 근처에서 셀 모드, 스윙 모드 그리고 회전 모드로 불안정성 모드가 변화함을 볼 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
컵버너 실험을 수행한 이유는 무엇인가?
액체연료를 사용하는 풀화재에서 화염불안정성에 대하여 산화제 유속변화와 농도변화의 효과를 알아보기 위해 컵버너 실험을 수행하였다. 연료는 헵탄을 사용하였고, 산화제는 공기에 질소와 이산화탄소를 희석하였다.
화염밑면 불안정성에 영향을 미치는 변수들을 파악하기 위해 무엇을 하였는가?
화염 밑면에서 발생되는 불안정성은 셀, 스윙, 회전 모드로 특성화 할 수 있고, 산화제의 유속이 증가할수록 모든 불활성 기체에서 셀, 스윙 모드에서 회전모드로 천이하였다. 이러한 화염밑면 불안정성에 영향을 미치는 변수들을 파악하기 위하여 초기혼합률, Le 수, 단열화염온도에 대해서도 함께 조사되었다. 이 중 Le 수가 불안정성 모드와 가장 큰 상관관계를 보이고 있지만 보다 정확한 관계를 규명하기 위해서는 더 많은 실험조건에서의 결과가 요구된다.
두 가지 모드의 화염불안정성에서 첫 번째 모드는 무엇인가?
일반적으로 부력지배 확산화염 에서는 크게 두 가지 모드의 화염불안정성을 관찰할 수 있다. 첫 번째 모드는 축방향의 주기적 진동이다. 축방향 화염진동은 주변 여건에 따라 다양하게 나타나는데 이를 주기적 진동(flickering) 으로 일반적으로 부르고 있고, 큰 와(vortex)의 형성에 기인하는 것으로 알려져 있다.
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