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NTIS 바로가기大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.38 no.2 = no.341, 2014년, pp.173 - 181
이상신 (부경대학교 기계공학과) , 서항석 ((주)한화 대전사업장 개발팀) , 김정수 (부경대학교 기계공학과)
The propagation behavior and structural variation of a premixed propane/air flame with frequency change in an ultrasonic standing wave at various equivalence ratios were experimentally investigated using Schlieren photography and pressure measurement. The propagating flame was observed in high-speed...
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핵심어 | 질문 | 논문에서 추출한 답변 |
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예혼합 연소에서 발생하는 연소불안정성은 어떻게 나눌 수 있는가? | 예혼합 연소에서 발생하는 연소불안정성은 크게 세 가지로 대별될 수 있는데, 수력학적 불안 정성(Hydrodynamic instability), 부력에 의한 불안 정성(Body-force instability), 확산-열 불안정성 (Diffusive-thermal instability) 등이 그것들이다. (2) 수력학적 불안정성은 기연부(Burned side)와 미연 부(Unburned side) 사이의 급격한 밀도차이에 의해 발현된 열팽창(Thermal expansion)으로 인해 야기된다. | |
운송 및 발전을 위해 사용되는 연소시스템은 어떤 물질을 배출하는가? | 자동차 엔진, 항공용 가스터빈, 발전소 버너설비 등 운송 및 발전을 위해 사용되는 연소시스템 은 CO2와 NOX 등의 공해물질을 배출하며, 이는 지구온난화, 오존층 파괴, 산성비 등의 심각한 환경문제를 유발한다. 이에 따라, 공해물질 배출 저 감을 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 그 중 희박 예혼합 연소가 대두되고 있다. | |
확산-열 불안정성은 어떻게 나타낼 수 있는가? | (4) 확산-열 불안정성은 화염으로부터의 열전달과 반응물 물질전달 사이의 불균형에 의해 일어난다. 이러한 불안정성은 루이스 수 (Lewis number)로 나타낼 수 있으며, 그 값이 1보다 작을 때 불안정성의 영향으로 셀 구조가 생성된다. (1,5) |
Jomaas, G., Law, C. K. and Bechtold, J. K., 2007, "On Transition to Cellularity in Expanding Spherical Flames," J. Fluid Mech., Vol. 583, pp. 1-26.
Williams, F. A., CA: 1985, Combustion Theory, 2nd edition, Addison-Wesley, Redwood.
예혼합 연소에서 발생하는 연소불안정성은 크게 세 가지로 대별될 수 있는데, 수력학적 불안정성(Hydrodynamic instability), 부력에 의한 불안정성(Body-force instability), 확산-열 불안정성 (Diffusive-thermal instability) 등이 그것들이다.(2)
Huzayyin, A. S., Moneib, H. A., Shehatta, M. S. and Attia, A. M. A., 2008, "Laminar Burning Velocity and Explosion Index of LPG-Air and Propane-Air Mixtures", Fuel, Vol. 87, Issue 1, pp. 39-57.
Vu, T. M., Song, W. S., Park, J., Kwon, O. B., Bae, D. S., Yun, J. H. and Keel, S. I., 2011, "Effects of Hydrocarbon Addition on Cellular Instabilities in Expanding Syngas-Air Spherical Premixed Flames," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 35, No. 2, pp.179-188.
Ellis, O. C. and De, C., 1928, "Flame Movement in Gaseous Explosive Mixtures (Part 7)," Fuel in Science and Practice 7, pp. 502-508.
밀폐된 연소기 내의 예혼합화염 전파에 대한 내재적 불안정성에 대한 연구는 19세기 후반부터 진행되어 왔으며, 수력학적 불안정성과 확산-열 불안정성의 영향으로 인해 관내 예혼합화염이 튤립 모양으로 천이하는 것이 Ellis와 De(6)에 의해 처음으로 소개되었다.
Guenoche, H., 1964, Nonsteady Flame Propagation, Markstein, G. H. Ed., Pergamon, New York, pp. 107-176.
Guénoche(7)는 밀폐된 챔버의 경우 종횡비(Aspect ration)가 2 이상일 때 튤립화염이 생성되고, 종횡비가 20 이상이면 반구 화염과 튤립화염이 반복적으로 나타난다고 주장하였다.
이러한 셀 구조는 예혼합화염이 가지는 내재적 불안정성에 기인하는 것으로 난류로의 가속화를 유발하여 전파속도를 급격히 증가시키는 원인으로 알려져 있다.(7,8)
Dunn-Rankin, D. and Sawyer, R. F., 1998, "Tulip Flames: Change in Shape of Premixed Flames Propagating in Closed Tubes," Exp. Fluids, Vol. 24, Issue 2, pp. 130-140.
그 후 챔버 길이, 당량비, 점화방법 차이에 따른 예혼합화염의 전파과정 변이가 Dunn-Rankin과 Sawyer(8)에 의해 관찰되었고, Clanet와 Searby(9)는 관내 예혼합화염이 네 종류의 형태를 가지며 변화한다고 언급하였으며, 그 가운데 튤립화염에 대한 연구를 실험과 해석적 기법을 병행하여 수행하였다.
관내 예혼합화염의 전파형상 변화는 압력선도의 분석을 통해 유추 가능한 것으로 알려져 있다.(8,15)
이러한 셀 구조는 예혼합화염이 가지는 내재적 불안정성에 기인하는 것으로 난류로의 가속화를 유발하여 전파속도를 급격히 증가시키는 원인으로 알려져 있다.(7,8)
Clanet, C. and Searby, G., 1996, "On the "Tulip Flame" Phenomenon," Combustion and Flame, Vol. 105, Issues 1-2, pp. 225-238.
그 후 챔버 길이, 당량비, 점화방법 차이에 따른 예혼합화염의 전파과정 변이가 Dunn-Rankin과 Sawyer(8)에 의해 관찰되었고, Clanet와 Searby(9)는 관내 예혼합화염이 네 종류의 형태를 가지며 변화한다고 언급하였으며, 그 가운데 튤립화염에 대한 연구를 실험과 해석적 기법을 병행하여 수행하였다.
Clanet과 Searby(9)는 관내 예혼합화염의 전파를 크게 네(4) 단계로 정의하였는데, 그 첫 번째는 점화 후 생성된 반구화염이 벽면에 접할 때까지이고, 두 번째는 반구형태의 화염이 벽면의 영향을 받으며 진행하는 단계이며, 세 번째는 평면화염을 거쳐 튤립화염으로 천이하는 과정이고, 그리고 완전한 형태의 튤립화염만을 포함하는 단계가 네 번째이다.
이는 연소속도가 증가하면 평면/튤립화염으로의 천이거리가 발화지점에 서부터 멀어진다는 선행연구(9,15) 결과와 일치하는 것이기도 하다.
Park, J. S., Fujita, O., Honko, T., Yamada, Y., Ito, H. and Nakamura, Y., 2010, "Phenomena in Oscillating Downward Propagating Flames Induced by External Laser Irradiation," Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 34, Issue 8, pp. 1290-1294.
Seo, H. S., Lee, S. S. and Kim, J. S., 2011, "Structural Variation of Methane/Air Premixed Flame Caused by the Intervention of Ultrasonic Standing-wave," J. the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 15, No. 6, pp. 1-6.
본 연구팀은 각종 연소기기에서 발생하는 연소 불안정성을 정상초음파(Ultrasonic Standing Wave, USW)에 의한 촉진 및 억제와 같은 능동제어의 가능성 확인을 목표로, 메탄/공기 및 프로판/공기 예혼합화염의 동역학적 거동에 미치는 정상초음파의 교반효과에 대한 연구를 수행한 바 있다.(13~17)
Seo, H. S., Lee, S. S. and Kim, J. S., 2012, "Agitation Effect of an Ultrasonic Standing Wave on the Dynamic Behavior of Methane/Air Premixed Flame," J. the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 16, No. 3, pp. 16-23.
본 연구팀은 각종 연소기기에서 발생하는 연소 불안정성을 정상초음파(Ultrasonic Standing Wave, USW)에 의한 촉진 및 억제와 같은 능동제어의 가능성 확인을 목표로, 메탄/공기 및 프로판/공기 예혼합화염의 동역학적 거동에 미치는 정상초음파의 교반효과에 대한 연구를 수행한 바 있다.(13~17)
5(b)), 반구 화염의 선단이 찌그러지고 평면화염의 생성물영역까지 횡방향의 줄무늬가 나타나는 것을 확인할 수 있는데, 선단이 찌그러지는 위치나 기연부 줄무늬의 패턴은 정상초음파의 주파수와 음압에 종속하는 것으로 알려져 있다.(14)
Lee, S. S., Seo, H. S. and Kim, J. S., 2012, "Interacting Effects of an Ultrasonic Standing-wave on the Propagation Behavior and Structural Stabilization of Propane/Air Premixed Flame," J. the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 16, No. 6, pp. 1-8.
본 연구팀은 각종 연소기기에서 발생하는 연소 불안정성을 정상초음파(Ultrasonic Standing Wave, USW)에 의한 촉진 및 억제와 같은 능동제어의 가능성 확인을 목표로, 메탄/공기 및 프로판/공기 예혼합화염의 동역학적 거동에 미치는 정상초음파의 교반효과에 대한 연구를 수행한 바 있다.(13~17)
정상초음파의 간섭에 의한 예혼합화염의 거동 변이 관찰은 전파속도가 느린 조건에서보다 용이하다는 기존연구(15)를 토대로, 당량비 1.4에서의 초음파 주파수변이에 따른 화염의 발달 이미지를 Fig.
관내 예혼합화염의 전파형상 변화는 압력선도의 분석을 통해 유추 가능한 것으로 알려져 있다.(8,15)
이는 연소속도가 증가하면 평면/튤립화염으로의 천이거리가 발화지점에 서부터 멀어진다는 선행연구(9,15) 결과와 일치하는 것이기도 하다.
Seo, H. S., Lee, S. S. and Kim, J. S., 2013, "Effects of the Equivalence Ratio on Propagation Characteristics of CH4-Air Premixed Flame Intervened by an Ultrasonic Standing Wave," J. the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 17, No. 2, pp. 16-23.
본 연구팀은 각종 연소기기에서 발생하는 연소 불안정성을 정상초음파(Ultrasonic Standing Wave, USW)에 의한 촉진 및 억제와 같은 능동제어의 가능성 확인을 목표로, 메탄/공기 및 프로판/공기 예혼합화염의 동역학적 거동에 미치는 정상초음파의 교반효과에 대한 연구를 수행한 바 있다.(13~17)
뿐만 아니라, 정상초음파에 의한 활발한 혼합과 추가적인 반응에너지(정상초음파 자체 에너지)의 공급 역시 화염전파속도 및 압력 증가의 원인이 된다고 할 수 있다.(16)
Kim, J. S., Seo, H. S. and Lee, S. S., 2012, "An Evolution of the Premixed Flame Precipitated by Ultrasonic Standing Wave," AIAA 2012-4032.
본 연구팀은 각종 연소기기에서 발생하는 연소 불안정성을 정상초음파(Ultrasonic Standing Wave, USW)에 의한 촉진 및 억제와 같은 능동제어의 가능성 확인을 목표로, 메탄/공기 및 프로판/공기 예혼합화염의 동역학적 거동에 미치는 정상초음파의 교반효과에 대한 연구를 수행한 바 있다.(13~17)
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