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문제 정의
- 이전까지의 연구결과는 일반적으로 부력이 작용하는 조건에서의 실험 결과로 부력의 영향을 규명하기가 힘든 것이 사실이었다. 본 연구에서는 화염대의 밀도와 주위 밀도를 최소화하여 부력의 영향을 최소화하는 방법으로 대향류 확산화염에서 화염 소화에 관해 연구해 보았다.
제안 방법
- 그리고 연료와 희석제의 혼합기체와 산화제는 각각 상부노즐과 하부노즐에서 분사되었다. 또한 하부 버너의 중심에 화염의 위치를 선정하기 위해 상하부 노즐의 출구 속도비를 1로 고정시켰으며, 장막 유동의 속도를 상하부노즐의 출구속도와 동일하게 분사하여 저신장률에서의 최외각 에지화염의 전단 층에 대한 불안정성을 제거하였다. 진동하는 화염의 거동과 화염길이를 관찰하기 위하여 디지털 미디어 카메라로 촬영하였고, 이를 Matlab기반의 프로그램으로 분석하였다.
- 그러나 대부분 실험실 규모의 연구에서는 유한한 직경의 버너를 이용하므로 화염을 1차원으로 해석하기에는 무리가 따를 수가 있으며, 최근 본 연구그룹에서 수행된 18, 26, 46 mm의 유한한 버너직경을 이용한 연구에서 저신장률의 화염 소화는 반경방향의 전도열손실이 지배적으로 작용하며, 신장률에 따라 화염 소화모드를 체계적으로 규명한 바 있다[10-12]. 또한, 화염 표면온도측정과 수치해석을 통해 각 소화 모드 별 화염 소화 메커니즘과 에지화염이 화염 소화에 미치는 영향을 규명하였다[13].
- 대향류 버너는 외부로부터 유동의 교란을 막을 수 있는 구조로 제작되었다. 버너 노즐간의 간격은 15.0 mm로 고정하였고, 버너 직경은 10, 20, 25 mm로 하였다.
- 버너의 상부노즐에는 희석제로 희석한 메탄을 연료로 분사하였고, 하부노즐에는 산화제를 분사하였다. 외부의 화염 교란을 막고 후류(wake flow)에 의해 생성되는 외부 화염을 제거하고, 주위 분위기를 조성하기 위해 장막유동을 공급하였으며, 연료 및 산화제 노즐 내부에 미세한 매쉬 스크린(mesh screen)을 다단으로 설치하여 노즐 출구에서 균일한 유동속도를 갖게 하였다.
- 995%의 고순도 공기를 사용하였다. 실험에서는 외부의 부분적인 교란을 방지하기 위해 장막유동을 사용하였으며 장막 유동은 헬륨을 사용하여 부력의 효과를 최소화 하였다. 그리고 연료와 희석제의 혼합기체와 산화제는 각각 상부노즐과 하부노즐에서 분사되었다.
- 실험은 전제 신장률을 변화시키면서 실험을 수행하였다. 전체 신장률의 정의는 식 (1)과 같다[4].
- 버너의 상부노즐에는 희석제로 희석한 메탄을 연료로 분사하였고, 하부노즐에는 산화제를 분사하였다. 외부의 화염 교란을 막고 후류(wake flow)에 의해 생성되는 외부 화염을 제거하고, 주위 분위기를 조성하기 위해 장막유동을 공급하였으며, 연료 및 산화제 노즐 내부에 미세한 매쉬 스크린(mesh screen)을 다단으로 설치하여 노즐 출구에서 균일한 유동속도를 갖게 하였다. 그리고 이를 마이크로마노미터를 이용하여 균일한 유동임을 검증하였다.
- 따라서 반경방향의 영향을 고려해야만 한다. 이를 다차원적 효과를 명확히 하기위해 미소 중력 조건에서 수치해석을 실시하였다. 수치해석 결과는 Fig.
대상 데이터
- 99%의 고순도 희석제를 사용하였다. 또한 산화제로 99.995%의 고순도 공기를 사용하였다. 실험에서는 외부의 부분적인 교란을 방지하기 위해 장막유동을 사용하였으며 장막 유동은 헬륨을 사용하여 부력의 효과를 최소화 하였다.
- 연료는 99.5%의 고순도 메탄을 사용하였으며, 질소와 헬륨은 각각 99.999%와 99.99%의 고순도 희석제를 사용하였다. 또한 산화제로 99.
데이터처리
- 또한 하부 버너의 중심에 화염의 위치를 선정하기 위해 상하부 노즐의 출구 속도비를 1로 고정시켰으며, 장막 유동의 속도를 상하부노즐의 출구속도와 동일하게 분사하여 저신장률에서의 최외각 에지화염의 전단 층에 대한 불안정성을 제거하였다. 진동하는 화염의 거동과 화염길이를 관찰하기 위하여 디지털 미디어 카메라로 촬영하였고, 이를 Matlab기반의 프로그램으로 분석하였다.
성능/효과
- 대향류 확산화염에서 에지화염의 전파속도는 부력, 혼합강도, 연료농도구배, 열손실 등에 영향을 받으며, 혼합 강도, 연료농도구배는 에지 화염의 전파 속도에 미소한 영향을 끼치는 것으로 판단되며, 부력의 영향이 최소화된 본 연구에서 열손실이 에지화염의 전파속도에 지배적으로 작용한다는 것을 알 수 있었다. 또한 미소중력 상태에서의 수치해석 결과를 통해 이전 연구 결과와[13] 마찬가지로 복사 열손실은 미비한 영향을 미치며 전도 열손실이 지배적인 역할을 한다는 것을 알 수가 있었다.
- 하지만 복사 열손실 항은 매우 작은 수치를 보이고 있는데, 이는 다차원의 효과를 고려한 경우에서는 화염에 복사 열손실보다는 전도 열손실이 지배적으로 작용한다는 것을 의미한다. 따라서 유한한 버너 직경에서 대향류 확산화염의 화염 소화는 전도 열손실이 지배적으로 작용하다는 결론을 얻을 수 있다.
- 화염 소화모드는 전체 신장률에 따라 대표적으로세 가지 영역으로 나타났으며, 영역 I은 화염소화 직전 에지화염의 자기진동 후 화염중심으로 수축하며 소화되는 소화모드, 영역 II은 에지화염의 진동 없이 수축하며 소화되는 소화모드, 영역 III은 에지화염이 정지된 상태에서 화염 중심부에 화염구멍이 생기면서 소화되는 소화모드이다. 또한 각 조건에 따라 화염 소화 영역을 나눠서 살펴 본 결과 전도 열손실이 커짐에 따라 저신장률의 화염 소화모드인 영역 I과 영역 II이 넓게 나타나는 것을 알 수가 있었고, 이 역시 저신장률에서 화염소화가 전도 열손실에 지배적인 영향을 받는다는 것에 대한 근거가 되었다.
- 대향류 확산화염에서 에지화염의 전파속도는 부력, 혼합강도, 연료농도구배, 열손실 등에 영향을 받으며, 혼합 강도, 연료농도구배는 에지 화염의 전파 속도에 미소한 영향을 끼치는 것으로 판단되며, 부력의 영향이 최소화된 본 연구에서 열손실이 에지화염의 전파속도에 지배적으로 작용한다는 것을 알 수 있었다. 또한 미소중력 상태에서의 수치해석 결과를 통해 이전 연구 결과와[13] 마찬가지로 복사 열손실은 미비한 영향을 미치며 전도 열손실이 지배적인 역할을 한다는 것을 알 수가 있었다.
- Table 1은 각 조건 별로 화염 소화모드 영역을 표시한 표이다. 먼저 희석제를 질소와 헬륨을 사용하였을 경우를 비교해보면 헬륨을 희석제로 사용한 경우에 저신장률 화염 소화모드영역이 넓게 나타나는 것을 알 수가 있는데 이는 헬륨의 비교적 높은 열전도율로 인해 주변으로의 열손실이 커지게 되면서 열손실이 지배적으로 작용하는 소화모드인 영역 I과 영역 II이 넓게 나타나는 것을 의미한다. 그리고 동일한 희석제를 사용한 경우 버너 직경의 변화에 따라 비교를 해보면, 버너 직경이 커짐에 따라 영역 I과 영역 II이 좁게 나타나는 것을 알 수가 있는데, 이는 버너 직경에 따라 화염 길이도 변화하므로 버너 직경이 작을 때 반경 방향의 전도 열손실이 크다고 생각할 수 있으며, 이에 따라 버너직경이 작은 조건에서 열손실이 지배적으로 작용하는 소화모드인 영역 I과 영역 II이 넓게 나타나는 것으로 이해할 수 있다.
- 4, Vr = 1, ag = 7 s-1인 조건에서 장막유동을 헬륨과 질소를 사용하였을 경우를 비교한 사진이다. 장막유동을 헬륨과 질소를 사용하였을 조건에서 Oppdif code를 이용한 수치해석을 통하여 도출한 화염대 영역의 밀도는 각각 0.168 kg/m3,0.183 kg/m3으로 나타났다. 일반적으로 부력의 크기는 다음과 같이 정의된다.
- 그리고 에지화염의 전파속도는 연료 농도구배와 비례관계에 있는 것으로 알려져 있다. 한편, 화염 소화 그래프를 저신장률과 고신장률로 나누어 살펴보면, 신장률에 따른 화염 소화 그래프의 변화가 저신장률일 경우에 급격히 변하는 반면에 고신장률에서는 비교적 거의 변화가 없다는 것을 알 수 있다. 이는 신장률이 화염소화에 지배적으로 작용하는 요인이 아님을 의미하며, 신장률과 비례관계에 있는 연료농도구배 또한 화염 소화에 미비한 영향을 미친다는 것을 뜻한다.
- 화염소화 직전 에지화염의 자기진동 후 화염중심으로 수축하며 소화되는 소화모드인 영역 I에서 화염 진동 주파수는 각 조건에 따라 상이하게 나타났는데, 이를 전체신장률과 노즐출구속도와 화염전파 속도의 비에 따라 Strouhal 수로 나타낸 결과 반경 방향의 열손실이 커짐에 따라 높아지는 경향으로 나타났다.
- 8에 전체신장률과 노즐출구속도와 화염전파속도의 비와 Strouhal 수로 나타내었다. 화염의 진동 주파수는 반경 방향의 열손실이 커짐에 따라 높아지는 경향으로 나타났으며, 상관계수는 0.93으로 나타났다.
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