선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 논문에서는 케로신/공기 화염에서 방출되는 화학발광을 활용하여 화염의 물리적 특성을 파악하기 위한 연구 결과를 수록하였다. 또한 실제 액체 로켓엔진의 화염을 모의하기 위해 와류 연소기(swirl combustor)를 활용하였으며, 와류의 영향에 따른 화염 특성을 분석하기 위해 다양한 swirler 를 활용하여 실험을 진행했다.
- 본 연구는 케로신 화염의 자발광 물리적 특성을 파악하기 위해 수행된 연구로서, 화염에서 방출되는 화학발광 스펙트럼을 계측하여 실험을 진행하였다. 또한 세 개의 swirler 를 이용해 와류의 세기 변화가 화염 상태와 방출되는 화학발광 스펙트럼에 미치는 영향을 확인하였다.
- 본 연구에서는 화염에서 발생하는 화학발광을 측정하여 연소 특성을 파악하기 위해 실제 액체로켓엔진 연소기 연소 현상을 모의하여 연소 화염 특성을 분석하였다. 액체로켓엔진 연소기 내부의 강한 화염을 모의하기 위해 Fig.
- 위와 같은 이유로 본 연구에서는 연소 화염에서 자체적으로 발생하는 자체발광, 즉 화학발광을 이용하여 연소가 지니는 물리적 특성을 파악하기 위한 연구를 진행했다. 탄화 수소 계열 연료의 화염에서 주요 관심 대상이 되는 화학발광 성분으로는 OH*, CH*, C2*, CO2*가 있으며 다양한 메커니즘을 통해 생성된다.
- 8 에 수록하였다. 이 경우도 마찬가지로 온도의 영향을 고려하고자 350-500 K 의 다양한 온도 범위에 해당하는 결과를 수록하였다. 또한 와류의 세기에 따라 직선과 쇄선, 점선으로 기울기를 나타냈다.
- 화학발광 신호를 활용해 당량비 계측을 위한 목적으로 활용하는 연구는 다수 진행되었다. 당량비 계측을 계측하기 위해 연료로써 천연가스를 활용하여 희박 예 혼합 조건에서 가스터빈 연소기에 적용을 위해 진행되었고 대부분의 연구는 예 혼합 메탄 화염을 이용해 연구가 주로 진행되었다.
제안 방법
- (1) 케로신 화염을 통해 화염에서 방출되는 화학발광 측정을 진행하였다. 케로신 화염은 Alkane 계열(메탄, 프로판)의 화염과 동일한 파장 대역에서 OH*, CH*, C2* 라디칼이 방출되지만 메탄과 프로판을 주 성분으로 하는 천연가스와 달리 OH*의 방출 세기가 CH*와 C2*의 방출 세기에 비해 매우 작으며, 당량비가 증가함에 따라 525-600 nm 영역에 해당하는 CO2*가 매우 강하게 방출된다.
- 당량비를 조절하기 위해 첫 번째로 고정된 연료 유량에서 공기 유량을 변화하여 당량비를 조절하였고, 두 번째로는 고정된 공기 유량에서 연료 유량을 조절하여 실험을 진행했다. 공기 유량을 조절하여 당량비를 조절한 경우, 연료 유량을 약 0.2 g/s 로 고정한 상태에서 공기 유량을 약 2.50-5.00 g/s 로 조절하여 당량비를 조절하였고, 연료 유량을 통한 당량비 조절의 경우 공기 유량을 4.10 g/s 로 고정한 상태에 연료 유량을 약 0.2-0.32 g/s 로 조절하여 당량비를 변화시켰다. 또한 공급되는 연소 공기 온도는 50 K 간격으로 가열하여 약 350-500 K 의 온도 범위에서 실험을 진행하였다.
- 또한 실제 액체 로켓엔진의 화염을 모의하기 위해 와류 연소기(swirl combustor)를 활용하였으며, 와류의 영향에 따른 화염 특성을 분석하기 위해 다양한 swirler 를 활용하여 실험을 진행했다. 궁극적으로 와류 연소기를 통해 형성되는 케로신/공기 화염에서 방출되는 화학발광 스펙트럼의 세기를 분석하고, 각각의 세기의 방출 특성과 세기 비(intensity ratio)를 분석하여 신호 세기의 비와 당량비의 관계를 분석하였다.
- 화염을 통해 발생되는 화학발광을 측정하기 위해 Table 2 와 같이 실험 조건을 설정하였다. 당량비를 조절하기 위해 첫 번째로 고정된 연료 유량에서 공기 유량을 변화하여 당량비를 조절하였고, 두 번째로는 고정된 공기 유량에서 연료 유량을 조절하여 실험을 진행했다. 공기 유량을 조절하여 당량비를 조절한 경우, 연료 유량을 약 0.
- 또한 세 개의 swirler 를 이용해 와류의 세기 변화가 화염 상태와 방출되는 화학발광 스펙트럼에 미치는 영향을 확인하였다. 당량비에 따른 화염의 상태를 확인하기 위해 공기 유량 조절로 당량비를 변화한 실험과 연료 유량을 조절하여 당량비를 변화하여 화염의 특성을 파악하고 비교하였다.
- 라디칼에서 발생하는 화학발광 신호는 압력과 밀접한 관계를 보였으며, OH*은 CH*, C2*에 비해 희박 연소 조건에서 강한 세기가 방출되며, CH*과 C2*은 농후한 조건에서 지시 값(indicator)에서 적당한 값을 나타냈다. 두 개 혹은 세 개의 라디칼 신호를 신호를 활용해 전체 당량비를 지시하는 것을 제시했다. Kojima 등(17)은 층류 메탄/공기 화염에서 색수차를 제거하고 공간적 분해능을 높이기 위해 Cassegrain 광학을 적용하여 OH*, CH*, C2*의 화학발광 세기를 측정하였다.
- 와류 연소기를 통해 형성되는 케로신 화염은 떨림이 매우 강하고 자발광(luminosity)이 매우 강하기 때문에 분광기 촬영 시 노출시간이 짧을 경우 정확한 화학발광 스펙트럼 측정이 어렵다. 때문에 분광기의 1 회 계측 시 노출시간 200msec 로 100 회 평균하여 스펙트럼을 계측하였다. 또한 전체 파장에서 특정 라디칼(OH*, CH*, C2*)을 고려하였으며, 각각의 라디칼의 세기(intensity)는 식 (4)와 같이 구하였다.
- 32 g/s 로 조절하여 당량비를 변화시켰다. 또한 공급되는 연소 공기 온도는 50 K 간격으로 가열하여 약 350-500 K 의 온도 범위에서 실험을 진행하였다. 위와 같은 조건으로 화염의 화학발광 방출 특성을 분석했다.
- 7과 8 에 수록하였다. 또한 공급되는 연소 공기 온도의 영향을 고려하고자 350-500 K 의 다양한 범위의 결과를 수록하였다.
- 본 연구는 케로신 화염의 자발광 물리적 특성을 파악하기 위해 수행된 연구로서, 화염에서 방출되는 화학발광 스펙트럼을 계측하여 실험을 진행하였다. 또한 세 개의 swirler 를 이용해 와류의 세기 변화가 화염 상태와 방출되는 화학발광 스펙트럼에 미치는 영향을 확인하였다. 당량비에 따른 화염의 상태를 확인하기 위해 공기 유량 조절로 당량비를 변화한 실험과 연료 유량을 조절하여 당량비를 변화하여 화염의 특성을 파악하고 비교하였다.
- 본 논문에서는 케로신/공기 화염에서 방출되는 화학발광을 활용하여 화염의 물리적 특성을 파악하기 위한 연구 결과를 수록하였다. 또한 실제 액체 로켓엔진의 화염을 모의하기 위해 와류 연소기(swirl combustor)를 활용하였으며, 와류의 영향에 따른 화염 특성을 분석하기 위해 다양한 swirler 를 활용하여 실험을 진행했다. 궁극적으로 와류 연소기를 통해 형성되는 케로신/공기 화염에서 방출되는 화학발광 스펙트럼의 세기를 분석하고, 각각의 세기의 방출 특성과 세기 비(intensity ratio)를 분석하여 신호 세기의 비와 당량비의 관계를 분석하였다.
- 3 는 고정된 연료 유량에 공기의 유량을 조절하여 당량비를 변화한 결과로서 형성되는 화염에서 방출되는 화학발광 스펙트럼의 결과를 나타냈다. 또한 와류의 영향을 확인하기 위해 swirler를 활용해 세 종류의 와류 세기를 비교했다. 모든 스펙트럼 그래프는 SN 1.
- 본 연구에서는 각 라디칼의 방출 파장 대역을 고려한 IX* 을 결정하기 위해 각 분자에 의해 화학발광이 시작되는 위치부터 끝나는 위치에 해당하는 영역과 실제 계측 센서의 분해능(resolution)을 고려하여 OH* 라디칼은 305.65 ~ 321.50 nm, CH* 라디칼은 421.72 ~ 433.52 nm, C2* 라디칼은 512.46 ~ 517.67 nm 에 해당하는 파장 대역을 이용하여 화학발광의 세기를 결정했다.
- 분광기에는 광섬유(Ocean Optics, 600 µm UV/VIS)를 장착하고 맞은편을 통해 입사되는 광(light)를 통해 화염의 스펙트럼을 측정하였다. 분광기를 통한 화염의 스펙트럼 계측은 반지름 25mm 의 반원에 해당하는 영역을 설정하였고, 정확한 계측 영역을 형성하기 위해 iris 를 활용하여 계측 공간 영역을 조절하였다. 와류 연소기를 통해 형성되는 케로신 화염은 떨림이 매우 강하고 자발광(luminosity)이 매우 강하기 때문에 분광기 촬영 시 노출시간이 짧을 경우 정확한 화학발광 스펙트럼 측정이 어렵다.
- 분광기에는 광섬유(Ocean Optics, 600 µm UV/VIS)를 장착하고 맞은편을 통해 입사되는 광(light)를 통해 화염의 스펙트럼을 측정하였다.
- 60 의 swirler 형상이며, 자세한 연소기 설계는 기존 문헌을 통해 확인할 수 있다(21). 실험에 적용된 연소기는 강한 와류를 형성할 수 있도록 설계되었으며, 와류의 강도가 화염에 미치는 영향과 방출되는 화학발광 특성의 영향을 파악하기 위해 SN 0.60, 0.83, 1.30 의 세 가지 swirler 를 이용하여 연소 시험을 진행했다.
- 연료의 경우 액체로켓엔진에서 적용하는 케로신(kerosene, Jet A-1)을 활용하였다. 연료 탱크(4 liter)에 저장된 연료를 질소로 가압하여 유량을 조절하였고, 조절된 유량은 터빈 유량 센서(McMillan, 104)를 통해 모니터링 되었다. 터빈 유량 센서를 통과한 연료는 연소기의 중심으로 연료가 유입되며 연소기 내부에 중공 형태로 연료를 분사하는 노즐(Danfoss, 0.
- 연소시험을 위해 산화제로 공기를 활용하였다. 공기는 압축기를 이용해 공급하였고, 전기히터를 통해 실험 조건에 부합되는 온도로 가열하여 연소기 내부로 공급하였다.
- 케로신 화염의 화학발광 스펙트럼을 더욱 명확하게 비교하기 위해 하나의 화학발광 세기가 아닌 iOH* , iCH* , i#*을 이용해 화학발광 세기 비의 형태로 비교하여 결과를 도출하였다.
- 화염에서 발생하는 화학발광 측정을 위해 분광기(Ocean Optics, USB 2000+)를 활용하였다. 분광기에는 광섬유(Ocean Optics, 600 µm UV/VIS)를 장착하고 맞은편을 통해 입사되는 광(light)를 통해 화염의 스펙트럼을 측정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 화염에서 발생하는 화학발광을 측정하여 연소 특성을 파악하기 위해 실제 액체로켓엔진 연소기 연소 현상을 모의하여 연소 화염 특성을 분석하였다. 액체로켓엔진 연소기 내부의 강한 화염을 모의하기 위해 Fig. 1 과 같이 와류 연소기를 활용하였다. 와류 연소기의 와류 유동은 연소기 내부 swirler 에 의해 나선형의 유동을 얻게 되며, 형성되는 와류의 세기에 따라 화염의 크기, 모양, 연소 강도 등에 영향을 미친다.
- 연소 시험을 진행하며 정확한 당량비 설정과 광학 측정을 위해 내부 직경 78 mm, 길이 240 mm 의 석영관을 이용하여 연소실을 형성하였다. 연료의 경우 액체로켓엔진에서 적용하는 케로신(kerosene, Jet A-1)을 활용하였다. 연료 탱크(4 liter)에 저장된 연료를 질소로 가압하여 유량을 조절하였고, 조절된 유량은 터빈 유량 센서(McMillan, 104)를 통해 모니터링 되었다.
- 또한 유입되는 공기는 히터로 가열되기 전에 위치한 질량유량계(한국계기티앤에스, TSC 145)에 의해 유량을 조절했다. 연소 시험을 진행하며 정확한 당량비 설정과 광학 측정을 위해 내부 직경 78 mm, 길이 240 mm 의 석영관을 이용하여 연소실을 형성하였다. 연료의 경우 액체로켓엔진에서 적용하는 케로신(kerosene, Jet A-1)을 활용하였다.
이론/모형
- 실험에 적용된 swirler 는 연소기의 접선 방향으로 유입되는 공기에 의해 와류를 형성하게 된다. 제작된 연소기의 swirl number 는 Sheen 등(20)의 연구 결과를 활용하여 설정하였다.
성능/효과
- (2) 케로신 화염에서 방출되는 화학발광 스펙트럼은 화염의 당량비에 따라 서로 다른 경향을 보이며 방출된다. 그 중 i#*는 당량비 증가에 민감하게 반응하며 방출량이 급격하게 증가한다.
- (6) 화학발광 세기 비는 와류의 영향에 관계없이 모두 유사한 경향으로 증가하거나 감소한다. 또한 이 경우 350-500 K 의 다양한 온도의 실험을 포함한 결과로서 화학발광 세기 비의 결과에는 큰 영향을 미치지 않는 것을 확인하였다.
- (7) 공기 유량을 통해 당량비를 조절한 결과는 IOH* / ICH* 가 당량비 변화를 지시하기 적합하며, 연료 유량 조절을 통해 당량비를 변화한 결과는 i#* / ICH* 가 당량비 변화를 지시하기 적합하다.
- a) SN 가 0.83, 1.30 의 경우 OH* 화학발광 세기는 와류의 영향이 크지 않은 것을 확인할 수 있다. 반면 SN 0.
- b) 공기 유량 변화의 결과로 확인된 와류의 영향은 비교적 높은 당량비 구간( 0.8 ≤ ∅ )에서 ICH* 와 i#*에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다.
- b) 연료 유량 조절의 경우, 공기 유량이 고정된 상태로서 strain rate 의 변화가 상대적으로 작다. 이 상태에서 방출되는 화학발광은 연료 유량에 관계가 있으며, 특히 ICH* 와 i#*는 연료 유량에 영향을 받는 것을 확인할 수 있다.
- 공기 유량으로 당량비를 조절한 결과에 비해 모든 당량비 구간에서 iOH* , iCH* , i#*가 명확하게 방출되는 것을 확인할 수 있다.
- Kojima 등(17)은 층류 메탄/공기 화염에서 색수차를 제거하고 공간적 분해능을 높이기 위해 Cassegrain 광학을 적용하여 OH*, CH*, C2*의 화학발광 세기를 측정하였다. 그 결과로 당량비 1.35 이하 조건에서 IOH* / ICH* 화학발광 세기 비의 결과가 당량비와 민감한 상관관계가 있다고 결과를 도출했다. Nori 와 Seitzman(18)은 희박 메탄 연소 화염에서 IOH* / ICH* 화학발광 세기 비는 일정한 압력과 온도 조건에서 당량비를 지시하기 적당하다고 보고하였다.
- (6) 화학발광 세기 비는 와류의 영향에 관계없이 모두 유사한 경향으로 증가하거나 감소한다. 또한 이 경우 350-500 K 의 다양한 온도의 실험을 포함한 결과로서 화학발광 세기 비의 결과에는 큰 영향을 미치지 않는 것을 확인하였다.
- 각각의 라디칼의 화학발광 특성은 다양한 경향을 보였다. 라디칼에서 발생하는 화학발광 신호는 압력과 밀접한 관계를 보였으며, OH*은 CH*, C2*에 비해 희박 연소 조건에서 강한 세기가 방출되며, CH*과 C2*은 농후한 조건에서 지시 값(indicator)에서 적당한 값을 나타냈다. 두 개 혹은 세 개의 라디칼 신호를 신호를 활용해 전체 당량비를 지시하는 것을 제시했다.
- 전반적으로 와류 세기 영향은 화학발광 세기 비에 영향을 미치지 않고 당량비에 따라 유사한 기울기를 갖는 것을 확인할 수 있다. 또한 350-500K 의 다양한 온도 범위에 해당하는 결과이지만 공급되는 연소 공기 온도는 화학발광 세기 비에 큰 영향을 미치지 않는다.
- 이 경우 공기 유량 조절로 당량비를 변화한 결과와 경향이 유사하다. 전반적으로 와류의 세기에 따라 기울기가 -0.54, -0.69, -0.73 으로 차이를 보이지만, 당량비 증가에 따라 일정하게 감소하며 와류의 영향이 크게 발생하지 않은 것을 확인할 수 있다.
- 30 의 i#* 최대 값 ((I#*)max) 으로 나누어 나타내었다. 케로신 화염 스펙트럼은 기존 연구결과와 동일한 파장 대역에서 OH*, CH*, C2*에 의한 화학발광이 방출되는 것을 확인할 수 있다.(21) 모든 화학발광 스펙트럼은 낮은 당량비 구간 (∅ = 0.
- 화염에서 방출되는 열 방출율은 연료 종류와 밀접한 관계를 가지며, 프로판과 아이소옥탄의 경우 당량비 증가에 따라 IOH* / ICH* 화학발광 세기 비가 감소한다고 결과를 도출하였다.
후속연구
- 83 의 IOH* 는 특정 peak 을 형성하지 않고 당량비 관계없이 일정한 수준을 유지된다. 이런 영향은 화염 전체의 영향을 고려하지 않고 화염 상류의 한정된 영역만을 측정한 결과로 볼 수 있으며, 추후 화염의 일부 영역이 아닌 화염 전체의 화학발광 스펙트럼을 측정한 결과 분석이 요구된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.