[논문]메탄-공기/합성가스-공기 예혼합화염의 후류 상호 작용에 대한 연구

박정; 권오붕; 길상인; 윤진한

doi:10.15231/jksc.2016.21.1.008

메탄-공기/합성가스-공기 예혼합화염의 후류 상호 작용에 대한 연구
A Study on Downstream Interaction between Methane-air and Syngas-air Premixed Flames 원문보기

한국연소학회지 = Journal of the Korean Society of Combustion, v.21 no.1, 2016년, pp.8 - 17

박정 (부경대학교 기계공학과) , 권오붕 (부경대학교 기계공학과) , 길상인 (한국기계연구원 환경 에너지 기계 시스템) , 윤진한 (한국기계연구원 환경 에너지 기계 시스템)

Abstract ▼ AI-Helper

Downstream interactions between lean premixed flames with mutually different fuels of syngas and $CH_4$ have been numerically investigated particularly on and near lean extinction limits. The interaction characteristics between lean premixed (50% $H_2$ + 50% CO)-air and $CH_4$-air flames were shown to be quite different from those between the same hydrocarbon flames. The lean extinction boundaries were of slanted shape, thereby implying strong interactions. The weaker flames had negative flame speeds on the upper extinction boundaries, whereas the weaker flame speeds on the lower extinction boundaries were both negative and positive. The results also showed that the flame interaction characteristics did not follow the general tendency with the dependency of Lewis number in downstream interactions between the same hydrocarbon flames. Importance of chemical interaction in flame characteristics is discussed in the downstream interactions between lean premixed (50% $H_2$ + 50% CO)-air and $CH_4$-air flames.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 희박 메탄-공기 그리고 희박 합성가스-공기 예혼합화염들 사이의 후류 상호작용에 대한 연구를 수행한다. 합성가스-공기 혼합물에 대해서 유효 루이스 수가 1 근처이므로 기존 탄화수소-공기 예혼합화염의 결과들[3-6]을 근거로 후류 상호작용이 약해야 하지만 희박 수소-공기의 경우는 부족 반응물개념(deficient reactant concept) 하에서 루이스 수가 0.
2 근처에 해당하므로 상호작용은 매우 강할 것으로 기대된다. 특별한 관심은 희박소화 경계 근처에서 약한 화염(weaker flame)이 강한 화염(stronger flame)에 기생하면서 생존하기 위해 좌표축의 의미(coordinate sense)에서 양(positive)과 음(negative) 화염전파속도를 갖게 되는 과정을 명확히 하고자 한다.

제안 방법

메탄-공기와 (50% H₂ + 50% CO)-공기의 농도를 변화시키면서 희박소화 조건 근처에서 수치해석을 수행하였다. 희박 메탄-공기 예혼합화염에서는 부족반응물 루이스수(L_D)는 1보다 약간 작고, 희박(50% H₂ + 50% CO)-공기 화염의 경우 유효 루이스 수(L_eff)가 1보다 약간 크다.
한편 상호작용하는 화염에서 화염소화 기구의 명확함을 위해 더 약한 화염의 연료 농도를 고정하고 더 강한 화염의 연료 농도를 변화시키면서 a_g = 100s^-1에서 화염 소화가 발생하는 것을 관찰하여 Figs. 5-7에 나타내었고 실선은 정체점의 위치를 나타낸다.

대상 데이터

주위 조건은 1기압, 298 K이고 화학종과 온도는 Dirichlet 경계조건을 사용하였다. 적응격자(adaptive grid)를 사용하였고 최대 500 개보다는 작았다.
지배방정식은 Chemkin 코드[25]와 Tanfit 코드[26]을 사용하여 풀게 된다. 주위 조건은 1기압, 298 K이고 화학종과 온도는 Dirichlet 경계조건을 사용하였다. 적응격자(adaptive grid)를 사용하였고 최대 500 개보다는 작았다.

이론/모형

0을 사용한 수치해석 결과로는 Natarjan 등[12]에 의해 측정된 화염전파속도와 질소로 희석된 수소-공기 화염과 메탄-공기 화염간 상호작용에서 측정된 소화 경계[7]가 잘 일치함을 보인 바 있다. 따라서 본 연구에서는 53개의 화학종과 328개의 반응단계를 갖는 GRI v-3.0 화학반응기구[30]를 사용하였다.
여기서 버너간 거리는 20 mm로 고정하였다. 저신장율에서 우세한 복사열손실 효과 묘사를 위해 광학박모델(optical thin model)을 사용하였다[24]. 지배방정식은 Chemkin 코드[25]와 Tanfit 코드[26]을 사용하여 풀게 된다.
저신장율에서 우세한 복사열손실 효과 묘사를 위해 광학박모델(optical thin model)을 사용하였다[24]. 지배방정식은 Chemkin 코드[25]와 Tanfit 코드[26]을 사용하여 풀게 된다. 주위 조건은 1기압, 298 K이고 화학종과 온도는 Dirichlet 경계조건을 사용하였다.

성능/효과

1) 희박 합성가스 화염의 경우 L_eff는 1보다 약간 크지만 희박 수소-공기 혼합기의 영향으로 그리고 희박 메탄-공기 화염의 L_D가 1보다 작기 때문에 희박 소화경계는 경사진 형상을 갖는다. U.
2) LD < 1인 희박 메탄-공기가 강한 화염의 경우에 조차도 ag의 증가에 따라 오히려 화염소화 경계는 축소되어 화염 소화는 일반적인 스트레치와 LD의 상호 의존성보다는 화염 간의 상호작용에 훨씬 민감하게 의존함을 알 수 있다.
3) U.E.B.에서 나타나는 더 약한 메탄-공기화염(화염온도가 1,500 K 이상)과 더 강한 합성가스 화염(화염온도가 1,300 K 이하) 사이의 상호작용은 더 강한화염으로부터 열전달에 의해 영향을 받는 것이 아니라 라디칼 공유가 더 약한 화염을 지탱하는 역할을하게 된다.
2(e)와 (f)에서 두 화염 사이의 거리는 가깝지 않다.결과적으로 더 강한 메탄-공기 화염에서 메탄의 농도의 증가를 통해서만이 더 약한 합성가스-공기 화염을 지탱하는 유일한 통로가 된다는 것을 알 수 있다.
결국 두 화염들의 라디칼공유와 같은 화학적 친화력도 더 높을 수밖에 없다. 결과적으로 더 약한 합성가스-공기 화염이 정체면을 넘자마자 바로 더 강한 메탄-공기 화염에 합체가되는 것을 볼 수 있다. 또한, 더 약한 메탄-공기 화염은 정체점을 넘은 후에 조차도 더 강한 합성가스-공기 화염의 도움으로 지탱한다.
3(d)에 보여진 바와 같이 최대 H 몰분율은 약간 증가한다는 것을 알수 있다. 결과적으로 더 약한 화염은 더 강한 화염에라디칼을 공유함으로써 생존한다는 것을 알 수 있다. 또한 더 약한 메탄-공기화염이 더 강한 합성가스화염에 합쳐진 후에 최대 화염온도와 열방출율은 합성가스 농도 증가에 따라 급격히 증가한다는 것을 알 수 있다.
결과적으로 더 약한 화염은 더 강한 화염에라디칼을 공유함으로써 생존한다는 것을 알 수 있다. 또한 더 약한 메탄-공기화염이 더 강한 합성가스화염에 합쳐진 후에 최대 화염온도와 열방출율은 합성가스 농도 증가에 따라 급격히 증가한다는 것을 알 수 있다.
이상의 결과로부터 극단적으로 약한 합성가스공기 화염조차도 열방출율은 ΩCH4의 증가에 따라 증가한다.

후속연구

이러한 상황을 극복하기 위해서는 더 강하지만 화염온도가 낮은 상황에서는 라디칼의 공유 등을 통하여 이러한 상황을 극복할 것으로 판단되어진다. 이것을 좀더 명확히 하기 위해 음의 전파화염속도를 갖는 영역과 화염소화경계에서 상세한 조사가 필요하다.
본 연구에서는 희박 메탄-공기 그리고 희박 합성가스-공기 예혼합화염들 사이의 후류 상호작용에 대한 연구를 수행한다. 합성가스-공기 혼합물에 대해서 유효 루이스 수가 1 근처이므로 기존 탄화수소-공기 예혼합화염의 결과들[3-6]을 근거로 후류 상호작용이 약해야 하지만 희박 수소-공기의 경우는 부족 반응물개념(deficient reactant concept) 하에서 루이스 수가 0.2 근처에 해당하므로 상호작용은 매우 강할 것으로 기대된다. 특별한 관심은 희박소화 경계 근처에서 약한 화염(weaker flame)이 강한 화염(stronger flame)에 기생하면서 생존하기 위해 좌표축의 의미(coordinate sense)에서 양(positive)과 음(negative) 화염전파속도를 갖게 되는 과정을 명확히 하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화염 상호작용은 어떤 요인들에 의존성이 큰가?	이러한 요인에 의해 음의 화염전파속도 영역은 비대칭의 날개 형상을 갖게 된다. 또한 화염 상호작용은 기존에 탄화수소 연료들로부터 알려진 루이스수에 의해 잘 알려진 거동을 따르는 것이 아니라 직접적인 상호작용의 요소들 즉, 두 화염 사이의 거리, 라디칼 공유, 화염온도와 같은 요인들의 의존성이 더 크다.
	층류 화염편 개념은 무엇을 묘사하는가?	층류 화염편(Laminar flamelet) 개념은 점근적으로 매우 얇은 층(화염편) 안에서 화학반응이 빠른 난류화염들을 성공적으로 묘사하여 왔다[1,2]. 층류 화염편 모델은 난류화염은 스트레치를 받는 화염들의 앙상블로 평균 구조를 구성하며 순간적인 화염은 층류화염 구조를 갖는 것으로 이해될 수 있다.
	대상 화염인 대향류화염에서 층류화염에 대한 다양한 특성을 데이터베이스로 구축하여 난류 모델링에 제공하는 것이 층류 화염편 모델 개선에 좋은 방법인 이유는 무엇인가?	층류 화염편(Laminar flamelet) 개념은 점근적으로 매우 얇은 층(화염편) 안에서 화학반응이 빠른 난류화염들을 성공적으로 묘사하여 왔다[1,2]. 층류 화염편 모델은 난류화염은 스트레치를 받는 화염들의 앙상블로 평균 구조를 구성하며 순간적인 화염은 층류화염 구조를 갖는 것으로 이해될 수 있다. 따라서 층류 화염편 모델을 개선하는 좋은 방법 중 하나는 대상 화염인 대향류화염에서 층류화염에 대한 다양한 특성을 데이터베이스로 구축하여 난류 모델링에 제공하는 것이다.

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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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