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문제 정의
- 이전 연구사례를 보았을 때 확산화염에 대한 화염응답특성에 대한 사례가 많지 않았으며 예혼합화염과 제트확산화염의 화염응답특성을 비교한 사례 또한 많지 않았다. 따라서 본 연구에서는 예혼합화염과 확산화염의 화염특성을 비교하였으며 실험변수로 CH4/H2가 50/50%인 혼합연료를 이용하여 다양한 속도 섭동에 대한 화염응답특성을 연구하였다. OH 자발광 계측을 통하여 화염길이를 수치화하였으며 이를 정규화(normalize)하여 정량적으로 비교를 하였다.
- 40slpm으로 상대적유량이 크다. 따라서 본 연구에서는 유량이 상대적으로 큰 산화제 공급라인에 가진주파수를 공급하여 화염섭동을 관찰하였다. 속도측정을 위한 열선유속계(Hot-wire anemometer)는 화염이 형성되는 노즐과 가능한 가까이 배치하여 속도측정 및 스피커의 주기성에 용이하도록 구성하였다.
- 본 연구에서는 예혼합화염과 제트확산화염의 화염특성을 연구하였다. 실험 변수로 CH4/H2의 혼합연료를 사용하였으며 혼합비는 50/50 %이다.
- 15에 해당하는 진폭이 존재하지 않음을 알 수 있다. 이는 화염길이를 수치화하기 위한 OH 자발광 계측 시 0.15의 진폭은 계측하지 않았지만 0.15의 열 방출량을 계측함으로써 0.12와 0.25 사이의 열 방출량을 계측함으로써 화염거동 특성을 파악해 보았다. 계측결과 Fig.
가설 설정
- 1. Schematic diagram of the burner; (a) premixed flame burner (b) jet-diffusion flame burner.
제안 방법
- 따라서 본 연구에서는 예혼합화염과 확산화염의 화염특성을 비교하였으며 실험변수로 CH4/H2가 50/50%인 혼합연료를 이용하여 다양한 속도 섭동에 대한 화염응답특성을 연구하였다. OH 자발광 계측을 통하여 화염길이를 수치화하였으며 이를 정규화(normalize)하여 정량적으로 비교를 하였다. 또한 화염전달함수를 구하여 화염길이 정규화와 비교하여 제트확산화염과 예혼합화염의 화염 응답특성 연구를 수행하였다.
- 속도측정을 위한 열선유속계(Hot-wire anemometer)는 화염이 형성되는 노즐과 가능한 가까이 배치하여 속도측정 및 스피커의 주기성에 용이하도록 구성하였다. 가진 주파수에 따른 화염의 거동을 관찰하기 위하여 OH 자발광(OH chemiluminescence)계측을 하였다. OH 자발광 계측은 최대 해상도 1024 × 1024에서 초당 7000Hz로 촬영이 가능한 초고속 카메라와 빛의 증폭을 위한 intensifire를 사용하였으며 렌즈는 f/2.
- 실험 변수로 CH4/H2의 혼합연료를 사용하였으며 혼합비는 50/50 %이다. 가진주파수와 평균속도 대비 속도 섭동 크기인 진폭을 다양하게 변경하며 실험을 하였으며 OH 자발광(OH Chemiluminescence) 계측으로 화염 길이를 수치화하 하였고 PMT(Photo Multiplier Tube)를 이용하여 화염전달함수를 구하였다. 화염길이의 정규화(Normalized) 결과를 통해 화염길이에 대한 화염응답특성을 비교하였다.
- 획득한 이미지 픽셀정보의 에러데이터를 화염형상에 영향을 미치지 않도록 효과적으로 제거하기 위하여 예혼합화염과 마찬가지로 최대강도를 35%로 제한하였다. 노이즈를 제거한 후 화염길이 측정오차를 줄이기 위하여 한 주파수 당 3000장의 이미지를 분석하여 최대높이를 측정하였다. 진폭이 0.
- OH 자발광 계측을 통하여 화염길이를 수치화하였으며 이를 정규화(normalize)하여 정량적으로 비교를 하였다. 또한 화염전달함수를 구하여 화염길이 정규화와 비교하여 제트확산화염과 예혼합화염의 화염 응답특성 연구를 수행하였다.
- 첫 번째 이유는 실험조건이다. 본 연구에서는 연료와 공기의 유량이 예혼합화염의 당량비 1의 연료와 공기 공급유량을 기준으로 실험하였다. 예혼합화염에는 당량비라는 개념이 존재하지만 확산화염에는 그렇지 않기 때문에 두 화염의 정량적인 비교를 위하여 예혼합화염의 당량비 1인 연료와 공기공급유량을 기준으로 확산화염에 똑같이 적용하여 실험을 진행하였다.
- 본 연구에서는 유동 섭동과 열 발생량 섭동의 관계를 파악하기 위하여 제어의 전달함수개념을 화염에 대해 적용하여 섭동주파수의 함수로 나타낼 수 있는 화염전달함수(Flame Transfer Function)를 사용하였다. 화염전달함수는 다음과 같이 표현한다.
- 5는 OH자발광 계측을 통해 이미지를 획득하여 후처리과정을 통해 확산화염의 화염 길이를 수치화하였다. 본 연구의 확산화염은 끝이 닫히는 일반적인 확산화염이 아니기 때문에 예혼합화염과 조금 다른 후처리과정을 통해 화염길이를 측정하였다. 획득한 이미지 픽셀정보의 에러데이터를 화염형상에 영향을 미치지 않도록 효과적으로 제거하기 위하여 예혼합화염과 마찬가지로 최대강도를 35%로 제한하였다.
- 따라서 본 연구에서는 유량이 상대적으로 큰 산화제 공급라인에 가진주파수를 공급하여 화염섭동을 관찰하였다. 속도측정을 위한 열선유속계(Hot-wire anemometer)는 화염이 형성되는 노즐과 가능한 가까이 배치하여 속도측정 및 스피커의 주기성에 용이하도록 구성하였다. 가진 주파수에 따른 화염의 거동을 관찰하기 위하여 OH 자발광(OH chemiluminescence)계측을 하였다.
- 연료공급라인과 동축으로 정렬된 산화제 공급라인의 외경은 각각 6.35 mm와 12.7 mm이며, 지름이 35 mm인 원형 석영 관(Quartz tube)을 이용하여 연소 시 외부 공기의 유입을 차단하여 연소기의 산화제 관에서 공급되는 산화제로 화염을 유지하는 환경을 조성하였다.
- 화염가시화를 위해 DSLR 카메라를 이용하였으며 노출시간 10초로 설정하여 화염이미지를 획득하였다. 열방출량 계측을 위해서 노즐 부근에 PMT(Photo Multiplier Tube)를 장착하였다.
- 본 연구에서는 연료와 공기의 유량이 예혼합화염의 당량비 1의 연료와 공기 공급유량을 기준으로 실험하였다. 예혼합화염에는 당량비라는 개념이 존재하지만 확산화염에는 그렇지 않기 때문에 두 화염의 정량적인 비교를 위하여 예혼합화염의 당량비 1인 연료와 공기공급유량을 기준으로 확산화염에 똑같이 적용하여 실험을 진행하였다. 예혼합화염의 당량비 1의 실험조건을 확산화염에 적용하여 실험을 진행할 때 제트화염의 끝이 닫히기에는 충분히 많은 공기의 유량이 공급되지 않아 끝이 열린 제트화염이 형성된다.
- 화염섭동을 위한 가진주파수는 40 - 300 Hz 까지 20 Hz씩 증가시키며 공급을 하였으며 화염섭동 크기를 다양하게 관찰하기 위해서 스피커 전압을 증가시키며 다양한진폭을 생성하였다. 진폭(amplitude)은 평균속도 대비 속도 섭동 크기로 예혼합화염의 진폭은 0.15,0.30, 0.45 확산화염의 진폭은 0.12, 0.15, 0.25, 0.35으로 공급하였다.
- 필터는 OH 라디칼을80%투과시키는 band-pass filter를 사용하였다. 화염가시화를 위해 DSLR 카메라를 이용하였으며 노출시간 10초로 설정하여 화염이미지를 획득하였다. 열방출량 계측을 위해서 노즐 부근에 PMT(Photo Multiplier Tube)를 장착하였다.
- 가진주파수와 평균속도 대비 속도 섭동 크기인 진폭을 다양하게 변경하며 실험을 하였으며 OH 자발광(OH Chemiluminescence) 계측으로 화염 길이를 수치화하 하였고 PMT(Photo Multiplier Tube)를 이용하여 화염전달함수를 구하였다. 화염길이의 정규화(Normalized) 결과를 통해 화염길이에 대한 화염응답특성을 비교하였다.
- 예혼합화염과 확산화염의 정량적인 비교를 위하여 예혼합화염의 당량비 1 기준의 연료와 공기 공급유량을 확산화염에도 동일하게 공급하였다. 화염섭동을 위한 가진주파수는 40 - 300 Hz 까지 20 Hz씩 증가시키며 공급을 하였으며 화염섭동 크기를 다양하게 관찰하기 위해서 스피커 전압을 증가시키며 다양한진폭을 생성하였다. 진폭(amplitude)은 평균속도 대비 속도 섭동 크기로 예혼합화염의 진폭은 0.
- 화염의 최대-최소길이의 차를 화염의 평균길이로 나눈 결과를 다시 진폭으로 나누어 정의하였다. 예혼합화염의 화염길이 정규화 결과에 따르면 0.
대상 데이터
- OH 자발광 계측은 최대 해상도 1024 × 1024에서 초당 7000Hz로 촬영이 가능한 초고속 카메라와 빛의 증폭을 위한 intensifire를 사용하였으며 렌즈는 f/2.8, 100mm의 UV 렌즈를 사용하였다.
- 2의 (c)와 (d)는 확산화염의 가시화사진이다. 본 연구에서 사용한 확산화염의 연소기는 연료공급라인에서 연료가 공급이 되며 동축으로 정렬된 공기공급라인에서 공기가 공급이 되어 노즐 끝에서 확산화염을 형성한다. 주파수에 따른 화염섭동을 더 잘 관찰할 수 있도록 가진주파수는 연료공급라인보다 유량이 큰 공기공급라인에 주파수를 공급하였다.
- 실험에 쓰인 연료는 CH4/H2의 혼합연료이며 혼합비는 50/50 %이다. 산화제는 공기를 사용하였다. 연료와 산화제의공급은 MFC(Mass Flow Controller)제어를 통하여 공급하였으며 연료혼합조성비는 CH4/H2 각각 50/50 % 이다.
- 본 연구에서는 예혼합화염과 제트확산화염의 화염특성을 연구하였다. 실험 변수로 CH4/H2의 혼합연료를 사용하였으며 혼합비는 50/50 %이다. 가진주파수와 평균속도 대비 속도 섭동 크기인 진폭을 다양하게 변경하며 실험을 하였으며 OH 자발광(OH Chemiluminescence) 계측으로 화염 길이를 수치화하 하였고 PMT(Photo Multiplier Tube)를 이용하여 화염전달함수를 구하였다.
- Table 1은 본 연구의 실험 조건이다. 실험에 쓰인 연료는 CH4/H2의 혼합연료이며 혼합비는 50/50 %이다. 산화제는 공기를 사용하였다.
- 30으로 공급하였으며 가진주파수에 따른 화염의 최대-최소길이를 도시한 예혼합화염의 화염길이 그래프이다. 화염거동특성을 수치화시키기 위하여 OH 자발광 계측을 통해 획득한 3000장의 화염이미지 최대강도를 35%로 제한하여 에러데이터를 제거한 픽셀정보를 획득하였다. 최대강도가 35% 미만에 해당하는 픽셀을 제거하였을 때 화염 형상에는 거의 영향이 없었으며 노이즈만 제거되는 것을 확인하였다.
성능/효과
- 1) 가진주파수에 따른 화염길이는 진폭이 커질수록 연료와 공기의 혼합도가 증가하여 화염길이가 짧아지는 것을 확인하였다.
- 1) 가진주파수에 따른 화염길이는 진폭이 커질수록 화염 섭동이 커지는 것을 확인할 수 있었다.
- 2) 화염전달함수 결과 진폭에 따른 게인 값의 선형적인 거동 특성을 확인하였다. 이 결과로 속도섭동과 열 방출량이 선형적인 관계가 있음을 파악하였다.
- 2) 화염전달함수 결과 진폭에 따른 게인 값이 진폭이 0.20 이상인 경우에는 선형적인 거동특성을 보였지만 0.20 이하의 경우 비선형적인 거동 특성을 확인하였다.
- 화염의 최대-최소길이의 차를 화염의 평균길이로 나눈 결과를 다시 진폭으로 나누어 정의하였다. 예혼합화염의 화염길이 정규화 결과에 따르면 0.15,0.30의 진폭 모두 160 Hz 이전에는 평균적으로 높은 값을 유지하며 완만한 기울기를 가지는 것을 관찰할 수 있지만 160 Hz에서 기울기가 급격히 떨어지며 160 Hz 이후에는 상대적으로 낮은 평균값을 가지며 완만한 기울기를 나타낸다. 따라서 화염길이의 섭동정도는 속도 섭동크기와 선형적인 관계가 있음이 관찰된다.
- 2) 화염전달함수 결과 진폭에 따른 게인 값의 선형적인 거동 특성을 확인하였다. 이 결과로 속도섭동과 열 방출량이 선형적인 관계가 있음을 파악하였다.
- 진폭크기가 다름에도 불구하고 응답 값과 위상차의 값이동일한 이유는 화염전달함수의 가정인 속도 섭동에 대한 열 방출량이 비례한다는 의미에서 예혼합화염은 화염전달함수 가정에 잘 부합한다고 판단할 수 있다. 이를 통해 이전연구[14]에서 진폭이 0.20 이상에 대해 속도 섭동 값의 변화가 열 방출량에 큰 영향이 없다는 설명이 진폭이 0.30인 경우까지도 유효함을 실험적으로 확인할 수 있었다.
- 따라서 예혼합화염에서 가진주파수에 따른 화염 길이 섭동은 화염전달함수의 응답과 어느정도 연관이 있다고 판단할 수 있다. 즉, 화염의 거동특성은 열방출량 섭동과 관련이 있다는 것을 확인하였다.
- 화염거동특성을 수치화시키기 위하여 OH 자발광 계측을 통해 획득한 3000장의 화염이미지 최대강도를 35%로 제한하여 에러데이터를 제거한 픽셀정보를 획득하였다. 최대강도가 35% 미만에 해당하는 픽셀을 제거하였을 때 화염 형상에는 거의 영향이 없었으며 노이즈만 제거되는 것을 확인하였다. 그래프의 검정색 선은 가진에 따른 화염의 최소길이를 나타는 것이며 빨간색 선은 가진 시 최대 길이이고 파란색 점선은 둘의 평균길이를 도시한 것이다.
- 6의 화염 길이 정규화 역시 화염전달함수의 응답 값과 비슷한 경향을 보이는 것을 확인하였다. 화염길이 정규화에서 두 진폭이 비슷한 값을 가지며 160 Hz를 기점으로 급격하게 감소하던 값이 완만해지는 것 또한 확인을 하였다. 이는 화염 섭동 크기가 커지면 응답 값도 커지며 화염섭동 크기가 작아지면 응답 값도 그만큼 작아지는 현상이라고 말할 수 있는데 이러한 결과는 화염전달함수의 가정에 부합하는 것을 알 수 있다.
- 8의 예혼합화염의 화염전달함수 응답 값의 비교이다. 화염전달함수 응답 값은 두 진폭 모두 같은 값을 가지는 선형적인 경향을 보이며 응답 값의 주파수가 증가함에 따라 감소하는 경향이지만 160 Hz 이후에는 기울기가 완만해지는 것을 확인할 수 있다. Fig.
- 35의 진폭인 두 경우의 기울기 감소 경향성과 화염전달함수의 응답 값 기울기 감소경향성이 유사한 것으로 관찰된다. 화염전달함수의 게인과 화염 길이 정규화의 결과를 통해 확산화염은 예혼합화염과 다르게 진폭이 0.20 이상에서 속도 섭동과 화염길이 섭동의 비선형적인 영역이 존재함을 확인하였다.
- 본 연구의 확산화염은 끝이 닫히는 일반적인 확산화염이 아니기 때문에 예혼합화염과 조금 다른 후처리과정을 통해 화염길이를 측정하였다. 획득한 이미지 픽셀정보의 에러데이터를 화염형상에 영향을 미치지 않도록 효과적으로 제거하기 위하여 예혼합화염과 마찬가지로 최대강도를 35%로 제한하였다. 노이즈를 제거한 후 화염길이 측정오차를 줄이기 위하여 한 주파수 당 3000장의 이미지를 분석하여 최대높이를 측정하였다.
후속연구
- 본 연구는 제트확산화염과 예혼합화염의 화염특성을 실험적으로 확인해 보았으며 향후 연구에서는 다양한 연료조성비와 다양한 진폭에 따른 예혼합화염과 제트확산화염의 화염특성을 실험할 예정이다.
- 35가 비슷한 값을 가진다. 응답 값의 결과로 미루어보아 확산화염에서는 속도 섭동과 열방출량 섭동이 비례하는 화염전달함수보다 속도 섭동을 변수로 가지는 화염묘사함수(Flame describing Function)를 사용해야 화염응답특성을 자세히 관찰할 수 있을 것이라 판단된다.
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