전단 동축형 인젝터를 통해 분사된 기체메탄-기체산소 확산화염의 연소특성 Combustion Characteristics of a Gaseous Methane-Gaseous Oxygen Diffusion Flame Sprayed by a Shear Coaxial Injector원문보기
전단 동축형 인젝터를 통해 분사된 친환경 이원추진제 기체메탄-기체산소의 연소특성을 규명하기 위한 연구를 수행하였다. DSLR카메라를 이용하여 다양한 연소조건에서 화염을 촬영하였고, 이미지 후처리 기법을 통해 화염형상을 정량화한 후 그 특성을 분석하였다. 안정화 관점에서 확산화염은 anchored flame regime과 blow-off regime으로 구분될 수 있었으며, 산화제 레이놀즈 수($Re_o$)가 증가함에 따라 부착화염의 형성, 화염의 길이가 증가하는 경향을 나타냈다. 본 실험에 이용된 전단 동축형 인젝터는 추진제 제트의 운동량 확산에만 종속하고 그리 양호하지 않은 혼합으로 인해 분사방향으로 길이가 긴 화염을 형성하게 되므로 보다 큰 연소실 길이직경비가 요구됨을 확인할 수 있었다.
전단 동축형 인젝터를 통해 분사된 친환경 이원추진제 기체메탄-기체산소의 연소특성을 규명하기 위한 연구를 수행하였다. DSLR카메라를 이용하여 다양한 연소조건에서 화염을 촬영하였고, 이미지 후처리 기법을 통해 화염형상을 정량화한 후 그 특성을 분석하였다. 안정화 관점에서 확산화염은 anchored flame regime과 blow-off regime으로 구분될 수 있었으며, 산화제 레이놀즈 수($Re_o$)가 증가함에 따라 부착화염의 형성, 화염의 길이가 증가하는 경향을 나타냈다. 본 실험에 이용된 전단 동축형 인젝터는 추진제 제트의 운동량 확산에만 종속하고 그리 양호하지 않은 혼합으로 인해 분사방향으로 길이가 긴 화염을 형성하게 되므로 보다 큰 연소실 길이직경비가 요구됨을 확인할 수 있었다.
The combustion characteristics of gaseous methane-gaseous oxygen, an eco-friendly bipropellant injected by shear coaxial injector, were investigated. Flame was photographed under various combustion conditions using a DSLR camera, and the characteristics of the flame shape was quantified by image pos...
The combustion characteristics of gaseous methane-gaseous oxygen, an eco-friendly bipropellant injected by shear coaxial injector, were investigated. Flame was photographed under various combustion conditions using a DSLR camera, and the characteristics of the flame shape was quantified by image post-processing. From the view point of stabilization, the diffusion flame could be divided into anchored flame regime and blow-off regime. As the oxidizer Reynolds number ($Re_o$) increased, a probability of the formation of anchored flame increased with the length of flame. The shear coaxial injector used in this experiment was found to require a large length-to-diameter ratio of combustion chamber because it formed a relatively long flame in the injection direction due to a poor mixing depending only on the momentum diffusion of two propellant jets.
The combustion characteristics of gaseous methane-gaseous oxygen, an eco-friendly bipropellant injected by shear coaxial injector, were investigated. Flame was photographed under various combustion conditions using a DSLR camera, and the characteristics of the flame shape was quantified by image post-processing. From the view point of stabilization, the diffusion flame could be divided into anchored flame regime and blow-off regime. As the oxidizer Reynolds number ($Re_o$) increased, a probability of the formation of anchored flame increased with the length of flame. The shear coaxial injector used in this experiment was found to require a large length-to-diameter ratio of combustion chamber because it formed a relatively long flame in the injection direction due to a poor mixing depending only on the momentum diffusion of two propellant jets.
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문제 정의
본 연구는 이원추진제 추력기(thruster)에 사용되는 메탄의 연소특성을 규명하기 위한 선행연구의 일환으로, 모델 연소실 내 전단 동축형 인젝터를 통해 분사되는 기체메탄-기체산소 화염의 이미지 후처리(image postprocessing)를 통해 화염특성을 분석하고 연소안정한계 도출 과정을 기술한다.
제안 방법
DSRL 카메라를 이용하여 획득한 화염의 직접 이미지와 이진화된 화염형상을 비교, 분석하여 화염길이를 도출하였다. 다양한 화염길이 측정법 중 실험자의 관측에 의해 정의되는 가시적인 방법과 촬영된 사진으로부터 개개의 순간적 가시 화염의 길이를 평균하는 방법[8]을 통해 (O/F)mom과 Reo에 따른 메탄-산소 확산화염을 형상화하였고, 이진화한 화염이미지를 픽셀단위로 보정하여, 화염길이를 측정하였다.
DSRL 카메라를 이용하여 획득한 화염의 직접 이미지와 이진화된 화염형상을 비교, 분석하여 화염길이를 도출하였다. 다양한 화염길이 측정법 중 실험자의 관측에 의해 정의되는 가시적인 방법과 촬영된 사진으로부터 개개의 순간적 가시 화염의 길이를 평균하는 방법[8]을 통해 (O/F)mom과 Reo에 따른 메탄-산소 확산화염을 형상화하였고, 이진화한 화염이미지를 픽셀단위로 보정하여, 화염길이를 측정하였다.
Ignition delay에 의존하는 토치화염의 압력은 점화 시 큰 압력을 발생시킨다. 따라서 모델연소실의 손상을 최소화하며, 연료와 산화제의 충분한 혼합을 위해 추진제를 2초간 공급하고, 점화플러그(spark plug)를 통한 고전압의 외부에너지를 이용하여 점화하였다. 그 후 주 추진제(primary propellant)를 주입하여 14초간 연소실험을 진행한 이후에 추진제공급을 차단하고 질소가스를 이용하여 공급유로 및 연소실의 잔류가스를 배출(purge)시킨다.
모델 연소실 내 기체메탄-기체산소 확산화염의 특성을 분석하기 위해 (O/F)mom 와 Reo에 따른 연소실험을 수행하여 연소안정한계를 도출하였고, 이미지 후처리 기법을 이용하여 확산화염이 미지를 상세히 분석하였다.
화염은 DSLR 카메라를 이용하여 직접이미지를 촬영하였고, 화염이미지를 그레이 스케일(gray scale)로 변환, 이미지 밝기강도(intensity), 선예도 (sharpness) 조절, 이진화(binarization) 과정 등을 통해 이미지 후처리(post-processing)를 하여, 화염특성을 정량화하였다.
확산화염의 안정화여부에 큰 영향을 미치는 변수인 추진제 모멘텀 플럭스 비(momentum flux ratio, (O/F)mom)와 추진제의 레이놀즈 수에 따른 연소실험을 수행하기 위해 산화제와 연료의 공급량을 조절하였고 질량비((O/F)mass)에 따른 실험 조건을 Table 1에 나타낸다. 연소실 압력, 추진제 공급압력을 측정하여 추진제 분사속도를 산출하는데 이용되었으며, 다음의 Eq.
대상 데이터
1은 기체메탄-기체산소의 연소특성 연구를 위한 모델연소실 및 실험장치의 개략도이다. 실험장치는 토치점화기(torch ignitor), 밸브(valve), 역화방지기(back-fire protector), 질량유량제어기(Mass Flow Controller, MFC), 데이터 수집 및 제어 장치(Data Acquisition and Control System, DACS) 등으로 이루어지며, 모델연소실은 추진제 혼합을 위한 전단 동축형 인젝터(shear-coaxial injector), 연소실(combustion chamber), 노즐(nozzle) 등으로 구성된다. 연소실 내부 형상(Fig.
성능/효과
그 후 주 추진제(primary propellant)를 주입하여 14초간 연소실험을 진행한 이후에 추진제공급을 차단하고 질소가스를 이용하여 공급유로 및 연소실의 잔류가스를 배출(purge)시킨다. 연소실의 압력은 주 추진제 연소 시에 큰 값으로 발생하며, Reo의 증가에 따라 압력이 상승하는 것을 확인하였다.
화염길이는 추진제 레이놀즈 수와 비례적으로 증가하는 경향을 보였다. 이는 반응성이 매우 큰 순 산소를 산화제로 사용하여 연소안정한계의 확장, 강한 연소반응의 영향 그리고 기체 추진제의 밀도 증가로 인한 운동량지름의 확장에 따라 화염길이가 증가된 것으로 보인다.
후속연구
이러한 장점으로 인해 메탄을 연료로 하는 로켓엔진의 연구가 활발히 진행되고 있으나, 아직 초기연구단계에 있다. 특히, 불안정한 추진제의 공급, 유동, 연소과정(combustion process), 연소실 음향모드(chamber acoustic modes) 등 다양한 이유로 발생하는 연소불안정성(combustion instability)은 추력성능의 저하 및 엔진 부품의 손상 등을 초래하므로 연소불안정성 해결을 위해 체계적인 연구가 수행되어야 한다. 이에 따라 액체메탄-액체산소의 선행연구로서 기체메탄-기체산소 연소특성의 규명은 필수적이라 할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이원추진제 로켓엔진의 특징은?
연료와 산화제를 추진제로 사용하는 이원추진제(bipropellant) 로켓엔진은 화학식 액체추진시스템(liquid propulsion system) 중에서 가장 높은 비추력 및 추력 성능과 다양한 추진제 공급량 조절에 기인하는 다양한 추력대의 작동특성을 가지고 있다. 로켓엔진은 추진제를 저장하기 위한 저장탱크(tankage), 추진제공급을 위한 터보 펌프(turbopump), 연소실(combustion chamber), 추진제 분사 장치(injector) 그리고 노즐(nozzle) 등으로 구성되며, 이원추진제 로켓엔진은 발사체 시스템(launch vehicle system), 우주비행체 (spacecraft), 우주정거장(space station), 인공위성 (satellite), 위치자세제어시스템(Divert and Attitude Control System, DACS) 뿐 아니라, 탐사선 착륙을 위한 역추진 로켓(retro-rocket)등에 이용되고 있다[1].
본문에서 설명하는 메탄을 연료로 하는 로켓엔진의 연구의 과제는 무엇인가?
이러한 장점으로 인해 메탄을 연료로 하는 로켓엔진의 연구가 활발히 진행되고 있으나, 아직 초기연구단계에 있다. 특히, 불안정한 추진제의 공급, 유동, 연소과정(combustion process), 연소실 음향모드(chamber acoustic modes) 등 다양한 이유로 발생하는 연소불안정성(combustion instability)은 추력성능의 저하 및 엔진 부품의 손상 등을 초래하므로 연소불안정성 해결을 위해 체계적인 연구가 수행되어야 한다. 이에 따라 액체메탄-액체산소의 선행연구로서 기체메탄-기체산소 연소특성의 규명은 필수적이라 할 수 있다.
로켓엔진은 어떻게 구성되는가?
연료와 산화제를 추진제로 사용하는 이원추진제(bipropellant) 로켓엔진은 화학식 액체추진시스템(liquid propulsion system) 중에서 가장 높은 비추력 및 추력 성능과 다양한 추진제 공급량 조절에 기인하는 다양한 추력대의 작동특성을 가지고 있다. 로켓엔진은 추진제를 저장하기 위한 저장탱크(tankage), 추진제공급을 위한 터보 펌프(turbopump), 연소실(combustion chamber), 추진제 분사 장치(injector) 그리고 노즐(nozzle) 등으로 구성되며, 이원추진제 로켓엔진은 발사체 시스템(launch vehicle system), 우주비행체 (spacecraft), 우주정거장(space station), 인공위성 (satellite), 위치자세제어시스템(Divert and Attitude Control System, DACS) 뿐 아니라, 탐사선 착륙을 위한 역추진 로켓(retro-rocket)등에 이용되고 있다[1]. 현재 운용되는 대부분의 액체 로켓엔진은 kerosene/LOx 또는 LH2/LOx를 추진제로 사용하며, LH2/LOx 추진제 조합은 타이원추진제에 비해 월등히 높은 비추력(specific impulse, Isp), 무독성, 친환경의 장점을 지니지만 낮은 밀도와 액화점으로 인한 대용량 저장탱크의 필요성, 높은 반응성에 기인하는 부가적인 안전장비의 설치에 따른 무게 및 부피증가의 단점을 지니고 있다[2].
참고문헌 (12)
Bae, S.H., Kwon, O.C. and Kim, J.S., "Spray Characteristic of Swirl-coaxial Injector According to the Recess Length and Injection Pressure Variation," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 20, No. 4, pp. 68-76, 2016.
Bae, S.H., Jung, H. and Kim, J.S., "A Preliminary Configuration Design of Methane/Oxygen Bipropellant Small-rocket-engine through Theoretical performance Analysis," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 19, No. 3, pp. 47-53, 2015.
Kim, J.S., Jung, H. and Kim, J.H., "State of the Art in the Development of Methane/Oxygen Liquid-bipropellant Rocket Engine," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 17, No. 6, pp. 120-130, 2013.
Chahine, M., Gillon, B., Sarh, B., Blanchard, J.N., and Gilard, V., "Stability of a laminar jet diffusion flame of methane in an oxygen enriched air co-jet," Seventh Mediterranean Combustion Symposium, Chia Laguna, Cagliari, Sardinia, Italy, ISBN 978-88-88104-12-6, Sep. 2011.
Fumiaki, T., Viswanath, K., "Lift-off Stability of Hydrocarbon Jet Diffusion Flames," Proceedings of the 20th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems(ICDERS), Montreal, Canada, Aug, 2005.
Jeffey, D., Kenneth, K., "Effect of Switching methane/oxygen reactants in a coaxial injector on the stability of non-premixed flames," Combustion Science and Technology, Vol. 180, Issue 3, pp. 401-417, 2008.
Shengteng, H., Peiyong. and Robert, W., "Experimental and Numerical investigation of non premixed tubular flames," Progress in Energy and Combustion science, Vol. 31, Issue 1, pp. 1093-1099, 2007.
Turns, R., Bandaru, V., "Oxides of Nitrogen Emissions from Turbulent hydrocarbon/air Jet Diffusion Flames," Gas Research Institute, GRI-5086-260-1308, 1992.
Wohl, K., Gazley, C. and Kapp, N., "Diffusion Flames," Third Symposium on Combustion and Flame and Explosion Phenomena, Baltimore, Maryland, U.S.A, pp. 288-300, 1949.
Kim, T.Y., Choi, S., Kim, H.K., Jeung, I. S., Koo, J. and Kwon, O. C., "Combustion Properties of gaseous CH4/O2 coaxial jet flames in a single-element combustor," Fuel, Vol. 184, pp. 28-35, 2016.
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