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
- 추후 상세화학반응 모델을 이용한 점화지연시간 계산 결과와 실제 연료의 점화지연시간을 비교할 예정이다. 또한 다양한 연료와 실험조건에서 점화지연시간을 측정하고, 이로부터 각 연료 고유의 점화특성을 파악하고자 한다.
- 본 연구에서는 화학 반응 모델을 검증하기 위한 중요한 장치 중 하나인 충격파관을 이용하여 국내에서 통용되는 Jet A-1의 점화지연시간을 측정하였다.
제안 방법
- Jet A-1/air 혼합기는 압력 범위 20 atm, 온도 범위680-1050 K, 당량비 1에서 실험을 수행하였으며, 물성치가 비슷한 Jet A의 점화지연시간 데이터와 비교하였다. Jet A-1의 모사연료는 n-dodecane, iso-octane, 1,3,5-TMB으로 구성할 수 있으며, 각각 45.
- 더불어, Jet A-1의 모사 연료 성분의 하나인 isooctane의 점화지연시간도 측정하였다. iso-octane/air혼합기는 압력 범위 10 atm, 온도 범위 1000-1250K, 당량비 1에서 실험을 수행하였으며, Shen 등[13],Davidson 등[14], Fieweger 등[15]이 측정한 점화지연시간 데이터와 비교, 검증하였다.
- 본 연구에서는 iso-octane/air의 실험으로 액체연료에 대한 점화지연시간을 파악하여 선행연구자의 데이터와 비교 검증을 하였으며, Table 1에 iso-octane/air와 Jet A-1/air의 실험조건을 나타내었다. iso-octane의 반사충격파 이후 온도의 범위는 1000-1300 K, JetA-1의 경우 700-1050 K으로 설정하여 실험을 수행하였다.
- 7mol%로 혼합하여 구성하였다. 각 연료에 대해 이전연구자들이 점화지연시간을 측정한 실험데이터를 이용하여 다항식 곡선 피팅(polynomial curve fitting)을 수행하였다. 선형 조합으로 모사연료와 같은 mol%를 맞추어 점화지연시간을 계산하고 이를 실제 제트연료의 점화지연시간 측정 데이터와 비교하였다.
- 각각의 연료에 대한 불확도 해석(uncertainty analysis)을 수행하였다[20-22]. 점화지연시간은 반사충격파 이후 온도 및 압력의 불확도, 반응 혼합물 구성의 불확도, 측정된 압력 및 화학 발광 신호 해석과 관련된 불확도로 인해 iso-octane의 경우 대략 ± 20%,Jet A-1은 대략 ± 25%로 추산되었다.
- 당량비 1, 반사충격파 이후의 압력 20.7 atm, 온도 1047 K 조건에서 실험을 수행하였으며, 점화지연시간은 605 µs이다.
- 더불어 그 구성 성분의 하나인 iso-octane의 점화 지연시간을 측정하였다.
- 본 연구에서는 화학 반응 모델을 검증하기 위한 중요한 장치 중 하나인 충격파관을 이용하여 국내에서 통용되는 Jet A-1의 점화지연시간을 측정하였다. 더불어, Jet A-1의 모사 연료 성분의 하나인 isooctane의 점화지연시간도 측정하였다. iso-octane/air혼합기는 압력 범위 10 atm, 온도 범위 1000-1250K, 당량비 1에서 실험을 수행하였으며, Shen 등[13],Davidson 등[14], Fieweger 등[15]이 측정한 점화지연시간 데이터와 비교, 검증하였다.
- 5, 1, 2 조건에서 점화지연시간을 측정하였다. 또한 3가지 연료(Benzene, hexane, decane)로 모사연료를 구성하여 같은 조건에서 실험을 수행하였으며 실제연료와 모사연료의 점화지연시간을 비교, 분석하였다. Vase 등[9]은 Jet A, JP-8에 대해 압력 범위8-51 atm, 온도 범위 715-1230 K, 당량비 0.
- 저압부는 액체 연료의 응축을 방지하기 위해 증발기의 온도와 동일한 조건으로 가열하여 실험을 수행하였다. 마지막으로 고압부와 저압부의 압력차로 격막을 파괴시키고 충격파 반사 이후, 정상유동 영역에서 점화지연시간을 측정한다.
- Dooley 등[10]은 JetA의 4가지 물성치를 파악하여 모사연료(1st generation surrogate)를 구성하였다. 모사연료는 n-dodecane/isooctane/toluene을 각각 순서대로 42.67/33.02/24.31 mol%로 구성하여 상세 화학 반응 모델(detailed kinetic model)을 개발하였다. 이렇게 개발된 상세 화학 반응 모델로 충격파관, 급속 압축기, 유동 반응기(flow reactor)등의 장치를 이용하여 측정값과 해석값을 비교한 후 모델을 검증하였다.
- 본 연구에서는 iso-octane/air의 실험으로 액체연료에 대한 점화지연시간을 파악하여 선행연구자의 데이터와 비교 검증을 하였으며, Table 1에 iso-octane/air와 Jet A-1/air의 실험조건을 나타내었다. iso-octane의 반사충격파 이후 온도의 범위는 1000-1300 K, JetA-1의 경우 700-1050 K으로 설정하여 실험을 수행하였다.
- 각 연료에 대해 이전연구자들이 점화지연시간을 측정한 실험데이터를 이용하여 다항식 곡선 피팅(polynomial curve fitting)을 수행하였다. 선형 조합으로 모사연료와 같은 mol%를 맞추어 점화지연시간을 계산하고 이를 실제 제트연료의 점화지연시간 측정 데이터와 비교하였다.
- 31 mol%로 구성하여 상세 화학 반응 모델(detailed kinetic model)을 개발하였다. 이렇게 개발된 상세 화학 반응 모델로 충격파관, 급속 압축기, 유동 반응기(flow reactor)등의 장치를 이용하여 측정값과 해석값을 비교한 후 모델을 검증하였다. Wang 등[11]은 충격파관을 이용하여 Jet A, JP-8, Shell GTL, Sasol IPK 연료들의 점화지연시간을 압력 범위 8-39 atm, 온도 범위650-1300 K, 당량비 0.
- 정상유동영역에서의 온도는 초기 조건의 압력과 온도 그리고 입사충격파의 속도로부터 충격파 이론을 이용하여 계산하였다. 입사충격파의 속도는 4개의 동압센서를 저압부에 장착하여, 입사충격파를 측정하였다.
- 저압부 끝 단면(end plate) 일부분에 석영창(quartzwindow)을 두었으며, 이와 더불어 반사충격파(reflected shock) 이후의 압력을 측정하기 위한 압력센서와 CH* 라디칼의 화학적 발광 신호를 측정하기 위해 광증폭관(photomultiplier tube; PM tube)을 장착하였다[16]. CH* 라디칼 신호는 431 ± 1 nm의 파장을 가지며, 점화여부를 판정하기 위해 사용되었다.
- 저압부는 액체 연료의 응축을 방지하기 위해 증발기의 온도와 동일한 조건으로 가열하여 실험을 수행하였다. 마지막으로 고압부와 저압부의 압력차로 격막을 파괴시키고 충격파 반사 이후, 정상유동 영역에서 점화지연시간을 측정한다.
- 점화지연시간을 측정하기 위해 충격파관 장치를 이용하여 실험을 수행하였으며, 실험 장치의 개략도를 Fig. 1에 나타내었다. 충격파관의 고압부(Driversection) 길이는 1.
- 900-1300 K 영역에서는 반사충격파 이후의 온도가 상승할수록 점화지연시간이 짧아지는 것을 확인하였다. 하지만 750-900 K 영역에서는 반사충격파 이후의 온도가 상승할수록 점화지연시간이 길어지는 현상, 즉 NTC 거동을 관찰하였다.
대상 데이터
- CH* 라디칼 신호는 431 ± 1 nm의 파장을 가지며, 점화여부를 판정하기 위해 사용되었다.
- 충격파관 장치를 이용하여 국내에서 통용되는 항공유인 Jet A-1 점화지연시간을 처음으로 측정하였다. 더불어 그 구성 성분의 하나인 iso-octane의 점화 지연시간을 측정하였다.
- 1에 나타내었다. 충격파관의 고압부(Driversection) 길이는 1.45 m, 내경은 66.9 mm이며, 저압부(Driven section)는 각각 5.85 m, 64.7 mm이다. 또한 충격파관에 관한 기초이론과 실험 장치에 대한 자세한 설명은 이전에 수행한 CH4/O2 혼합기의 점화지연시간을 측정한 논문에서 기술하였으므로 여기서는 생략한다[16].
데이터처리
- Dooley 등[12]은 기존에 파악한 Jet A의4가지 물성치를 참고하여 n-dodecane, n-propylbenzene, iso-octane, 1,3,5-trimethylbenzene(1,3,5-TMB)으로 모사연료(2nd generation surrogate)를 구성한 뒤 상세화학반응 모델을 개발하였다. 개발된 모델은 실제 연료의 여러 실험값과 이전에 구성한 모사연료(1st generation surrogate)의 해석값과 비교하여 검증하였다.
이론/모형
- 정상유동영역에서의 온도는 초기 조건의 압력과 온도 그리고 입사충격파의 속도로부터 충격파 이론을 이용하여 계산하였다. 입사충격파의 속도는 4개의 동압센서를 저압부에 장착하여, 입사충격파를 측정하였다.
성능/효과
- Jet A-1/air 혼합기는 Jet A/air와 비교하였을 때, 물성치 차이로 인해 점화지연시간이 약간 차이가 있었다. 900-1300 K 영역에서는 반사충격파 이후의 온도가 상승할수록 점화지연시간이 짧아지는 것을 확인하였다. 하지만 750-900 K 영역에서는 반사충격파 이후의 온도가 상승할수록 점화지연시간이 길어지는 현상, 즉 NTC 거동을 관찰하였다.
- iso-octane과 공기 혼합기는 반사충격파 이후 온도가 상승함에 따라 점화지연시간이 짧아지는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 일반적으로 온도조건이 높은 경우 화학반응속도가 상승하여 점화지연시간이 단축되는 것으로 판단된다.
후속연구
- 추후 상세화학반응 모델을 이용한 점화지연시간 계산 결과와 실제 연료의 점화지연시간을 비교할 예정이다. 또한 다양한 연료와 실험조건에서 점화지연시간을 측정하고, 이로부터 각 연료 고유의 점화특성을 파악하고자 한다.
- 정량적으로 점화지연시간을 비교하면 약 60% 길게 나타났으나 이는 허용할 수 있는 수준의 오차이다. 추후 좀 더 넓은 온도 영역에서의 비교 분석이 필요할 것이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.