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문제 정의
- 하지만 연소상태를 진단에 있어서는 2차원 단면상에서의 온도분포보다는 3차원 공간상의 온도분포가 보다 실용적이다. 본 논문은 고온가스의 3차원 온도분포 측정이 가능한 3차원 CT-TDLAS 기술 구축에 관한 내용기술을 목적으로 삼고 있다. 선행 연구3)에서는 1개의 2차원 단면상 셀(cell)을 이용하여 2차원 평면의 온도분포를 얻었지만 본 연구에서는 복층의 3차원 셀을 구성하여 3차원 온도분포를 측정하였다.
제안 방법
- 1) CT-TDLAS에 의한 3차원 온도분포를 측정할 수 있는 측정시스템을 구축하였다.
- 7에서 보이는 것처럼 64개의 레이저 교차점에서 thermocouple에 의한 온도측정을 실시하였고, 그 결과를 CT-TDLAS에 의한 산정 결과와 비교하였다. Thermocouple에 의한 온도 측정시 가스의 미세한 움직임에 의한 영향을 고려하기 위하여 5회 반복 측정에 의한 평균 온도값들을 thermocouple에 의한 온도값으로 간주하였다. 반복 측정된 온도의 표준편차는 1층 및 2층에서 각각 1-55 K, 2-24 K로 나타났다.
- 본 논문은 고온가스의 3차원 온도분포 측정이 가능한 3차원 CT-TDLAS 기술 구축에 관한 내용기술을 목적으로 삼고 있다. 선행 연구3)에서는 1개의 2차원 단면상 셀(cell)을 이용하여 2차원 평면의 온도분포를 얻었지만 본 연구에서는 복층의 3차원 셀을 구성하여 3차원 온도분포를 측정하였다.
- β는 수렴속도에 영향을 주는 가중치이다. 실험으로부터 얻어진 흡수 스펙트럼의 흡수량과 이론상 흡수 스펙트럼의 흡수량을 비교하여 오차가 최소가 될 때까지 반복계산을 수행하였다.
- 분배된 레이저는 연소장을 지나면서 측정 대상 가스인 H2O에 의해 흡수반응을 일으키고 이 흡수신호는 Photodetector(G12180-010A)에 의해 측정되고 계측기로 전달된다. 연소장 실험을 위하여 LPG 버너를 이용하였고 균일한 연소상태를 유지하기 위해 연소시 공기와 LPG를 일정비로 유지하였다. 연소장의 측정 온도범위는 300-800 K로 설정하였다.
- 2와 같은 흡수 스펙트럼을 얻었다. 이와 같은 흡수 스펙트럼은 온도 변화에 따라 변화하는 관계로 모든 흡수 스펙트럼을 이용하여 온도를 산정하였다.
대상 데이터
- 각 층의 레이저 배열은 8×8 lines (16 paths)로 구성하였으며 측정영역의 직경은 80 mm이다.
- 본 연구에서 사용된 레이저 주파수는 1 kHz이고 발진용 파형은 흡수선의 curve fitting에 용이한 톱니파(sawtooth)로 설정하였다. 3차원 계측을 위해 Fig.
- 본 연구에서는 연소시 발생되는 수증기(H2O)의 온도와 농도분포를 측정하기 위해 수증기에 대한 흡수반응이 잘 일어나는 1,388.0-1,388.6 nm의 파장대의 레이저를 사용하였다. 사용된 레이저 파수(wavenumber)의 범위는 7,201.
- 6 nm의 파장대의 레이저를 사용하였다. 사용된 레이저 파수(wavenumber)의 범위는 7,201.49-7,204.61 cm-1이며 이 중 온도에 따른 반응성이 큰 6개의 파수들(7,204.16 cm-1, 7,203.91 cm-1, 7,203.90 cm-1, 7,203.66 cm-1, 7,202.91 cm-1 , 7,202.25 cm-1)을 대표 파수로 선정하고 본 논문에서는 이를 각각 #1, #2, #3, #4, #5, #6이라 표기한다.
데이터처리
- 각 층의 레이저 배열은 8×8 lines (16 paths)로 구성하였으며 측정영역의 직경은 80 mm이다. CT-TDLAS의 온도측정 성능평가를 위해 Fig. 7에서 보이는 것처럼 64개의 레이저 교차점에서 thermocouple에 의한 온도측정을 실시하였고, 그 결과를 CT-TDLAS에 의한 산정 결과와 비교하였다. Thermocouple에 의한 온도 측정시 가스의 미세한 움직임에 의한 영향을 고려하기 위하여 5회 반복 측정에 의한 평균 온도값들을 thermocouple에 의한 온도값으로 간주하였다.
- CT-TDLAS의 측정 성능을 평가하기 위해 식 (5)로 나타낼 수 있는 64개의 지점에서 thermocouple에 의한 온도측정 결과와 비교하였다.
이론/모형
- 4에서 보이는 것처럼 가로, 세로 레이저가 교차하는 각 교점에서의 온도를 산정하기 위해서는 computed tomography (CT)의 재구성 알고리듬을 이용하여 온도분포로 재구성한다. 본 연구에서 사용된 재구성 알고리듬은 식 (4)로 나타나는 SMART법8,9)을 적용하였다.
- 에 있어서 잘 기술되어 있으나 본 논문에서는 독자이해의 용이성 제공을 위하여 간략히 재기술하면 다음과 같다. 빛이 가스매질을 통과할 때 입사광과 투사광의 비는 매질의 두께, 흡수계수, 흡수선의 길이에 비례한다는 Lambert-Beer 법칙5)에 기반한 측정시스템이며 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.
성능/효과
- 1) 공급되는 가스(LPG)비와 공기의 혼합비의 간헐적 불안정성에 의하여 연소상태가 일정하게 유지되지 않을 수 있다는 점.
- 2) HITRAN database에서 제공하는 이론적 흡수 스펙트럼 값과 본 실험 환경에서의 실험적 흡수 스펙트럼 값과의 불일치에 따른 CT-TDLAS에 의한 온도산정값에 불확실성이 포함될 수 있다는 점.
- 2) Thermocouple 측정에 의한 온도측정 결과와 구축된 CT-TDLAS에 의한 온도측정에서의 상대오차는 평균 13%였다.
- 3) 388 nm 파장대에서 고온부(700 K 이상)로 갈수록 흡수 스펙트럼의 반응성이 떨어짐으로 인한 온도산정 값에 불확실성이 포함될 수 있다는 점.
- 3) 하부 단면에서의 온도분포는 상부 단면에서의 온도분포보다 정규화 온도분포에 가까웠는데, 이는 상부 단면에서의 배기가스 온도분포의 불안정성을 시사한다. 다시 말하면, 화염은 상부로 갈수록 불안정성을 가지게 됨을 시사한다.
- 4) Thermocouple 계측지점과 CT-TDLAS 계측지점 산정에 불확실성이 포함될 수 있다는 점.
- 두 측정법에 의한 온도차에 대한 정량적인 평가를 위해 식 (6)으로 정의되는 상대오차율을 계산하였다. TCT-TDLAS는 CT-TDLAS에 의해 측정된 온도값, TThermocouple은 thermocouple에 의해 측정된 값으로 최대 33%의 상대오차율을 가졌고 평균 오차율은 13%로 나타났다.
- 9는 CT-TDLAS에 의하여 산출된 각 층에서의 온도분포를 나타낸다. X, Y축은 측정 영역의 범위를 나타내고 첫 번째 층에서 측정된 온도범위는 312-774 K, 두 번째 층에서 측정된 온도범위는 311-783 K로 나타났는데 거의 유사한 온도측정 범위를 가졌음을 확인되었다. 두 번째 층의 중심부 온도가 첫 번째 층보다 높은 온도를 보였는데, 고온부에서 CT-TDLAS 계측오차가 나타나는 특성에 의한 것으로 보인다.
- 두 번째 층의 중심부 온도가 첫 번째 층보다 높은 온도를 보였는데, 고온부에서 CT-TDLAS 계측오차가 나타나는 특성에 의한 것으로 보인다. 화염이 중심에 위치함에 따라 중심부의 온도가 가장 높게 계측되었으며 가장자리로 갈수록 온도가 떨어지는 것을 알 수 있다. Fig.
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