튜브 내 하향 전파하는 예혼합 화염의 이차 열음향 불안정성 천이에 관한 실험적 연구 Experimental Study of Transition to Secondary Acoustic Instability at Downward-Propagating Premixed Flame in a Tube원문보기
연소실 내 공조현상으로 인해 발생되는 열음향 불안정성은 안정적인 연소시스템을 구현하기 위해 해결해야 하는 고질적인 문제로 제기되어 왔다. 열음향 불안정성은 크게 1차 2차 열음향 불안정성으로 나뉘며, 본 연구에서는 열음향 불안정성 중 2차 열음향 불안정성의 천이에 관해 열손실이 미치는 영향에 대한 실험적 연구를 진행하였다. 2차 열음향 불안정성을 발생시키기 위해 한쪽 끝이 열린 1/4 파장 공명기를 채택하여 수직으로 설치하였고, 공명기 내부에는 예혼합 가스를 주입하였다. 또한 공명기 상단으로 발생하는 열손실 효과를 비교하기 위해 추가적으로 외부 동축류 관을 설치하였다. 연료 농후조건의 예혼합 가스만을 채택하여 주입하였기 때문에 동축관에 주입되는 기체에 따라 공명기 상부에 추가적인 확산화염이 형성될 수 있다. 그 결과 확산화염이 발생되었을 경우 공명기 상단으로의 열손실이 감소하며 2차 열음향 불안정성이 발현되었으며, 확산화염이 억제되어 공명기 상단으로의 열손실이 증가하였을 경우 2차 열음향 불안정성의 발현이 억제되는 결과를 도출하였다.
연소실 내 공조현상으로 인해 발생되는 열음향 불안정성은 안정적인 연소시스템을 구현하기 위해 해결해야 하는 고질적인 문제로 제기되어 왔다. 열음향 불안정성은 크게 1차 2차 열음향 불안정성으로 나뉘며, 본 연구에서는 열음향 불안정성 중 2차 열음향 불안정성의 천이에 관해 열손실이 미치는 영향에 대한 실험적 연구를 진행하였다. 2차 열음향 불안정성을 발생시키기 위해 한쪽 끝이 열린 1/4 파장 공명기를 채택하여 수직으로 설치하였고, 공명기 내부에는 예혼합 가스를 주입하였다. 또한 공명기 상단으로 발생하는 열손실 효과를 비교하기 위해 추가적으로 외부 동축류 관을 설치하였다. 연료 농후조건의 예혼합 가스만을 채택하여 주입하였기 때문에 동축관에 주입되는 기체에 따라 공명기 상부에 추가적인 확산화염이 형성될 수 있다. 그 결과 확산화염이 발생되었을 경우 공명기 상단으로의 열손실이 감소하며 2차 열음향 불안정성이 발현되었으며, 확산화염이 억제되어 공명기 상단으로의 열손실이 증가하였을 경우 2차 열음향 불안정성의 발현이 억제되는 결과를 도출하였다.
Thermoacoustic instability caused by air conditioning in a combustion chamber has emerged as a problem that must be solved to establish a stable combustion system. Thermoacoustic instability is largely divided into primary and secondary acoustic instability. In this study, an experimental study of t...
Thermoacoustic instability caused by air conditioning in a combustion chamber has emerged as a problem that must be solved to establish a stable combustion system. Thermoacoustic instability is largely divided into primary and secondary acoustic instability. In this study, an experimental study of the effects of heat losses was conducted to investigate the mechanism of secondary acoustic instability. To generate the secondary acoustic instability, a quarter-wavelength resonator with one open end and one closed end was used, and the inside of the resonator was filled with premixed gases. Subsequently, secondary acoustic instability with downward-propagating flames could be realized via thermal expansion on the burnt side. To control heat losses qualitatively, an additional co-axial tube was installed in the resonator with air or nitrogen supply. Therefore, additional diffusion flames can be formed at the top of the resonator depending on the injection of the oxidizer into the co-axial tube when rich premixed flames are used. Consequently, secondary acoustic instability could not be achieved by increasing heat losses to the ambient when the additional diffusion flame was not formed, and the opposite result was obtained with the additional diffusion flame.
Thermoacoustic instability caused by air conditioning in a combustion chamber has emerged as a problem that must be solved to establish a stable combustion system. Thermoacoustic instability is largely divided into primary and secondary acoustic instability. In this study, an experimental study of the effects of heat losses was conducted to investigate the mechanism of secondary acoustic instability. To generate the secondary acoustic instability, a quarter-wavelength resonator with one open end and one closed end was used, and the inside of the resonator was filled with premixed gases. Subsequently, secondary acoustic instability with downward-propagating flames could be realized via thermal expansion on the burnt side. To control heat losses qualitatively, an additional co-axial tube was installed in the resonator with air or nitrogen supply. Therefore, additional diffusion flames can be formed at the top of the resonator depending on the injection of the oxidizer into the co-axial tube when rich premixed flames are used. Consequently, secondary acoustic instability could not be achieved by increasing heat losses to the ambient when the additional diffusion flame was not formed, and the opposite result was obtained with the additional diffusion flame.
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문제 정의
한다. 2차 열음향 불안정성 발생요인으로 화염 후단에서 발생하는 열손실을 채택하여 열손실 크기에 따른 2차열음향 불안정성의 천이 유무를 평가하고 아울러 음향 강도의 변화도 측정하고자 한다.
따라서 본 연구는, 2차 열음향 불안정성의 발생 메커니즘을 우선적으로 규명하여 성장 메커니즘 규명의 단초를 제공하고자 한다. 2차 열음향 불안정성 발생요인으로 화염 후단에서 발생하는 열손실을 채택하여 열손실 크기에 따른 2차열음향 불안정성의 천이 유무를 평가하고 아울러 음향 강도의 변화도 측정하고자 한다.
본 연구는 튜브 내 하향 전파하는 예혼합 화염의 2차 열음향 불안정성 발생에 미치는 열손실 효과에 대해 실험적으로 조사하였다. 본 연구를 통해 도출된 결과는 가스 터빈 혹은 연소 시스템 설계에 있어서 열음향 불안정성의 문제를해결하기 위한 단초를 제공할 것으로 기대되며, 본 연구를통해 도출된 결론은 아래에 서술하였다.
가설 설정
coupling)을 꼽을 수 있다. Clavin 등이 이론적으로 제안한 압력결합은 열음향 불안정성의 성장률이 결합상수, 에 비례한다는 메커니즘으로, 화학 반응존(chemical reaction zone)과 음향파의 두께가 동조될 때 열음향 불안정성이 발달한다는 가설이다. 여기서 와 은 각각 젤도 비치 수(Zel’dovich number)와 마하 수(Mach number)를 나타낸다.
제안 방법
5는 Mix. 1~3이 나타내는 열음향 세기를 비교하였다. 열음향 세기(the acoustic intensity or the sound intensity)는 한공간에서 음압을 발생시키는 힘으로 간주되며, 단위 면적당소리의 세기로 정의된다.
관 상부로의 열손실을 정량적으로 제어하기 위한 방안은 다음과 같다. 기본 화염(default flame)을 당량비(equivalence ratio, ) 1.4인 연료 농후조건(fuel rich condition) 의에틸렌 예혼합 화염을 채택함으로써 화염 후류에 미연소된 탄화수소 계열의 화학종과 주위류로 선정된 공기(Mix. 1) 와추가적인 반응을 유도하였다. 따라서 연소기 내부의 하향전파하는 예혼합 화염 외에 관 상부에서 확산화염이 추가적으로 생성됨에 따라 관 상부로의 열손실을 최대한 배제하였다.
본 연구의 지향점은 LNG 가스터빈의 시스템 안정화 구현이 주 목적이나, LNG의 경우 메탄계 연료이기 때문에 화염의 발광도가 낮은 단점으로 인해 가시화를기반으로 한 실험연구에 적합하지 않다. 따라서 메탄계 연료와 분자구성이 가장 가까운 에틸계 연료인 에틸렌을 채택하였고 화염전파속도 제어를 위해 희석제로 이산화탄소를혼합하였다. 관 상부로의 열손실을 정량적으로 제어하기 위한 방안은 다음과 같다.
따라서 연소기 내부의 하향전파하는 예혼합 화염 외에 관 상부에서 확산화염이 추가적으로 생성됨에 따라 관 상부로의 열손실을 최대한 배제하였다. 또한 기본 화염조건에서 주위 가스를 질소 혹은 헬륨 (Mix. 2 and 3)을 선택함으로써 관 상부에 확산화염이 발생되지 않는 조건에서도 실험을 수행하였다. Table 1에 표기된 연소 상태량인 층류화염전파속도(SL)와 단열화염온도(Tb)는 USC Ⅱ반응 메커니즘을 채택하여 CHEMKIN(Premix code)을통해 획득하였다(Kee, 1989).
연소기로 채택된 아크릴 관의 내부 직경과 길이는 각각 5 그리고 100cm이고, 관 상부만 개방된 전형적인 1/4파장 공명기(quater wavelength resonator)를 실험에 사용하였다. 또한아크릴 관 주위로 동일 재질의 동축관을 설치하여 주위가스 (ambient gas)에 따라 관 상부의 외부 환경을 인위적으로 제어하였다. 여기서 사용된 동축관의 내부 직경과 길이는 각각 8 그리고 100cm이고, 길이 방향으로 관 중간 부분에 메쉬를 설치하여 주위 가스 공급을 균일하게 형성하였다.
모든 혼합물의 면적 단위는 고속 카메라를 통해 촬영된 범위에서 59~63cm(4cm) 구간을 채택하여 열음향 세기를 구했으며 Fig. 5에 표시된 각 혼합물들의 열음향 세기 값(y 축)은 로그 스케일(log scale)을 기준으로 나타내었다.
실험에 사용된 제어 및 측정 시스템은 함수 발생기(fuction generator, keysight 33400b series)를 통해 작동되었고, 실험 진행 순서는 다음과 같다; 우선 아크릴 관 상부 커버를 닫아 밀폐 계를 형성한 후, 기본화염(default flame)에 해당하는 예 혼합 가스를 충전하였다. 충전 시 발생할 수 있는 유동에 의한 내부 교란을 최대한 억제하기 위하여 약 5분 정도의 대기시간을 가졌다.
촬영 범위는 화염 전파 방향으로 10 ×11cm이고 이미지 해상도와 샘플링 범위는 각각 512×1024 pixel 및 1000 fps(frame per second)에 해당한다. 압력 변동은 바닥에 설치된 압력 계측센서(PCB Piezotronics 106B52 dynamic pressure sensor)와 오실로스코프(Teledyne Lecroy)를 통해 획득하였으며 FFT(Fast Fouier Transform)를 통해 압력 진동 분석을 수행하였다.
따라서 열손실의 증가는 2차 열음향 불안정성의 발현을 억제시키는 것으로 확인되었다. 하지만 주위류로 주입된 질소에 경우, 화염이 전파하는 내부 관과 관의 상부에 발생되는 밀도 차에 의한 영향을 배제 할 수 없기에 주위류로 헬륨을 채택하여 추가적인 실험을 진행하였다.
는 관 하부로부터 측정된 거리를 나타내며 거리의 계측은 화염 선단의 위치를 기준으로 도출하였다. 또한 는 음향 파장을 나타내고, Mix.
대상 데이터
2는 실험에 사용된 실험장비의 개략도를 나타내고 있다. 연소기로 채택된 아크릴 관의 내부 직경과 길이는 각각 5 그리고 100cm이고, 관 상부만 개방된 전형적인 1/4파장 공명기(quater wavelength resonator)를 실험에 사용하였다. 또한아크릴 관 주위로 동일 재질의 동축관을 설치하여 주위가스 (ambient gas)에 따라 관 상부의 외부 환경을 인위적으로 제어하였다.
있다. 채택된 가스 조성은 이전 문헌을 토대로 2차 열음향 불안정성이 발생하는 이산화탄소가 희석된 에틸렌 예혼합 가스를 채택하였다(Choi et al., 2018; Yoon et al., 2017; Yoon et al., 2018). 본 연구의 지향점은 LNG 가스터빈의 시스템 안정화 구현이 주 목적이나, LNG의 경우 메탄계 연료이기 때문에 화염의 발광도가 낮은 단점으로 인해 가시화를기반으로 한 실험연구에 적합하지 않다.
점화된 화염은 하향 전파하여 관 상부로부터 45cm 지점에도달하였을 때 고속카메라(high speed camera, photron fastcam SA3) 촬영이 시작된다. 촬영 범위는 화염 전파 방향으로 10 ×11cm이고 이미지 해상도와 샘플링 범위는 각각 512×1024 pixel 및 1000 fps(frame per second)에 해당한다. 압력 변동은 바닥에 설치된 압력 계측센서(PCB Piezotronics 106B52 dynamic pressure sensor)와 오실로스코프(Teledyne Lecroy)를 통해 획득하였으며 FFT(Fast Fouier Transform)를 통해 압력 진동 분석을 수행하였다.
이론/모형
2 and 3)을 선택함으로써 관 상부에 확산화염이 발생되지 않는 조건에서도 실험을 수행하였다. Table 1에 표기된 연소 상태량인 층류화염전파속도(SL)와 단열화염온도(Tb)는 USC Ⅱ반응 메커니즘을 채택하여 CHEMKIN(Premix code)을통해 획득하였다(Kee, 1989).
성능/효과
(1) 열손실의 증가는 관내 온도뿐만 아니라 화염 두께에도 영향을 미치는 핵심 요소이며 이를 통해 2차 열음향 불안정성의 억제가 가능하며 비교적 안정된 전파화염이 관측되었다.
(3) 열음향 세기는 압력과 비례관계를 나타내므로 열손실효과로 인한 2차 열음향 불안정성의 발현 유무에 따라 열음향 세기 또한 다르게 나타나는 것이 관측되었다.
하지만 1차 열음향 불안정성 발생 이후 2차 열음향 불안정성으로 천이되는 Mix. 1과는 다르게 2차 열음향 불안정성이 발현되지 않고 계속적으로 일정한 주기를 갖는 평면화염 형태로 전파되는 것이 관측되었다. 따라서 열손실의 증가는 2차 열음향 불안정성의 발현을 억제시키는 것으로 확인되었다.
2, Mix. 3은각각의 실험에서 같은 결과를 도출해 냈으며 이를 통해 2차열음향 불안정성의 억제는 주위류로 선정된 가스와 내부 관사이의 밀도 차에 인한 현상이 아닌 열손실 효과에 의해 나타나는 현상임을 관측하였다.
1(b)-Ⅰ, (c)-Ⅰ). 두 번째, 1차열음향 불안정성이 발현되며 화염은 평면 형태를 나타내고 작은 소음을 동반하며 압력 분포 또한 약간의 상승곡선을 나타낸다(Fig. 1(b)-Ⅱ, (c)-Ⅱ).
1과는 다르게 2차 열음향 불안정성이 발현되지 않고 계속적으로 일정한 주기를 갖는 평면화염 형태로 전파되는 것이 관측되었다. 따라서 열손실의 증가는 2차 열음향 불안정성의 발현을 억제시키는 것으로 확인되었다. 하지만 주위류로 주입된 질소에 경우, 화염이 전파하는 내부 관과 관의 상부에 발생되는 밀도 차에 의한 영향을 배제 할 수 없기에 주위류로 헬륨을 채택하여 추가적인 실험을 진행하였다.
1(b)-Ⅱ, (c)-Ⅱ). 세 번째, 2차 열음향 불안정성이 발현되며 평면 형태로 전파하던 화염은 관의 중심부에서 물결 모양(corrugated structure)을 띄며 큰 소음을 동반하고, 급격하게 상승하는 압력 분포를 나타낸다(Fig. 1(b)-Ⅲ, (c)-Ⅲ).
첫 번째, 화염은 관의 상부에서 점화와 동시에 곡선 형태를 그리며 아무 소음을 동반하지 않은 채 전파되고 이때 압력 변동은 나타나지 않는다(Fig. 1(b)-Ⅰ, (c)-Ⅰ).
후속연구
, 2018). 본 연구의 지향점은 LNG 가스터빈의 시스템 안정화 구현이 주 목적이나, LNG의 경우 메탄계 연료이기 때문에 화염의 발광도가 낮은 단점으로 인해 가시화를기반으로 한 실험연구에 적합하지 않다. 따라서 메탄계 연료와 분자구성이 가장 가까운 에틸계 연료인 에틸렌을 채택하였고 화염전파속도 제어를 위해 희석제로 이산화탄소를혼합하였다.
있다. 특히 가스터빈을 선박 추진시스템으로 활용할 경우 IMO에서 규정하는 Tier Ⅲ규제까지 대부분 충족할 것으로 기대되어 고성능, 고효율 가스터빈 기술 확보는 국가별 해양산업 경쟁력을 판가름하는 중요한 잣대가 될 것으로 보인다.
참고문헌 (17)
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Yoon, S. H., T. J. Noh, and O. Fujita(2017), Effects of Lewis Number on Generation of Primary Acoustic Instability in Downward-Propagating Flames, Proceedings of the Combustion Institute, Vol. 36, pp. 1603-1611.
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