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문제 정의
- 본 연구에서는 부분예혼합 가스터빈 연소기에 대한 수치적 연구가 수행되었으며, 연료 내 수소 함량이 연소기 내 유동에 미치는 영향을 분석하였다. 가스터빈 내 난류 화염의 해석을 위하여 LES 난류 기법 및 PaSR 난류-연소 연계 모델이 OpenFOAM 솔버 내에 적용되었다.
- 가스터빈 내 난류 화염의 해석을 위하여 LES 난류 기법 및 PaSR 난류-연소 연계 모델이 OpenFOAM 솔버 내에 적용되었다. 선행 실험에서 측정된 OH 분자의 자발광 이미지와 속도장 결과가 수치해석 결과의 검증을 위하여 사용되었다. 수소 조성별로 도출된 화 염 구조 및 유선 분포가 분석되었으며 실험 결과와의 비교를 통하여 해석의 적절성이 확인되었다.
- 이와 같은 선행 연구들을 바탕으로 하여, 본 연구에서는 실험적으로 연구가 진행되었던[7] 부분예혼합 연소기를 대상으로 수치해석을 진행하였으며 수소 함량에 따른 연소특성이 구체적으로 조사되었다. 실험과의 검증 작업이 뒤이어 진행되었으며 현행 수치 해석 기법이 연료조건에 따른 연소특성을 적절히 해석할 수 있음을 확인하였다.
제안 방법
- OpenFOAM은 오픈 소스 소프트웨어로서 기존의 상용 해석 소프트웨어에 비해 구입비용이 소모되지 않고 대용량 병렬연산을 용이하게 수행할 수 있어 연구 솔버로 선택되었다. OpenFOAM 내의 아음속 연소해석에 적합한 솔버인 reactingFoam을 이용하여 해석이 수행되었으며 후처리 프로그램인 paraview를 이용해 연소특성이 조사되었다. 압력기반의 지배방정식 해석을 위한 속도-압력 연성계산을 위해 SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations) 알고리즘과 PISO(PressureImplicit with Splitting of Operators) 알고리즘을 결합한 PIMPLE 알고리즘이 사용되었다.
- 고려된 지배방정식을 바탕으로 하여, 연소해석을 위한 아레니우스 식 기반의 해석 모델이 OpenFOAM 내에 도입되었다[15]. 도입된 연소모델은 수치해석에서 사용하는 수소 및 메탄의 해석에 적합한 23개의 연소식 및 15개의 화학종으로 이루어졌으며 연료의 층류화염속도를 적절히 예측할 수 있도록 고안되었다. 연소실의 수치해석에 앞서, 연소모델에 대한 검증이 이루어졌으며 그 결과는 Fig.
- 실제 해석에 앞서 시뮬레이션 대상으로 선정한 부분예혼합 연소기에 대한 모델링이 이루어졌다. 해석 영역은 Fig.
- 주입되는 공기의 유량 1100 slpm (liter/min)이며 주입되는 연료의 유량은 발열량 40 kW 값에 맞추어 연료 조건 에 따라 변경되었다(Case A-C). 이어서 발열량 감소에 따른 유량 변화의 영향을 확인하기 위해 추가적 인 해석을 수행하였다(Case D). 해석 조건에 따른 초기조건은 Table 2에서 정리된 바와 같다.
- 이어서 수치해석 결과의 정량적인 검증을 위해 속 도장에 대한 실험과의 비교가 이루어졌다.
- 100% H2 조건은 실험결과가 존재하지 않아 비교를 진행하지 못하였으나, 마찬가지로 실험과 유사한 결과가 도출되었을 것으로 예상한다. 이어서 수치해석으로부터 도출된 유선(Streamline)의 분포가 그려졌으며 실험과의 비교가 진행되었다. 유선은 연소기 노즐로부터 축방향으로 150 mm 길이의 구간까지 그려졌으며, 실험적으로 측정된 유선과의 비교된 결과가 Fig.
- 결과에 따르면 수소 조성의 변화에 따라 연소기 내 화염 구조가 크게 변화함이 나타났다. 이어서 해석 결과로부터 도출된 속도장 분석을 통하여 수소 조성에 따른 유동 특성이 조사되었다. 각각의 해석 결과에서 선회 유동으로 인한 내부/외부 재순환 영역이 벽면을 따라 발생함이 확인되었다.
- 이와 같은 연소 과정의 해석을 위하여 연소기의 설계도를 바탕으로 3차원 STL 파일이 제작되었다. 제작된 STL 파일로부터 OpenFOAM과 연동된 격자 생성 프로그램인 cfMesh를 이용한 격자 생성 작업이 이루어졌다. 노즐 내 연료-공기 혼합 구간에서는 적절한 해석을 위하여 0.
대상 데이터
- 8 영역의 난류 경계층을 효과적으로 모사할 수 있도록 설정되었다. 해석 영역에 따른 격자 분포 특성에 대한 상세 정보는 Table 1에 정리된 바와 같으며, 3차원 해석을 위하여 총 250만개의 격자가 사용되었다.
- 실제 해석에 앞서 시뮬레이션 대상으로 선정한 부분예혼합 연소기에 대한 모델링이 이루어졌다. 해석 영역은 Fig. 2와 같이 노즐 및 연소기 일부 구간을 대상으로 선정하였다.
데이터처리
- 해석 결과 도출된 시간평균 화염 이미지의 적절성 검토를 위하여 실험 결과와의 비교 및 검증이 이루어졌다. 이전 실험에서 화염 이미지의 계측은 연소기 쿼츠 튜브에서 OH 분자의 자발광 이미지를 ICCD 카메라로 촬영하는 방식을 통해 진행되었다.
이론/모형
- 본 연구에서는 부분예혼합 가스터빈 연소기에 대한 수치적 연구가 수행되었으며, 연료 내 수소 함량이 연소기 내 유동에 미치는 영향을 분석하였다. 가스터빈 내 난류 화염의 해석을 위하여 LES 난류 기법 및 PaSR 난류-연소 연계 모델이 OpenFOAM 솔버 내에 적용되었다. 선행 실험에서 측정된 OH 분자의 자발광 이미지와 속도장 결과가 수치해석 결과의 검증을 위하여 사용되었다.
- 본 연구에서는 가스터빈 연소기의 연소해석을 위하여 유한체적법 기반의 전산유체역학 툴박스인 OpenFOAM[12]을 도입하였다. OpenFOAM은 오픈 소스 소프트웨어로서 기존의 상용 해석 소프트웨어에 비해 구입비용이 소모되지 않고 대용량 병렬연산을 용이하게 수행할 수 있어 연구 솔버로 선택되었다.
- 압력기반의 지배방정식 해석을 위한 속도-압력 연성계산을 위해 SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations) 알고리즘과 PISO(PressureImplicit with Splitting of Operators) 알고리즘을 결합한 PIMPLE 알고리즘이 사용되었다. 선회화염의 해석을 위해 LES 계열의 WALE 모델[13]이 도입되었으며, 이에 따라 지배방정식 내의 아격자 점성이 아래와 같이 계산되었다.
- OpenFOAM 내의 아음속 연소해석에 적합한 솔버인 reactingFoam을 이용하여 해석이 수행되었으며 후처리 프로그램인 paraview를 이용해 연소특성이 조사되었다. 압력기반의 지배방정식 해석을 위한 속도-압력 연성계산을 위해 SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations) 알고리즘과 PISO(PressureImplicit with Splitting of Operators) 알고리즘을 결합한 PIMPLE 알고리즘이 사용되었다. 선회화염의 해석을 위해 LES 계열의 WALE 모델[13]이 도입되었으며, 이에 따라 지배방정식 내의 아격자 점성이 아래와 같이 계산되었다.
- 그러나 연소실 내에서 강한 난류가 발생할 경우 실제 반응속도가 온도에 대한 비선형성을 가지므로 아레니우스 식을 이용한 해석이 부적절한 해석 결과를 도출할 가능성이 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 본 연구에서는 난류-연소 연계 모델의 일종인 Partially Stirred Reactor(PaSR) 모델[16]을 시뮬레이션 내에 도입하여 해석을 수행하였다.
성능/효과
- 이어서 해석 결과로부터 도출된 속도장 분석을 통하여 수소 조성에 따른 유동 특성이 조사되었다. 각각의 해석 결과에서 선회 유동으로 인한 내부/외부 재순환 영역이 벽면을 따라 발생함이 확인되었다. 실험 결과와의 비교를 통해 재순환 영역의 구조가 적절하게 해석되었음이 확인되었으며, 수소 조건에 따른 차이점이 확인되었다.
- 결과로부터 서로 다른 두 가지의 연료 조건에서 시뮬레이션 결과가 실험 결과를 잘 예측해 내었음이 확인되었다. 노즐로부터 주입된 공기 및 연료는 높은 온도에 의해 점화되며, 연소기 벽면에 부딪힌 후 두 영역으로 나뉘어 선회 유동이 형성된다.
- 결과에 따르면 다양한 압력 조건에서 연소모델을 도입한 연소해석이 선행문헌의 결과를 유사하게 재현해낸다는 것이 확인되었다. 그러나 연소실 내에서 강한 난류가 발생할 경우 실제 반응속도가 온도에 대한 비선형성을 가지므로 아레니우스 식을 이용한 해석이 부적절한 해석 결과를 도출할 가능성이 있다.
- 수소 조성별로 도출된 화 염 구조 및 유선 분포가 분석되었으며 실험 결과와의 비교를 통하여 해석의 적절성이 확인되었다. 결과에 따르면 수소 조성의 변화에 따라 연소기 내 화염 구조가 크게 변화함이 나타났다. 이어서 해석 결과로부터 도출된 속도장 분석을 통하여 수소 조성에 따른 유동 특성이 조사되었다.
- 결과에 따르면 유량 및 당량비가 기존의 절반으로 감소하였을 때 부분예혼합 화염이 더 좁은 영역에서 형성되었음이 확인된다. 동일 발열량에서 상대적으로 높은 유량의 100% H2 화염에서 좁은 화염구조가 형성되었음을 감안할 때, Fig.
- 5를 통해 확인할 수 있다. 그리고 연료 내 수소의 함량이 증가함에 따라, 화염이 노즐과 가까운 구간에서 짧고 굵게 형성됨이 확인되었다. 그리고 주요 반응 구간이 주입구와 가까운 구간에서 형성되었음이 확인되었다.
- 결과에 따르면 유량 및 당량비가 기존의 절반으로 감소하였을 때 부분예혼합 화염이 더 좁은 영역에서 형성되었음이 확인된다. 동일 발열량에서 상대적으로 높은 유량의 100% H2 화염에서 좁은 화염구조가 형성되었음을 감안할 때, Fig. 5에 나타난 화염 구조의 변화에는 수소 조성이 지배적인 영향을 미쳤다는 것으로 결론을 내릴 수 있다.
- 실험 결과와의 비교를 통해 재순환 영역의 구조가 적절하게 해석되었음이 확인되었으며, 수소 조건에 따른 차이점이 확인되었다. 본 연구결과는 수소 가스의 조성에 따른 난류 화염의 변화가 현행 수치해석 기술로 적절히 이루어질 수 있음을 확인하였다는 의의를 가진다. 본 수치해석을 통하여 논의된 결과는 대체 에너지로서 각광받는 수소 연료의 사용에 기여할 수 있을 것으로 생각된다.
- 8은 75% H2 및 50% H2 조건에 속 도장의 실험결과와 수치해석 결과를 함께 나타낸 그림이다. 비교결과로부터 수치해석이 실험을 정량적으로 잘 예측해내었음을 확인하였다. Fig.
- 또한, 속도가 빠르고 크기가 작은 내부 재순환 영역이 화염 안쪽 을 따라 형성된다. 수소 조성 50%의 결과와는 달리 수소 조성 75%에서의 결과는 상대적으로 크기가 작고 주름진 외부 재순환 영역을 형성하였음이 확인되었다(Fig. 9). 이와 같은 특성은 높은 수소 농도로 인해 짧아진 화염의 길이가 재순환 영역의 형성에 영향을 준 결과로 판단된다.
- 선행 실험에서 측정된 OH 분자의 자발광 이미지와 속도장 결과가 수치해석 결과의 검증을 위하여 사용되었다. 수소 조성별로 도출된 화 염 구조 및 유선 분포가 분석되었으며 실험 결과와의 비교를 통하여 해석의 적절성이 확인되었다. 결과에 따르면 수소 조성의 변화에 따라 연소기 내 화염 구조가 크게 변화함이 나타났다.
- 이와 같은 자발광 이미지는 화염 내에 존재하는 OH 분자들이 2차원으로 축적된 결과로 볼 수 있다. 수치해석에서는 OH 분자 의 질량 분율이 직접 계산되었으며, 실험결과와의 비교를 위해 y축을 통해 OH 결과가 적분되어 2차원 이미지가 도출되었다. 해당 과정에 대한 그림은 Fig.
- 각각의 해석 결과에서 선회 유동으로 인한 내부/외부 재순환 영역이 벽면을 따라 발생함이 확인되었다. 실험 결과와의 비교를 통해 재순환 영역의 구조가 적절하게 해석되었음이 확인되었으며, 수소 조건에 따른 차이점이 확인되었다. 본 연구결과는 수소 가스의 조성에 따른 난류 화염의 변화가 현행 수치해석 기술로 적절히 이루어질 수 있음을 확인하였다는 의의를 가진다.
- 이와 같은 선행 연구들을 바탕으로 하여, 본 연구에서는 실험적으로 연구가 진행되었던[7] 부분예혼합 연소기를 대상으로 수치해석을 진행하였으며 수소 함량에 따른 연소특성이 구체적으로 조사되었다. 실험과의 검증 작업이 뒤이어 진행되었으며 현행 수치 해석 기법이 연료조건에 따른 연소특성을 적절히 해석할 수 있음을 확인하였다.
- 이와 같은 결과는 유동 속도의 크기가 연료 조성에 따라 일정한 입구 공기 유량에 지배적으로 영향을 받았음을 나타낸다. 위 결과에서 공기유량은 연료 조건에 관계없이 1100 slpm으로 일정하였으나, 연료유량은 case A-C 조건에서 2배가량 변화하였다. 그러나 총 주입 유량은 1202 slpm–1322 slpm으로 큰 변화가 없었기에 이와 같은 결과가 나타난 것으로 파악된다.
후속연구
- 이와 같은 경우, 유량의 평균값이 일정함에 따라 화염 및 속도장의 평균값은 본 결과와 유사하게 도출될 것으로 예상된다. 그러나 계산 결과의 root-mean-square (RMS) 값 및 화염의 동특성이 달라지므로 추가적인 조사가 요구 된다. 따라서 화염 구조와 열음향학적 불안정성의 연계 현상에 대한 수치적인 논의는 향후 연구에서 이루어질 예정이다.
- 그러나 계산 결과의 root-mean-square (RMS) 값 및 화염의 동특성이 달라지므로 추가적인 조사가 요구 된다. 따라서 화염 구조와 열음향학적 불안정성의 연계 현상에 대한 수치적인 논의는 향후 연구에서 이루어질 예정이다.
- 본 연구결과는 수소 가스의 조성에 따른 난류 화염의 변화가 현행 수치해석 기술로 적절히 이루어질 수 있음을 확인하였다는 의의를 가진다. 본 수치해석을 통하여 논의된 결과는 대체 에너지로서 각광받는 수소 연료의 사용에 기여할 수 있을 것으로 생각된다.
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