[논문]부력 효과의 최소화를 통한 소화 근처 대향류 확산화염 거동에 관한 실험적 연구

정용호; 박정; 권오붕; 윤진한; 길상인; 김태형; 김영주

부력 효과의 최소화를 통한 소화 근처 대향류 확산화염 거동에 관한 실험적 연구
Experimental Study on Behavior near Extinction in Buoyancy-minimized Counterflow Diffusion Flame 원문보기

정용호 (부경대학교 에너지시스템공학과) , 박정 (부경대학교 기계공학과) , 권오붕 (부경대학교 기계공학과) , 윤진한 (한국 기계연구원 그린환경에너지기계본부) , 길상인 (한국 기계연구원 그린환경에너지기계본부) , 김태형 (한국전력연구원 수화력발전팀) , 김영주 (한국전력연구원 수화력발전팀)

Experimental study was conducted to elucidate flame extinction phenomena in counterflow flame. Using a curtain helium flow significantly reduced buoyancy such that the flame can be positioned at the center between the upper and lower nozzles even at the velocity ratio of 1.0. The curves of critical diluent mole fraction versus global strain rate have C-shapes. The flame oscillation was observed prior to low strain rate flame extinction at both flame conditions with and without minimizing buoyancy force. The results show that, at low strain rate flame, the self-excitation frequency with the order of 1.0 Hz in the case of utilizing pure helium gradually decreases in increase of $N_2$ mole fraction in the curtain flow, meaning that buoyancy suppresses the self-excitation of the outer edge flame.

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문제 정의

⁽⁷⁾ 이후 확장된 연구에서 유한한 버너 직경에서의 대향류화염 응답특성은 다 차원 효과를 고려해야함을 시사하고, 앞서 언급한 세 가지 화염 소화 모드의 메커니즘과 외곽에지화염이 화염소화에 미치는 영향에 대해 설명하였다.⁽⁸⁾ 이에 본 연구그룹은 기존의 연구로 밝혀진 사실을 바탕으로 화염대와 주위 분위기와의밀도 구배를 최소화하여 부력을 최소화하는 실험기법을 이용하여 화염구조와 소화거동 등을 알아보고자 연구를 진행하려고 한다.

제안 방법

버너의 상부노즐에는 희석제로 희석한 메탄을 연료로 분사하였고, 하부노즐에는 산화제를 분사하였다. 외부의 화염 교란을 막고 후류(wake flow)에 의해 생성되는 외부 화염을 제거하기 위해 장막유동을 공급하였으며, 연료 및 산화제 노즐 내부에 미세한 매쉬 스크린(mesh screen)을 다단으로 설치하여 노즐 출구에서 균일한 유동속도를 갖게 하였다.
버너의 상부노즐에는 희석제로 희석한 메탄을 연료로 분사하였고, 하부노즐에는 산화제를 분사하였다. 외부의 화염 교란을 막고 후류(wake flow)에 의해 생성되는 외부 화염을 제거하기 위해 장막유동을 공급하였으며, 연료 및 산화제 노즐 내부에 미세한 매쉬 스크린(mesh screen)을 다단으로 설치하여 노즐 출구에서 균일한 유동속도를 갖게 하였다. 이를 마이크로마노이터를 이용하여 균일한 유동임을 검증하였다.
이 진동은 저신장율에서 화염소화 직전에 나타나는 기존의 진동과는 달리 부력을 최소화한 상태에서 항상 나타났다. 이러한 현상이 부력에 원인이 있는 것으로 판단하여 장막유동에 질소를 조금씩 첨가함으로서 부력의 효과를 점차 증가시키며 추가적으로 실험을 수행하였다.
99%)를 사용하였다. 화염의 거동을 관찰하기 위해 정면에서 디지털 미디어 카메라로 촬영하고, 취득된 화염거동들은 matlab기반의 프로그램을 통해 분석하였다.

대상 데이터

이를 마이크로마노이터를 이용하여 균일한 유동임을 검증하였다. 실험은 전제 신장율을 변화시키면서 실험을 수행하였으며, 전체 신장율의 범위는 4.7에서 50s^-1이다. 전체 신장율의 정의는 식 (1)과 같다.
연료는 99.95%의 고순도 메탄을 사용하였으며, 희석제로는 고순도 질소(99.999%)와 고순도 헬륨(99.99%)를 사용하였다. 화염의 거동을 관찰하기 위해 정면에서 디지털 미디어 카메라로 촬영하고, 취득된 화염거동들은 matlab기반의 프로그램을 통해 분석하였다.

성능/효과

5를 보면 알 수 있듯이 장막유동의 질소 몰프렉션이 증가 할수록 즉, 부력의 효과가 커질수록 진동 주파수는 감소하는 것을 알 수 있으며, 장막유동의 질소 몰프렉션이 임계값보다 커지면 진동이 멈추게 된다. 부력이 있는 조건에서는 나타나지 않고, 부력이 최소화되면 나타났다가 부력의 효과가 줄어들수록 진동 주파수가 점점 감소하는 것으로 보아 부력의 효과가 이러한 진동을 억제하는 것으로 판단된다.
3은 기본적으로 장막유동을 헬륨을 선택하고 질소를 10%씩 추가로 첨가하여 실험을 수행하여 도출된 전체신장율에 따른 화염소화임계몰분율이다. 헬륨이 질소에 비해 열전도도가 높기 때문에 주위분위기를 헬륨 100%로 조성하였을때 가장 화염소화임계몰분율이 낮았고, 질소를 첨가함에 따라 단계적으로 높아졌다. 또한 고신장율에서는 부력과 열손실에 의한 효과를 무시할 수 있으므로 하나의 곡선으로 일치함을 알 수 있다.

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