초록 ▼

연구개요
○ 본 연구는 고정밀도 난류 연소 시뮬레이션을 이용하여 수소혼합 가스터빈 연소기에서 발생하는 연소불안정성을 예측하기 위한 프레임워크 개발을 목표로 하고 있다.
○ 아래의 세부 연구 목표로 단계를 구분하여 수행하였다.
- 수소 혼합 기체를 운용하는 진동 화염의 고정밀 난류 연소 시뮬레이션 수행.
- 시뮬레이션 결과를 이용한, 화염전달함수의 도출과 수소 혼합 기체 가스터빈의 연소 불안정성 분석.

연구 목표대비 연구결과
○ 수소 혼합 기체 고정밀 난류 연소 시뮬레이션 수행.
- 예혼합

연구개요
○ 본 연구는 고정밀도 난류 연소 시뮬레이션을 이용하여 수소혼합 가스터빈 연소기에서 발생하는 연소불안정성을 예측하기 위한 프레임워크 개발을 목표로 하고 있다.
○ 아래의 세부 연구 목표로 단계를 구분하여 수행하였다.
- 수소 혼합 기체를 운용하는 진동 화염의 고정밀 난류 연소 시뮬레이션 수행.
- 시뮬레이션 결과를 이용한, 화염전달함수의 도출과 수소 혼합 기체 가스터빈의 연소 불안정성 분석.

연구 목표대비 연구결과
○ 수소 혼합 기체 고정밀 난류 연소 시뮬레이션 수행.
- 예혼합화염 조건에서, 화염 안정기(Flame Holder)에 조화진동 가진을 설정하여 원하는 주파수와 진폭을 가지는 진동 화염을 발생시켰다.
- 화염과 난류의 상호작용을 정밀하게 모사하기 위하여, 직접수치해석(Direct Numerical Simulation, DNS) 기법을 사용하여 수행되었으며, 시뮬레이션 코드는 미국 Exascale Project의 일환으로 개발 중인 PeleLM을 사용하여 수행되었다.
- 본 시뮬레이션에서는 적응형 격자 (Adaptive Mesh Refinement, AMR) 방법을 적용하여, 화염 이외의 영역에서는 격자 밀집도를 감소시켜 계산 자원의 효율적 사용을 꾀하였다.
- 계산영역의 유입 조건은 난류 발생방법, Synthetic turbulence 방법을 사용하여 원하는 난류 강도와 길이 scale을 생성하였다.
- 고정밀 화학반응 시뮬레이션을 위해 DRM 화학 반응 메커니즘 (21가지 화학성분과 84가지 화학반응식을 포함하는 DRM19 모델)을 사용하였다.
- 구현된 코드는 효율적으로 실행 가능하도록 최적화를 진행하였다.
○ 화염전달함수의 도출과 수소혼합 가스터빈의 연소불안정성 예측 프레임워크 개발.
- 수행된 고정밀 연소 시뮬레이션을 통해, 수소혼합 화염의 거동들 (화염 안정기의 진동에 의한 링클(wrinkle) 발생, 첨점의 생성(cusping effect), 등)과 화염의 동적 특성들 (화염속도, 곡률, Turbulent Markstein length)을 구하였다.
- Turbulent Markstein length를 이용하여 G-equation 기반으로 개발된 화염전달함수 (Flame Transfer Function)를 도출하였다.
- 예측 도구인 OSCILOS(일차원 열음향 네트워크 모델)를 이용하여 수소혼합 가스터빈 연소기의 연소불안정성을 분석하였다.

연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
○ 가스터빈 개발 과정 단축에 기여할 수 있다.
- 연소불안정성은 시스템의 수명을 단축시키고, 공해물질의 배출에 직접적인 영향을 미칠 뿐 아니라 개발 과정에 많은 재원과 시간을 요한다.
○ 본 연구에서 개발된 시뮬레이션 프레임 워크는 수소 혼합 연료의 연소 뿐 아니라 연료 다변화 추세에서 다양한 연료의 연소에 적용할 수 있다.
- 가스터빈의 수소 혼합 연료만이 아니라, 근미래에 다양한 연료의 연소로 확장되어 나아가는 추세이다.
- 연료 다변화의 추세로 청정연료인 수소뿐만 아니라, Bio-fuel (에탄올, Bio-디젤, 등), 암모니아 등 다양한 연료들이 연구/고려되고 있다.
○ 4차산업혁명을 맞이하는 시점에서 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 개발과정으로 발전해 나가는데 도움이 될 것이다.
- 현재 많은 가스터빈 제조사들은 자체 시뮬레이션을 통하여 개발과정을 단축해 나가고 있다.
○ 고정밀도 시뮬레이션을 이용한 Digital Twin 체제 구축에 기여할 수 있다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1.1 연구개발의 목적 ... 4
• 1.2 연구개발의 필요성 ... 4
• 1.3 연구개발의 배경 (가설) ... 4
• 1.4 연구개발 목표 ... 5
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 2.1 수소/혼합 기체 진동 화염의 고정밀 난류 연소 직접수치해석(DNS) 시뮬레이션 ... 5
• 2.1-(1) 난류 유입 경계조건 생성 ... 6
• 2.1-(2) 경계 및 초기조건 설정 ... 6
• 2.1-(3) 슈퍼컴퓨터(누리온) 환경에서의 코드 최적화 ... 6
• 2.1-(4) 시뮬레이션 결과 및 후처리 ... 6
• 2.1-(5) 결과 분석 ... 7
• 2.2 화염전달함수(Flame Transfer Function)의 도출과 수소 혼합 기체 가스터빈 연소기 연소불안정성 분석 ... 8
• 2.2-(1) 화염전달함수 (Flame Transfer Function)의 도출 ... 8
• 2.2-(2) 수소 혼합 기체 가스터빈 연소기 연소불안정성 분석 ... 8
• 2.3 연구 결론 ... 9
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 10
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 12
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 12
• 6. 참고문헌 ... 14
• 붙임1. 세부 정량적 연구개발성과 ... 16
• 붙임2. 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 19
• 끝페이지 ... 22