초록 ▼

□ 연구 목표 및 내용
○ 최종 목표
액체연료 액적의 고온벽면 충돌 현상은 다양한 산업기술에 응용되고 있지만 물리적 복잡성으로 인해 그에 대한 이해는 제한적이었으며, 특히 그 수요가 증대하고 있는 혼합연료에 대한 학술적 이해는 매우 부족하다. 물성이 다른 물질들이 혼합된 다양한 혼합연료가 분사되어 고온 표면에 고속 충돌할 때 발생하는 현상의 고유 특성과 미립화 성능과의 인과관계 규명을 위해 고온표면 및 고속 충돌 실험과 동시에 3차원 가시화가 가능한 실험장치를 새롭게 개발하고, 이를 활용하여 다양한 혼합연료 액적의 미립화

□ 연구 목표 및 내용
○ 최종 목표
액체연료 액적의 고온벽면 충돌 현상은 다양한 산업기술에 응용되고 있지만 물리적 복잡성으로 인해 그에 대한 이해는 제한적이었으며, 특히 그 수요가 증대하고 있는 혼합연료에 대한 학술적 이해는 매우 부족하다. 물성이 다른 물질들이 혼합된 다양한 혼합연료가 분사되어 고온 표면에 고속 충돌할 때 발생하는 현상의 고유 특성과 미립화 성능과의 인과관계 규명을 위해 고온표면 및 고속 충돌 실험과 동시에 3차원 가시화가 가능한 실험장치를 새롭게 개발하고, 이를 활용하여 다양한 혼합연료 액적의 미립화에 영향을 미치는 충돌속도, 표면온도, 연료 혼합비 조건에 대해 연구하며, 그 결과를 바탕으로 실제 액체연료 다변화와 가스터빈 등 연소기에 적용 가능한 일반화된 충돌 미립화 이론과 모델을 제안하고자 한다.

○ 전체 내용
액체연료 이용 가스터빈 연소기의 연료액적 고온표면 충돌 미립화 현상을 심화 연구하기 위해 고온표면 및 고속충돌 실험과 동시에 3차원 가시화가 가능한 실험장치를 새롭게 개발하고, 단계적으로 실험의 조건을 고온, 고속, 고압의 방향으로 연구를 확장한다. 고온, 고압, 고속 조건에서의 연료액적 충돌 시 미립화 경향 및 메커니즘을 규명하고, 실제 연료다변화 고압 연소시스템에 적용 가능한 연료 액적충돌의 이론적 모델을 개발한다.
이를 위한 연구개발과제의 추진체계는 전체 5년의 기간을 설정하고 각 연차별로 순서대로 [3차원 가시화 고온표면 및 액적충돌 장치 개발], [고속 액적충돌 조건 확장], [상압 조건에서의 이론적 모델 제시], [고압 조건 확장], [연료다변화 고압 연소시스템 적용 가능 이론적 모델 개발]의 단계적인 체계로 구성한다. 실험결과에 관여하고 있을 것으로 예상되는 대표 효과에 대한 구분을 위해 추가적인 실험 또는 해석을 수행한다. 최종적으로는 실제 연료다변화 고압 연소시스템에 적용 가능한 연료 액적 충돌의 미립화 이론을 제시하고 연소실 내부 모사 수치해석을 위한 경계조건 및 2차 액적 생성 특성 데이터베이스를 제공한다.

○ 1단계
● 연구 목표
-1차년도 (2021) 연구목표: 고온표면 연료액적 충돌 가시화 실험장치를 새롭게 개발하고, 이를 활용하여 대기압 조건에서 액체연료의 동적거동 및 미립화 경향 변화에 대한 실험 수행
-2차년도 (2022) 연구목표: 연료액적 충돌 실험장치의 액적 충돌속도를 실제 가스터빈 연소시스템의 조건을 모사할 수 있도록 대폭 증가시키고, 고속 및 고온 충돌조건에서 연료 미립화에 대한 실험 수행
-3차년도 (2023) 연구목표:연료액적 고온표면 충돌현상, 미립화 경향에 대한 실험적, 이론적 모델 제시

● 연구 내용
-1차년도 (2021) 연구내용
1. 실제 연소시스템의 연소실 벽면 온도조건 구현을 위한 표면가열 버너리그 구축
2. 액적 충돌현상의 3차원 가시화를 위한 충돌 표면 제작, 고속 가시화 시스템 구축
3. 순수 연료액적의 표면 충돌 후 분열 임계조건 및 원인 연구
-2차년도 (2022) 연구내용
1. 액적의 충돌속도 증가가 가능하도록 개선 (충돌속도 15 m/s 이상)
2. 실제 가스터빈 연소시스템의 분무액적 고속 고온표면 충돌조건의 모사
3. 연료다변화 조건 실험수행: 물 유화, 바이오연료 등 혼합 연료
4. 혼합연료에 대한 충돌 후 미립화 임계조건 및 2차 액적 생성 경향 연구
-3차년도 (2023) 연구내용
1. 다양한 혼합 연료액적의 고온표면 충돌 현상에 대한 다수의 데이터 획득
2. 2차 액적 생성 경향 및 액적들의 공간적인 분포에 관한 통계적 데이터 분석방법 연구
3. 표면온도, 연료혼합조건, 충돌속도에 따른 2차 액적 생성 및 미립화 특성에 관한 이론 개발
4. 미립화 및 연소성능 향상을 위한 연료혼합 및 충돌조건 최적화 연구

○ 2단계
● 연구 목표
-4차년도 (2024) 연구목표: 고온표면, 고속 액적충돌 시스템을 고압 분위기 조건에 적용할 수 있도록 개선. 이를 활용하여 실제 가스터빈 연소시스템의 고온/고압 조건에 대한 실험 수행 및 해석
-5차년도 (2025) 연구목표: 실제 연료다변화 목적 가스터빈 연소시스템에 적용 가능한 연료액적 충돌 미립화 현상의 실험적, 이론적 모델 제시

● 연구 내용
-4차년도 (2024) 연구내용
1. 고온, 고압, 고속 조건에서의 연료액적 충돌 현상 구현을 위한 장치 개선
2. 압력이 연료액적 고온표면충돌 현상에 미치는 영향 연구
3. 다양한 혼합 연료액적의 고압 및 고온표면 충돌 현상에 대한 실험적 데이터베이스 구축
-5차년도 (2025) 연구내용
1. 고온, 고압, 고속 조건에서의 연료액적 충돌 시 미립화 경향 및 메커니즘 규명
2. 실제 연료다변화 고압 연소시스템에 적용 가능한 연료액적충돌의 이론적 모델 개발
3. 연소실 내부 모사 수치해석을 위한 경계조건 및 2차 액적생성 특성 데이터베이스 구축

□ 연구성과
-1단계 정성적 연구성과
1. 실제 연소시스템을 모사하기 위한 액적 충돌 가시화 실험장치를 새롭게 설계/개발
2. 다양한 혼합 연료에 대한 충돌 실험 수행, 미립화 데이터 확보
3. 2차 액적의 공간적인 분포에 관한 통계적 데이터 분석방법 제시
4. 2차 액적의 분포 및 크기 분석, 이론적/실험적 관계식 제안
5. 실제 연소시스템에서의 미립화, 연소성능 향상을 위한 운전조건 제시
-1단계 정량적 연구성과
: 전문학술지 논문게재 1건, 학숟대회 논문발표 3건, 연구시설구축 1건
-2단계 정성적 연구성과
1. 고온/고압/고속 조건에서의 연료액적 충돌 현상 모사를 위한 실험 장치 설계 및 개발
2. 다양한 혼합 연료액적의 고압 및 고온표면 충돌 현상에 대한 실험적 데이터베이스 구축
3. 실제 연료다변화 목적 가스터빈 연소시스템에 적용 가능한 연료액적 충돌 미립화 현상의 실험적, 이론적 모델 제안
-2단계 정량적 연구성과
전문학술지 논문게재 1건, 학숟대회 논문발표 3건, 연구시설구축 2건

□ 연구성과의 활용 계획 및 기대효과
- 연료다변화 기술 활용: 산업분야와 발전분야 모두 향후 광범위한 연료 다변화가 예상됨. 본 연구는 기본적인 액체연료 연소기술을 기반으로 물, 바이오연료, 암모니아, 나노입자 등 다양한 혼소 기술에 직접적으로 응용하고, 연소기술 고도화에 활용할 수 있을 것임.
- 학술 발전, 연소기술 발전에 기여: 고온표면에 대한 액적의 충돌 시 미립화 특성과 관련된 연구로 열유체, 연소공학 분야의 학술적 발전에 기여할 수 있을 것임. 나아가 실제 산업적 측면에서 본 연구는 액체 혼합연료 활용을 극대화시키고, 연소시스템 효율 진전과 유해물질 저감에 기여할 수 있을 것으로 기대됨.
- 관련 기술에 대한 독자적 연구인력 배출: 연소기술은 가장 실용적/현실적 에너지변환 기술이며, 상당기간 지속될 것으로 예상됨. 하지만, 관련 분야의 국내 고급 연구 인력은 급격히 감소하는 추세이며, 향후 주변국에 비한 기술 경쟁력의 급격한 저하가 우려됨. 본 과제를 통해 국제수준의 연구 인력 양성에 기여할 것으로 판단됨.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 6
• 1) 연구과제의 필요성 ... 6
• 2) 연구과제의 최종 목표 ... 6
• 2. 연구과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 1) 1차년도 (2021) 연구내용 ... 6
• 2) 2차년도 (2022) 연구내용 ... 8
• 2) 3차년도 (2023) 연구내용 ... 10
• 3. 연구과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 13
• 1) 연구수행 결과 ... 13
• 2) 목표 달성 수준 ... 13
• 4) 중요 연구변경 사항 ... 13
• 4. 연구성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 13
• 5. 연구성과의 관리 및 활용 계획 ... 14
• 6. 다음 단계 연구계획 ... 14
• 1) 연구 목표 및 내용 ... 14
• 2) 연구 추진전략 ... 15
• 3) 연구 추진일정 및 기대성과 ... 15
• 4) 다음 단계 연구비 사용계획 ... 15
• 5) 연구 성과의 활용방안 및 기대효과 ... 15
• 끝페이지 ... 29