3. 실험 결과해석 및 고찰
3.2 가압모듈 대기환경에 따른 고체연료의 화염전파 특성
실험 시 용기 내부의 가스 조성은 식(2.1)를 이용하여 조성하되 우주인이 노출되는 환경과 비슷한 환경을 모사하기 위하여 산소농도는 30%, 40%, 압력감소에 따른 화염 전파율의 변화를 알아보기 위하여 화염전파 이미지로부터 화염의 이동거리를 시간에 대한 함수로 측정하였다.
(a) Flame moving distance measured as a function of time after ignition on 30%
in 70%
(b) Flame moving distance measured as a function of time after ignition on 30%
in 70%
(c) Flame moving distance measured as a function of time after ignition on 30%
in He 70%
(d) Flame moving distance measured as a function of time after ignition on 40%
in 60%
(e) Flame moving distance measured as a function of time after ignition on 40%
in 60%
(f) Flame moving distance measured as a function of time after ignition on 40% in He 60%
Figure 3.2.2 Flame moving distance measured as a function of time after ignition
Figure 3.2.2(a)~(f)는 각각의 대기 조성에서 화염의 전파되는 거리를 시간의 함수로 나타낸 그래프이다. 대기 조성에 따른 비교를 원활하게 하기위해 화염전파율(Figure 3.2.2의 기울기)을 각 대기 조성에 따른 결과로 나타내면 그림 3.8과 같이 정리하였다.
그림 3.2.2의 결과를 보면 알수 있듯 압력에 따라 화염의 전파율이 값이 변화가 있으 나, 대기 조성에 따라서도 화염의 전파율이 달라지는 것을 알 수 있다.
Figure 3.2.3 Flame spread rate by gas type and pressure
실험은 지구중력장에서만 실험을 수행하였고, 내부의 전압력을 고정한 후 오로지 화염전파율에 관해서만 살펴보면 대기 조성 시 헬륨을 사용한 경우가 가장 빨랐고, 질 소, 이산화탄소를 사용한 순서로 화염전파율이 빠른 것을 알 수 있다. 화염전파율이 다 르게 나타나는 이유를 고찰해 보기 위해서는 다시 화염전파율()에 대해 정리한 식 (3.5)를 살펴봐야 한다. 압력의 변화는 없었으므로, 고체가연물의 밀도와 정압비열은 크 게 변화가 없었을 것이므로, 화염전파율에 영향을 줄 수 있는 인자는 기체의 열전도와 화염의 온도이다. 2.2장에 기술한 바와 같이 파이버의 중앙의 실리카 코어의 밝기를 통 해 화염의 온도를 간접적으로 비교 할 수 있다. 실리카 코어의 밝기를 분석 결과는 Figure3.2.4와 같다.
Figure 3.2.4 Flame intensity by gas type, 1atm
결과를 보면 질소를 사용한 경우가 헬륨을 사용한 경우보다 약간 높고, 이산화탄 소를 사용한 경우 화염의 온도가 가장 낮음을 알 수 있다. 단일 화염일 경우 헬륨을 사용한 경우 헬륨이 비열이 다른 두 기체에 비해 낮기 때문에 화염의 온도가 가장 높 으나, 혼합기체의 경우 헬륨의 열전도계수가 높기 때문에 화염주위의 기체와의 대류로 인한 열교환량이 높아 질소보다 화염의 온도가 낮기 때문으로 이해 할 수 있다.
화염의 온도가 헬륨을 사용한 경우가 질소보다도 낮음에도 화염의 전파속도가 낮 은 이유는 식(3.5)에서 화염의 온도 외에 다른 인자가 영향을 끼쳤음을 생각 할 수 있 는데, 헬륨의 경우 기체의 열전도계수가 Figure 3.2.5을 보면 알 수 있듯, 다른 두 기체 에비해 약 7배 이상 높은 것을 알수 있는데, 높은 열전도계수로 인해, 헬륨을 사용했을 경우 화염에서 고체가연물로의 열전도 되는 열량이 높아 화염의 전파속도가 빨라 졌다 는 것을 판단 할 수 있다.
Figure 3.2.5 Thermal conductivity function of temperature, at 1atm
Figure 3.2.2(a)~(f)를 보면 확인할 수 있듯 압력에 동일한 대기 조성일 경우라도 압 력에 따라 화염의 전파속도가 달라지는 것을 확인 할 수 있다. Figure 3.2.2 각 그림의 화염전파율(기울기)을 각각의 대기 조성 및 압력에 따라 분리를 하게 되면, Figure 3.2.6(a)~(f)와 같이 나타낼 수 있다.
(a) Flame spread rate as a function of pressure on 30% in 70%
(b) Flame spread rate as a function of pressure on 30% in 70%
(c) Flame spread rate as a function of pressure on 30% in He 70%
(d) Flame spread rate as a function of pressure on 40% in 60%
(e) Flame spread rate as a function of pressure on 40% in 60%
(f) Flame spread rate as a function of pressure on 40% in He 60%
Figure 3.2.6 Flame spread rate as a function of pressure
각 조건에 따른 화염의 전파율은 다음과 같은 관계를 갖는다.
≃ - 30% in 70%
≃ - 40% in 60%
≃ - 30% in He 60%
≃ - 40% in He 60%
≃ - 30% in 70%
≃ - 40% in 60%
결과를 살펴보면 알 수 있듯, 대기 조성에 관계 없이 압력이 낮아질 경우 화염의 전파율이 높아지는 것을 알 수 있다. 주어진 조건에서 기체의 정압비열 및 열전도도는 Table 3.2.1, Table 3.2.2에 나타낸 바와 같이 압력에 따른 변화가 거의 없었음을 알 수 있다.
Pressure[atm] Nitrogen Carbon
dioxide Helium 0 0.025704 0.016598 0.15523 0.2 0.02571 0.016607 0.15525 0.4 0.025716 0.016616 0.15526 0.6 0.025722 0.016625 0.15528 0.8 0.025728 0.016634 0.15529 1.0 0.025735 0.016643 0.15531 1.2 0.025741 0.016652 0.15532 1.4 0.025747 0.016661 0.15534 1.6 0.025754 0.016670 0.15536 1.8 0.025760 0.016679 0.15537 2.0 0.025767 0.016689 0.15539 Table 3.2.1 Thermal Conductivity(W/m*K) at 298.15K [18]
Pressure[atm] Nitrogen Carbon
dioxide Helium
0 29.125 37.141 20.786
0.2 29.135 37.201 20.786 0.4 29.144 37.262 20.786 0.6 29.153 37.323 20.786 0.8 29.163 37.384 20.786 1.0 29.172 37.446 20.785 1.2 29.181 37.508 20.785 1.4 29.190 37.570 20.785 1.6 29.200 37.632 20.785 1.8 29.209 37.695 20.785 2.0 29.218 37.758 20.785 Table 3.2.2 Specific heat at constant pressure[J/mol*K] at 298.15K [18]
하지만 압력의 감소는 기체밀도의 변화로 Grashof number 변화를 줄 수 있는데, 이 는 식(3.3)을 보면 알 수 있듯 대류 계수를 감소시킬 수 있다. Figure 3.2.4는 압력에 따 른 각 기체의 밀도를 나타낸 그림이다. 압력에 따라 기체의 밀도가 감소하는 경우 대 류 계수가 감소하게 되고 이는 화염에서 고체가연물로 전달되는 열전도량을 증가시켜 화염의 전파속도가 빨라진 것으로 판단할 수 있다.
Figure 3.2.7 Gas density as function of pressure
유인 가압모듈 내부의 대기 조성은 대부분 고산소 환경이다. 이에 산소의 농도 변화가 화염전파율에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 산소농도가 각각 30%, 40%일 경 우 화염전파율에 대한 실험을 수행하였다. Figure 3.2.5(a)~(c)는 각각 헬륨, 산소-질소, 산소-이산화탄소의 대기 조성을 하되 산소농도에 따른 화염전파율을 나타낸 그 림이다.
(a) Flame spread rate as a function of pressure on in
(b) Flame spread rate as a function of pressure on in He
(c) Flame spread rate as a function of pressure on in
Figure 3.2.8 Flame spread rate by Concentration
Figure 3.2.5(a)~(c)를 보면 알 수 있듯, 혼합기체의 종류 및 압력에 관계없이 산소 농도가 높을수록 화염전파율이 높은 것을 알 수 있다. 3.3.3절에서 언급하였듯, 주어진 압력 변화에서는 각 기체의 열전도도 및 정압비열의 변화가 거의 없었으므로, 화염의 온도를 밝기정보로 분석해보면 Figure 3.2.6과 같이 산소농도가 높아짐에 따라 화염의 온도가 상승하였음을 알 수 있다. 이는 산소농도가 높아짐에 따라 산화 반응이 촉진되 어 화염의 온도가 상승한 것으로, 산소농도가 높아지면 화염전파율이 빨라지는 것은 화염의 온도가 상승하였기 때문으로 판단 할 수 있다.
Figure 3.2.9 Flame intensity on concentration