<학술논문> DOI:10.3795/KSME-B.2009.33.7.552
분기관을 가진 연소 챔버 내 압력변동 특성에 관한 실험적 연구
박장희* · 이대근** · 신현동†
(2009 년 2 월 26 일 접수, 2009 년 4 월 1 일 수정, 2009 년 4 월 6 일 심사완료)
Experimental Study on the Characteristics of Pressure Fluctuation in the Combustion Chamber with Branch Tube
Jang Hee Park, Dae Keun Lee and Hyun Dong Shin
Key Words : Thermo-Acoustic Instability(열-음향 불안정성), Pressure Fluctuation(압력 변동), Heat Release Fluctuation(열발생 변동), Branch Tube (분기관)
Abstract
An experimental study using the combustor with branch tube was conducted in order to model the industry combustor with FGR (flue gas recirculation) system and to study a thermo-acoustic instability generated by a branch tube. The branch tube is a structure used to modify a system geometry and then to change its pressure field, and the thermo-acoustic instability, usually occurs in a confined geometry, can result in serious problems on industrial combustors. Thus understanding of the instability created by modifying geometry of combustor is necessary to design and operate combustor with FGR system. Pressure fluctuation in the combustion chamber was observed according to diameter and length of branch and it was compared with the solution of 1-D wave equation. It was found that branch tube affects the pressure field in the combustion chamber, and the pressure fluctuation in the combustion chamber was reduced to almost zero when phase difference between an incipient wave in the combustion chamber and a reflected wave in the branch tube is π at the branch point. Also, the reduction of pressure fluctuation is irrespective of the installed height of branch tube if it is below h =0.9 in the close-open tube and open-open tube.*
기호설명
chamber
L : 연소 챔버 길이
branch tube
L : 직관형 분기관 길이 L * : 무차원 분기관의 길이 h* : 무차원 압력 센서 측정 높이
p* : 분기관 유무에 따른 압력 변동비
1. 서 론
최근 연소 시스템은 환경 문제에 대한 방안으로
배가스 재순환 연소 시스템을 채택하고 있다.(1~3) 배가스 재순환 연소 시스템은 연소 챔버에 분기관 의 형태로 재순환 시스템을 부착함으로써 이루어 지고 있다. 분기관은 주 시스템에서 보조적 역할 을 위한 것으로, 물질의 이동 및 압력파의 이동에 사용되는 설치물이다. 분기관은 음향학적 관점에 서 매우 중요한 역할을 하며, 주 시스템에서의 소 음 저감 및 압력 변동 저감 등에 많이 쓰이고 있 다. Lee(4)는 소형 굴삭기에 사용되는 사판식 피스 톤 펌프로 인한 맥동을 다양한 사이드 분기관을 이용하여 맥동을 줄이거나 증가하게 할 수 있음을 관찰하였다. 또한, 로켓 추진 기관이나 자동차 엔 진 배기부의 소음을 저감하기 위한 Herschel- Quincke 관은 배기관의 측면에 장착하는 분기관으 로써 배기부에서 발생하는 특정 주파수의 소음을 줄이는 역할을 하기도 한다.(5,6) 이로부터 분기관은 주 시스템에서 음압 변동과 같은 압력 변동이 있
† 책임저자, 회원, 한국과학기술원 기계공학과 E-mail : [email protected]
TEL : (042)350-8821 FAX : (042)350-8820
* 회원, 한국과학기술원 대학원 기계공학과
** 회원, 한국에너지기술연구원
을 경우 매우 중요한 역할을 함을 알 수 있고, 특 히 연소실 내의 음향학적 압력분포와 연소반응에 의한 열 발생이 결합되어 나타나는 열-음향 불안 정성의 경우 화염 안정성에 커다란 영향을 미칠 것을 예상할 수 있다. 예를 들어 연소실에서 발생 하는 열-음향 불안정성은 큰 압력 변동으로 연소 기에 손상을 가할 뿐만 아니라 상당한 소음을 발 생시킨다. 지금까지 연소실 내에서의 열-음향 불 안정성에 관한 많은 연구가 이루어져 왔으며, Higgings 의 singing flame 이후로 여러 가지 실험적 연구가 있어 왔고, Putnam(7)은 열-음향 불안정성의 발생 여부를 판단할 수 있는 레일레이 지수(R.I. : Rayleigh Index)를 도입하였다.
( ) ( ) ( )
. .
. . , , ,
osc osc
i
V V i
R I p x t q x t dtdV L x t dtdV
t t
¢ ¢
=
ò ò
r × r ³ò ò å
r (1)여기서, V: control volume, tosc.: period of oscillation, t: time, p¢: pressure fluctuation,
q¢: heat release Fluctuation, Li: Loss of acoustic energy
식 (1)은 Rayleigh Criterion 또는 Rayleigh Integeral 이라 불리며, R.I.는 열발생 변동(heat release fluctuation)과 압력 변동 (pressure fluctuation)의 곱 을 시간과 공간에 따라 적분한 값으로 음향 에너 지(acoustic energy)를 나타낸다. 이론적으로 이러한 연소 불안정성을 제거하는 방법은 연소에 의해 야 기되는 음압과 열 방출의 위상을 어긋나게 하거나 압력 변동 및 열 발생 변동을 원천적으로 제거 하 는 것이다. 대표적인 연소 불안정성을 제어하는 방법에는 수동적 제어(passive control)(8)와 능동적 제어(active control)(9,10)가 있다. 이러한 연소 불안정 성을 제어 하는 방법은 열-음향 불안정성이 외부 의 섭동이나 연소기의 형상에 매우 민감한 점에서 착안한 것이다.
이에 본 연구에서는 배가스 재순환 시스템이 열 -음향 불안정성에 미치는 영향을 살펴보기 위한 기초 단계로써, 1 차원 평면파가 주를 이루는 종횡 비 (Aspect ratio) 19 이상인 매우 간단한 연소 챔버 를 제작하고, 재순환 시스템의 모델을 위해 연소 기에서 발생하는 압력파의 가이드 역할을 하는 분 기관을 설치하였다. 분기관의 길이 및 직경이 연 소 챔버 내 발생하는 압력 변동 특성에 미치는 영 향을 관찰하였으며, 이를 1 차원 파동방정식의 해 와 비교하였다. 또한, 헬름홀쯔 공진기를 사용할 경우 나타나는 압력 변동의 저감과 비교함으로써 분기관에 의한 압력 변동 저감 특성을 관찰하였다.
Fig. 1 Experimental set-up
2. 실험 장치 및 방법
2.1 실험 장치
Fig. 1 은 본 연구에서 사용한 연소기와 실험장치 의 개략도이다. 화염에 의한 열-음향 불안정성의 특성을 살펴보기 위해 예혼합 가스를 사용하였으 며, 연료는 액화석유가스(LPG), 산화제는 공기를 사용하였다. 연료 및 공기는 전체 유량 기준으로 오차범위가 1% 이내인 질량 유량계(MFC : Mass flow controller, Brooks 5850E)에 의해 각각 제어되었 다. 제 어 된 연 료 와 공 기 는 혼 합 챔 버 ( mi x i n g chamber)를 거쳐 예혼합기가 된 후, 연료 노즐로 보내어진다. 화염의 위치가 열-음향 불안정성에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 연소 챔버의 옆면 으로 도출관을 사용하여 혼합기를 노즐에 공급하 였다. 이는 혼합 챔버에서 노즐 사이의 길이를 고 정시킬 뿐만 아니라, 화염의 위치를 연소 챔버에 서 자유롭게 바꾸기 위함이다. 연소 챔버는 스테 인레스(STS) 관으로 이루어져 있고, 내경 48mm 인 관을 사용하였다. 연소 챔버는 길이 10cm 인 관을 진공 플랜지로 체결함으로써 자유롭게 길이 변경 이 가능하도록 하였다. 노즐은 내경 7mm 인 스테 인레스 관이며, 화염의 보염 역할 할 수 있는 덤 프형 노즐을 사용하였다. 분기관은 끝이 막혀 있 고, 길이 변경이 가능한 직관형 스테인레스 관으 로 되어 있다. 실험에 사용된 분기관의 직경은 0.6, 1.2, 1.9, 2.54cm 이다. 압력 변동의 계측은 10cm 간 격으로 연소 챔버 벽면에 도출관을 만들고 냉각자 켓(water jacket) 내부에 압력 센서(PCB 106B model) 을 설 치 하 여 압 력 변 동 을 측 정 하 였 다 . 압 력
Table 1 Experimental conditions
close-open tube open-open tube
length 90cm 110cm
equivalent ratio 1.1 1.1 mean velocity 1.6m/sec 1.7m/sec position of flame 1/2 1/4
센서는 1kPa 당 44mV 의 민감도를 가지고 있고, 주파 수 응답 성능면에서는 0.5Hz 이상 40kHz 이하의 동압 측정이 가능하다. 분기관으로 인한 연소 챔버 내 압 력 특성을 비교하기 위해 헬름홀쯔 공진기를 사용하 여 비교하였다. 본 연구에서 사용한 당량비는 1.1, 노 즐 출구 평균 유속은 각각 1.6m/sec 와 1.7m/sec 이다.
이는 노즐에 부착되어 있는 화염으로 인한 열-음향 불안정성이 잘 발생하는 조건이다. 화염 가시화를 위 해 내경 48mm 인 Quartz tube 를 사용하였다.
2.2 실험 방법
연소 챔버를 모사하기 위해 한쪽이 열린 관(close- open tube) 및 양쪽이 열린 관(open-open tube)을 사용 하였다. 한쪽이 열린 관은 입구는 막혀 있고 출구는 열려 있으며, 관의 길이가 관내에서 발생하는 압력 파의 1/4 파장(l/ 4)에 해당한다. 반면에 양쪽이 열 린 관은 입구와 출구가 모두 열려 있으며, 관의 길 이가 관내에서 발생하는 압력파의 반파장(l/ 2) 특
성을 지니는 관이다. 실험 조건은 Table. 1 과 같다.
한쪽이 열린 관은 90cm 의 관을 사용하였고, 화염을 관의1/2 지점에 위치시켰으며, 그리고 당량비 1.1 노 즐 평균 유속 1.6m/sec 를 사용하였다. 반면에 양쪽이 열린 관은 110cm 의 관을 사용하였고, 화염을 관의 1/4 지점에 위치시켰다. 분기관이 압력 변동에 미치 는 영향을 관찰하기 위해 분기관을 화염으로부터 축 방향으로 10cm 높이에 설치하였으며, 압력 변동이 가장 크게 계측되는 지점에 압력 센서를 장착하여 압력 변동을 계측하였다. 또한, 분기관의 설치 위치 를 연소 챔버의 축방향으로 변경할 경우 나타나는 압력 변동을 관찰하였다.
3. 실험 결과 및 고찰
3.1 층류 예혼합 분젠 화염의 안정화 맵
먼저 예혼합 분젠 화염의 안정화 특성을 살펴보 기 위해 연소 챔버 없이 당량비 및 노즐 출구 평 균 유속을 바꾸면서 안정화 맵을 작성하였다. 연소 챔버가 없을 경우 층류 예혼합 분젠 화염의 거동은
Fig. 2 Stability map of laminar Bunsen flame
부상되어 소염이 되는 날림 영역(blow-out region)과 노즐에 안정적으로 부착이 되는 안정 영역(stable region)으로 크게 2 가지 영역으로 나뉜다. Fig. 2 의 실 선 이상의 영역에서는 당량비 0.8 에서 1.5 까지 노즐 출구 평균 유속에 따라 노즐에 안정적으로 부착되는 것이 관찰되었다. 여기서, 평균 유속이 클수록 노즐 끝단에서 화염이 안정적으로 부착되는 당량비가 커 짐을 알 수 있다. 이는 예혼합 화염에서의 연소속도 가 고유치이기 때문에, 노즐 출구 평균 유속에서 화 염면에 수직인 속도 성분과 연소속도를 비교하여 크 고 작음에 따라 화염이 노즐에 안정적으로 부착되거 나 화염 날림이 발생되기 때문이다. 액화석유가스의 연소속도는 당량비 약 1.1 근처에서 가장 빠르며,(11) 노즐 출구 평균 유속이 커질수록 노즐에 부착되어 안정적으로 연소되기 위한 당량비가 점점 커짐을 알 수 있다. 하지만, 화염이 양쪽이 열린 관의 축방향으 로 1/ 4 지점에 위치할 때는 연소 챔버가 없을 경우 에 안정한 대부분의 영역이 점선으로 표시되는 불안 정 영역으로 바뀌는 것이 관찰되었으며, 약 120dB 의 소음이 계측되었다. 따라서, 본 연구에서 발생하는 화염 불안정성은 연소 챔버의 유무 및 연소 챔버의 길이에 매우 민감하게 반응하며, 음장의 결과물로 나 타나는 열-음향 불안정성으로 사료된다.
3.2 연소 챔버에 따른 정지파 및 공진주파수 Fig. 3 은 t=0 에서 압력 섭동이 발생할 때 시간 에 따른 연소 챔버 내 압력 변동의 전개를 나타낸 다. 열-음향 불안정성이 발생할 경우, 먼저 압력 변동의 진폭이 시간에 따라 커지는 선형 영역 (Linear zone)이 나타난다. 선형 영역은 음향 에너 원과 음향 에너지 손실의 차로 표현되는 음향 에 너 지 성장률이 양일 때, 압력 변동의 진폭은 지수적
Fig. 3 Behavior of pressure fluctuation on the thermo- acoustic instability
(exponential)으로 증가한다. 그러나, 화염이 부상되어 소염이 되거나 폭발적인 반응을 하지 않는다면 압력 변동은 더 이상 증가하지 않고, 비선형 효과가 지 배적인 압력 변동 한계 사이클 (limit-cycle)에 도달하 게 된다. 이러한 현상은 음향 에너지 손실이 커지거 나, 압력 변동과 열 발생 변동의 위상 변화 때문이 다. 즉, 선형 영역은 압력 섭동에 의해 발생된 압력 변동이 열 발생 변동과의 상호 작용에 의해 증가하 게 되는 반면에 한계 영역은 점성 소산 및 대류에 의한 음향 손실이 발생된 열 음향 에너지와 결합되 면서 일정한 압력변동을 유지하게 된다.(12) Fig. 4 는 한쪽이 열린 관 및 양쪽이 열린 관에서 열-음향 불 안정성이 발생할 경우, 정지파(Standing wave)의 모습 과 공진주파수를 나타낸다. 정지파는 기본 모드의 조화파 (fundamental harmonic wave)의 형태를 띄고 있 으며, 공진주파수는 각각 120Hz, 164Hz 가 계측되었 다. 하지만, 연소 챔버 내 온도 분포가 상온으로 일 정할 경우에 연소 챔버 길이에 따른 이론 공진주파 수는 95Hz, 155Hz 이며, 본 연구에서 계측한 공진 주 파수와 다소 차이가 난다. 이는 연소 챔버 내에서 화염에 의해 축 방향으로 온도분포가 존재하게 되고, 압력파의 주파수를 결정짓는 음속이 온도의 함수이 기 때문이다. 따라서 연소 챔버 내 매질을 공기로 가정을 하고, 공간에 대한 비열비가 일정하다고 가 정할 경우, 온도 분포를 고려한 이론 공진주파수를 살펴보면 아래의 식 (2)와 식 (3)으로 표현할 수 있다.
( )( ) 1/2
0 0
5.01
4 1
4 ( )
chamber chamber
L L
na n n
frequency
L dx T x dx
gRT x
-
= = = ´
´
ò ò (2)
( )( ) 1/2
0 0
10.02
2 2 1
( )
chamber Lchamber
na n n
frequency
L dx T x dx
gRT x
-
= = = ´
´
ò ò (3)
(a) Close-open tube
(b) Open-open tube
Fig. 4 Standing waves and resonance frequency in the combustion chamber
여기서 g 와 R 은 각각 공기의 비열비와 기체상 수를 나타내고, 1.4 와 0.287kJ kg K/ × 를 사용하 였다. 식(2)는 한쪽이 열린 관, 식 (3)은 양쪽이 열린 관에 해당된다. 본 연구에서는 연소 챔버 중앙부에서 화염을 제외한 축방향 높이별로 온도 분포를 열전대를 이용하여 계측하였다. 하지만, 연소 챔버 내 횡 방향으로 중앙부와 경계면에서 온도가 서로 다르기 때문에, 한쪽이 열린 관은 측정 온도의 약 80%, 양쪽이 열린 관은 측정 온 도의 약 40%를 임의로 대표 온도로 선정하여 식 (2) 와 식 (3)에 대입하였을 때 이론 공진주파수 와 측정 공진주파수가 근사적으로 잘 일치함을 관찰하였다. 따라서, 공진주파수의 정확한 예측을 위해서는 연소 챔버 내 반경방향 및 축방향으로 온도 계측이 이루어져야 함을 예측할 수 있다.
3.3 분기관에 의한 연소 챔버내 압력 변동 특성 Fig. 5 는 열-음향 불안정성이 발생할 경우 화염
(a) Close-open tube
(b) Open-open ube
Fig. 5 Characteristics of pressure fluctuation in the combustion chamber with respect to length of straight-type branch tube
위치로부터 연소 챔버의 출구 방향으로 10cm 위치에 분기관을 설치하고, 분기관의 길이에 따른 압력 변 동의 크기(peak to peak pressure fluctuation)를 나타낸다.
압력 변동을 계측하기 위해 한쪽이 열린 관은 입구 위치에, 양쪽이 열린 관은 중앙 위치에 압력 센서를 장착 하였다. 이는 전자의 경우 발생하는 압력파의 기본 조화파가 입구 위치에서, 후자의 경우 중앙 위 치에서 압력 변동이 가장 크기 때문이다. Fig. 5 에서 분기관의 길이는 무차원화하여 L *=
(
2´Lbranch tube)
/l 로 표현 하였으며, L *=0.5은 분기관 길이의 2 배가 발생된 압력파장의 반을 의미하며 위상의 관점에서 p 에 해당된다. 또한, L*=1.5는 위상의 관점에서 3p 를 의미한다. Fig. 5 (b)를 먼저 살펴보면, 양쪽이 열린 관에서 분기관 길이가 (L*) 0.5 또는 1.5 근처 에서 연소 챔버 내 압력 변동의 크기가 완전 상쇄 됨을 알 수 있다. 이것은 양쪽이 열린 관에서 발생 한 압력파와 분기관을 흐르는 압력파 사이에서 분기관 길이의 2 배의 위상차가 발생하게 되고, 이 위상 간섭에 의해 압력 변동의 크기가 감소되기 때문이다.
특히, 연소 챔버와 분기관에서의 압력파가 p의 위 상차를 갖게 되면 연소 챔버 내 압력 변동은 완전 상쇄되어 최대 감소 효과를 얻을 수 있다. 하지만, 한쪽이 열린 관에서의 압력 변동 크기를 나타내는 Fig. 5 (a)에서는 L *가 0.4 또는 1.2 에서 압력 변동 크기가 완전 상쇄되는 것을 알 수 있다. 이는 연소 챔버에서의 공진주파수가 상대적으로 크게 나타나기 때문이다. 즉, 분기관을 통해 이동하는 압력파의 공 진주파수를 상온으로 가정해서 구해보면 120Hz 가 얻어지며 이는 한쪽이 열린 관에서의 연소 챔버 내 발생하는 압력파의 공진주파수와 같은 값이다. 또한, 본 연구의 결과에서는 기록하지 않았지만, 분기관 직경이 0.6cm 이상인 경우에도 Fig. 5 와 같은 결과가 나오는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 본 연구에서 사용한 연소 챔버가 직경 4.6cm, 길이 90cm 이상의 종횡비가 매우 큰 관으로서 연소 챔버 직경 방향으 로 고차 모드의 진동이 나타나지 않기 때문이다. 일 반적인 연소 챔버에서 고차 모드의 발생여부는 연소 챔버의 직경에 대한 공진주파수를 고려함으로써 예 측할 수 있다. 본 연구에서는 연소 챔버의 직경이 4.6cm 이기 때문에 1,700Hz 이상의 압력 변동에서 고 차모드의 진동이 발생함을 예상할 수 있다. 따라서, 본 연구에서 발생하는 압력 변동의 공진주파수는 200Hz 미만이므로 길이 방향(longitudinal mode)으로 의 1 차원 평면파라 가정할 수 있다.
3.4 1 차원 파동 방정식
분기관에 의한 압력 변동 상쇄 기구를 간단한 1 차원 파동 방정식의 해를 이용해 살펴보면 다음과 같다. 일반적으로 연소 챔버 내에서 발생하는 압 력 변동은 파동방정식(식 (4))으로 표현할 수 있으 며, 그 일반해는 입사파와 반사파의 합으로 표현 되는 공간에 대한 함수로 표현할 수 있다 (식 (5)).
2 2
2 2 2
1 0
p p
x c t
¶ - ¶ =
¶ ¶ (4)
jkx jkx
pw =Ae- +Be (5)
여기서, c 는 음속을 나타내며, pw는 연소 챔버 내 공간에 대한 압력 변동을 나타낸다. 또한, j 는 j2= - 인 복소수를 나타내고, [1 k rad m 는 압/ ] 력 변동의 파수를 나타낸다. 따라서 Fig. 6 의 분기 점에서 연소 챔버 내에 발생한 압력파의 입사파와 분기관을 통한 반사파의 관계를 살펴보면 다음과 같다. 분기점에서 압력 변동이 완전 상쇄되기
Fig. 6 Combustion chamber and branch tube
위해서는 분기점에서 2 개의 압력파의 위상차가 p가 되어야 하며, 그 합이 0 이 되어야 함으로 식 (6)과 같이 표현 가능하다.
( )
( 2 ) 1 2 0
jk x L jkx jkx jk L
e- + +e- =e- +e- = (6)
( ) ( )
cos k×2L - jsin k×2L = - 1 (7)
( )
2 2 1 , 0, 1, 2 ...
k× L= n+ p n= (8)
따라서, 압력 변동의 완전상쇄를 위한 분기관의 길이 는 아래의 식 (9)와 식 (10)와 같이 나타낼 수 있으며, 연소 챔버 내의 압력 변동을 완전 상쇄 시킬 수 있는 분기관의 길이( )L * 가 0.5, 1.5, 2.5 …임을 알 수 있다.
이는 앞서 3.3 절의 Fig. 5 의 실험 결과와 잘 일치하는 바이다.
1 1 1
2 2 2
1 1
2 2
branch tube
L n n c
k f
n p
l
æ ö æ ö
=çè + ÷ø× = çè + ÷ø×
æ ö
= çè + ÷ø×
(9)
2 1
, 0,1, 2...
2
branch tube
L L n n
l
*= =æçè + ö÷ø =
(10)
3.5 헬름홀쯔 공진기와 분기관의 비교
Fig. 7 은 연소 챔버의 높이에 따라 분기관을 설 치 하였을 경우, 압력 변동의 감쇄 정도를 살펴보 기 위해 헬름홀쯔 공진기에 의한 압력변동 감쇄 와 비교한 그림이다. 본 실험에서 사용한 헬름홀 쯔 공진기는 한 쪽이 열린 관의 경우 목직경 0.2cm, 목길이 3cm, 그리고 체적이 19.5 cm3 인 공 진기를 사용하였고, 양 쪽이 열린 관의 경우 목직 경 0.2cm, 목길이 3cm, 그리고 체적이 11.3cm3인 공진기를 사용하였다. 공진기의 공진주파수는 각 각 약 125Hz 와 약 165Hz 이다. Fig. 7 (a)는 한쪽이 열린 관에서 화염이 연소 챔버의 1/2 위치에 있을 경우이며, Fig. 7 (b)는 양쪽이 열린 관에서 화염이
(a) Close-open tube
(b) Open-open tube
Fig. 7 Standing waves and resonance frequency in the combustion chamber
연소 챔버의 1/4 위치에 있을 경우이다. 그림의 x 축은 연소 챔버의 총 길이에 대한 분기관을 설치 한 높이의 비( )h* 를 나타내고, y 축은 분기관이 없을 경우의 압력 변동에 대한 분기관이 있을 경 우의 압력 변동 비( )p 를 나타낸다. 분기관의 길* 이( )L * 는 각각 0.4, 0.5 를 사용하였다. 먼저 한쪽 이 열린 관의 경우에서 h 가 0.15 에서 0.9, 양쪽* 이 열린 관의 경우에서는 h 가 약 0.3 에서 0.9 까* 지 완전 상쇄되는 것을 관찰할 수 있다. 양쪽이 열린 관의 경우h 가 0.1 에서 0.3 까지는 연소 챔* 버의 형상에 때문에 압력 변동 계측이 불가능 하 였다. 반면, 헬름홀쯔 공진기를 사용할 경우는 각 각 h 가 한쪽이 열린 관에서는 0.6, 양쪽이 열린 * 관에서는 0.7 이하에서 압력 변동의 완전 상쇄를 관찰 할 수 있다. 이는 분기관에 의한 압력 변동 과 헬름홀쯔 공진기의 압력 감쇄 기구가 다르기
때문이라 사료된다. 즉, 분기관은 분기점으로의 입 사파와 분기관을 통한 반사파의 위상차가 π 가 됨 으로써 압력 변동 감쇄가 나타나며, 헬름홀쯔 공 진기는 공진기의 연소실에서의 압력 섭동을 오리 피스 내부의 기체가 강성을 가진 헬름홀쯔 공진기 의 체적으로 대신 진동함으로써 벽면 마찰을 발생 시키고, 이에 따른 점성소산과 임피던스 부정합에 의해 반사로 감쇠 효과를 가져오기 때문이다.
4. 결 론
본 연구는 분기관을 가진 연소 챔버 내 발생하 는 압력 변동 특성에 관해 연구하였다.
(1) 양쪽이 열린 관에서는 화염이 연소 챔버의 중앙 하반부에 위치할 때, 한쪽이 열린 관에서는 연소 챔버의 중앙부에 화염이 위치할 때 압력 변동의 첫 번째 모드가 발생하였다. 또한, 열-음향 불안정성이 발생할 경우 관내 온도 분포를 고려했을 때 이론 공진주파수와 매우 유사하게 나타났다.
(2) 연소 챔버 내 압력 변동의 최대 감쇄 효과를 나타내는 분기관의 길이는 압력 변동의 주파수 및 압력파의 파장에 의해 지배된다. 즉, 양쪽이 열린 관에서는 압력 변동의 완전 상쇄는 L*가 0.5, 1.5, 한쪽이 열린 관에서는 0.4, 1.2 에서 나타났다. 이는 1 차원 파동 방정식의 해를 이용해 간단히 살펴 볼 수 있다.
(3) 분기관을 사용할 경우 연소 챔버 내의 압력변동은 연소 챔버의 축 방향으로의 위치에 따른 압력 변동의 최대 진폭에 상관이 없었으며, 관내 발생하는 압력파와 분기관을 통한 압력파의 위상차가 p 일 때 관내 압력 변동의 감쇄가 매우 크게 나타났다. 또한, 압력 변동 감쇄 정도는 헬름홀쯔 공진기 보다 우수하였다.
후 기
본 연구는 과학기술부의 21 세기 프론티어 연구개발사업인 이산화탄소 저감 및 처리 기술개발 사업단의 연구비 지원(CF3-101-1-0-1)으로 수행되었 습니다.
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