A Schlieren-photographic Visualization of the Methane/Air Premixed Flame Propagating inside a Rectangular Tube Locally-perturbed by an Ultrasonic Standing Wave

Research Paper DOI: http://dx.doi.org/10.6108/KSPE.2014.18.4.043

국소적 정상초음파장에 의해 교란되어 사각튜브형 연소실 내에서 전파하는 메탄/공기 예혼합화염의

슐리렌기법에 의한 가시화

김민성

․ 김정수

․ 황용연

A Schlieren-photographic Visualization of the Methane/Air Premixed Flame Propagating inside a Rectangular Tube

Locally-perturbed by an Ultrasonic Standing Wave

Min Sung Kim

․ Jeong Soo Kim

․ Yeong Yeun Hwang

a

Department of Mechanical Engineering, Graduate School, Pukyong National University, Korea

b

Department of Mechanical Engineering, Pukyong National University, Korea

c

Department of Control and Instrumentation Engineering, Pukyong National University, Korea

*

Corresponding author. E-mail: [email protected]

ABSTRACT

This experimental study has been conducted to scrutinize the effects of an ultrasonic standing wave (USW) on the propagating velocity and structure of methane/air premixed flame. Propagating flame was caught by high-speed Schlieren photography, and the variation of flame-behavior was analyzed in detail. It is revealed that horizontal splitting in burnt zone is resulted by the USW, and the flame propagation velocity is augmented due to the strengthened chemical reaction. Evolutionary feature of the flame perturbed by USW, maintaining a pseudo-symmetry of top and bottom flame-front about the propagation axis tends to be free from buoyancy effect.

초 록

국소적 정상초음파장의 교란이 관내 메탄/공기 예혼합화염의 전파속도 및 화염구조에 미치는 영향을 규명하기 위한 실험적 연구를 수행하였다. 슐리렌가시화기법을 이용하여 정상초음파 유무에 따른 화염 선단 발달과정의 변이를 상세히 관찰하였다. 정상초음파가 개재할 때, 기연부에서 가로방향의 줄무늬가 생성되었고, 연소반응의 촉진으로 화염의 속도는 증가하였으며, 화염의 발달과정이 부력의 영향으로부 터 자유로워져 화염선단의 상하 대칭성을 유지하려는 경향을 보인다.

Key Words: Methane/Air(메탄/공기), Ultrasonic Standing Wave(정상초음파), Premixed Flame(예혼 합화염), Rectangular Tube(사각튜브형 연소실), Schlieren Method(슐리렌 기법)

Received 8 June 2014 / Revised 5 July 2014 / Accepted 11 July 2014 Copyright Ⓒ The Korean Society of Propulsion Engineers pISSN 1226-6027 / eISSN 2288-4548

1. 서 론

1883년 Mallard와 Le Chatelier에 의해 관내

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예혼합화염이 처음 소개된 이후 많은 연구자들 에 의해 관련 연구가 진행되어 왔다[1]. 이러한 예혼합화염은 연소반응의 발열로 인한 열-팽창, 부력, 열-확산 등의 효과를 동반하며, 이들은 많 은 연소불안정성 중 하나인 내재적 불안정성 (intrinsic instability)의 원인이 된다[2,3]. 관내 예 혼합화염에서 내재적 불안정성의 전형적인 형상 으로 알려져 있는 튤립화염은 Ellis와 De[4]에 의 해 최초로 관찰되었으며, Salamandra 등[5]에 의 해 튤립화염으로 불리기 시작했다. 이 화염은 연 소챔버의 종횡비(aspect ratio)가 2 이상일 때 반 구형태의 화염선단이 역으로 뒤집히는 현상을 말하며, 종횡비가 20 이상이 되면 반구화염과 튤 립화염이 반복하여 나타난다고 알려져 있다[6].

또, Clanet과 Searby[7]는 개방된 관내 예혼합화 염의 전파과정을 네(4) 단계로 나눌 수 있다고 주장하였으며, Kaltayev 등[8]은 전산모사해석을 통해 메탄/공기 예혼합화염의 수력학적 구조 (hydrodynamic structure) 변화를 챔버 길이별로 제시하였다. Dunn-Rankin과 Sawyer[1]는 관내 예혼합화염에서 챔버길이, 당량비, 점화방법, 챔 버 끝단의 형상변화에 따라 화염이미지를 획득 하여 거동특성을 분석하였다. 최근에는 Xiao 등 [9]이 수소-공기 예혼합화염의 전파과정 중에 화 염선단이 역전되어 나타나는 cusp에 부차적 굴 절(secondary inflection)이 발생한다는 사실을 보 고한 바 있다. 이와 같이 예혼합화염과 관련된 실험적, 해석적, 이론적 연구는 오랜 기간 진행 되어 왔지만, 현재까지도 예혼합화염에서 발생하 는 연소불안정성의 근원에 대해 명확한 결론을 내리지 못하고 있는 실정이다[10].

한편 인위적으로 압력파를 조절함으로써 연소 반응을 촉진시키고, 연소불안정성 해결에 기여할 수 있다는 사실이 보고됨에 따라[11,12], 본 연구 팀은 자동차, 항공기, 그리고 액체로켓엔진 등과 같은 연소 및 추진 시스템에서 발생하는 연소불 안정성의 능동제어를 궁극적 목표로 하여, 정상 초음파장(Ultrasonic Standing Wave, USW)의 교 반에 의한 관내 예혼합화염 연소장의 구조 및 거동 변화를 관찰한 바 있다. 그 결과, 정상초음 파에 의한 화염선단의 찌그러짐과 기연부에서의

줄무늬를 발견하였으며, 화염전파속도가 증가한 다는 사실을 확인하였다[13-16].

본 연구에서는 선행연구에 더하여, 정상초음파 부가 영역에서 메탄/공기 예혼합화염의 구조변 화 및 동역학적 거동을 슐리렌 기법을 이용하여 면밀히 관찰하고자 한다.

2. 실험 장치 및 방법

정상초음파가 개재하는 메탄/공기 예혼합화염 의 전파거동 및 화염구조 가시화를 위한 실험장 치의 개략도가 Fig. 1에 도시된다. 실험장치는 연소챔버(combustion chamber), 슐리렌 장치 (Schlieren apparatus), 그리고 DACS(Data Acquisition & Control System) 등으로 구성된 다. 챔버는 가시화를 위해 PMMA(Polymethyl Methacrylate)를 사용하여 폭 0.15 m, 높이 0.06 m, 길이 1.00 m의 크기로 제작되었으며, 챔버 재질의 가압 한계로 인해 연소챔버의 후부 상단 에 약 2.5 bar에서 작동하는 기계적 개방시스템 (discharge vent)을 설치하였다. 질량유량제어기 (Mass Flow Controller, MFC)와 고정식 연속혼 합기(static mixer)로 구성된 가스혼합장치(gas mixing device)를 이용하여 연료 및 산화제의 예 혼합 실험조건이 조성되었다. 정압센서(static pressure sensor) 및 동압센서(dynamic pressure sensor)를 이용하여 챔버 내부의 압력변이를 관

Fig. 1 Schematic of experimental setup.

Parameter Value Equivalence Ratio, Φ _{0.8, 1.0} USW

Frequency, ｆ 0, 30 kHz

HSC

Frame Rate 25000, 30000 fps HSC Exposure Time 2 μs

Observation Section 0.27 ~ 0.43 m

*Ultrasonic Standing Wave **High Speed Camera

Table 1. Experimental condition.

찰하였으며, 챔버의 길이방향 0.30 m 지점에 PZT(lead zirconate titanate, Pb(Zr, Ti)O

) 진동 자(ultrasonic transducer)를 설치하여 국소적 정 상초음파장을 생성하였다.

슐리렌장치는 할로겐램프, 빛을 집중시키기 위 한 볼록렌즈, 핀홀(pin hole), 한 쌍의 구형 오목 거울, 나이프에지(knife edge) 등으로 구성되며, 고속카메라를 이용하여 화염선단부의 구조와 전 파 이미지를 획득하였다.

DACS는 함수발생기(function generator), 증폭 기(power amplifier), PAC (Programmable Automation Controllers), 그리고 PC로 구성된 다. 함수발생기와 증폭기를 사용하여 초음파진동 자를 구동하였으며, PAC를 이용하여 획득한 데 이터와 이미지를 동기화하고, 이를 PC에 저장하 였다. 주요 실험조건들은 Table 1에 정리되어 있 다.

3. 실험 결과 및 고찰

당량비(equivalence ratio, Φ )가 1.0인 메탄/공 기 예혼합물에서 전파하는 화염선단의 형상을 2 ms 간격으로 중첩시킨 후처리 이미지와 화염 위 치에 따른 전파속도를 Fig. 2 에 도시한다. 관내 를 지나는 예혼합화염은 반구, 평면, 튤립형상으 로 변하면서 전파하는 것이 관찰된다. 촬영구간 내에서 화염의 전파과정은 크게 세(3) 단계로 나 뉠 수 있다. Stage (Ⅰ)은 반구형태의 화염이 유 지되는 구간으로, 화염은 상대적으로 빠른 속도 로 전파한다. Stage (Ⅱ)는 화염선단이 반구화염 에서 평면화염을 지나 튤립형상으로 천이하는

Fig. 2 (a) Superposition of the propagating flame- front (time interval: 2 ms), (b) Variation of the flame velocity ( Φ _{= 1.0).}

Fig. 3 Effects of equivalence ratio on the flame-front propagation (time interval: 3 ms).

단계로, 화염속도가 현격히 감소하게 된다.

Stage (Ⅲ)는 화염이 완전한 튤립형상으로 변이

하여 전파하는 단계로, 약간의 속도증가를 동반

하게 된다. 그와 같은 속도증가는, 부력

(buoyancy)의 영향으로 챔버 상단부의 화염전파

가 하단부의 그것보다 빨라짐으로써 발생하는

화염선단 상하부 대칭성의 파괴에 기인한다. 부

언하자면, 부력은 화염선단 만곡의 중심점(cusp

of tulip flame or center of flame-front flexion)

을 화염의 전파와 함께 아래쪽으로 이동시키며,

Fig. 4 Flame velocity according to the variation of equivalence ratio.

상대적으로 빠른 상단부의 화염전파속도가 구간 속도를 지배하게 되는 원인으로 작용한다.

Fig. 3은 화염전파거동에 대한 당량비의 영향 을 도시한다. 이론당량비( Φ = 1.0)에서의 화염속 도가 당량비 0.8일 때보다 빠르다는 사실을 화염 선단의 간격으로부터 추측할 수 있다. 또 Φ ₌ 0.8인 경우, 부력으로 인해 야기되는 비대칭 화 염선단의 발현이 이론당량비의 그것보다 앞당겨 지고, 심화된다는 사실도 관찰된다. 이는 연료희 박(fuel-lean) 조건에서 화학반응의 강도가 저하 됨에 따라 화염의 전파속도는 줄어들고, 화염선 단구조에 대한 부력의 상대적인 영향은 증대되 기 때문이다[15]. 유사하게, 화염선단형상과 화염 강도의 상관관계에 대한 연구에서, 서항석 등 [14]은 전파속도가 느린 연소하한계(Lower Flammability Limit, LFL)에서는 부력의 효과가 일찍 발현하게 되어 튤립화염으로의 천이조차 발생하지 않는다는 사실을 이미 확인한 바 있다.

Fig. 4는 두 가지 당량비 조건에서 화염속도의 변이를 비교하고 있다. 당량비가 1.0일 때, 반구 화염의 지속거리는 당량비 0.8의 그것보다 길어 화염의 천이영역은 관측구간의 시작점으로부터 상대적으로 먼 곳에 위치한다. 전술한 바와 같이 연료희박조건에서의 화염전파속도(최대 약 4.5 m/s)는 이론당량비의 그것(최대 약 7 m/s)보다 현저히 낮고, 희박조건의 경우 천이구간이 x = 0.29 m 근처까지 앞당겨진다는 사실도 관찰된다.

Fig. 5 Effects of ultrasonic standing wave on the evolution of flame front (time interval: 3 ms).

Fig. 5는 당량비 1.0에서 정상초음파의 유무에 따른 화염선단을 3 ms 간격으로 중첩시킨 후처 리 이미지이다. 화염구조가 변하는 위치에는 차 이가 있으나, 초음파의 유무와 관계없이 관측구 간 내에서 반구, 평면, 튤립화염으로 형상변화가 일어나는 것이 확인된다. 선행연구에 의하면 정 상초음파가 개재된 상태에서 화염이 전파할 경 우 화염선단의 찌그러짐이 확연하게 관찰된 바 있으나[15], 본 실험조건에서는 화염의 찌그러짐 이 감지되지 않는다. 또한, 관내에 30 kHz의 정 상초음파를 부가할 때, 튤립화염으로의 천이위치 는 초음파교란이 없는 경우에 비해 후류로 지연 되고 화염선단의 상하 대칭성도 양호하게 유지 되며 후류까지 전파한다. 이는 초음파의 간섭이 연소반응을 촉진시켜 화염의 전파속도를 빠르게 함으로써 화염의 발달과정이 부력의 영향으로부 터 자유로워졌기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 6은 당량비 1.0에서 초음파유무에 따라

슐리렌기법으로 획득한 화염형상의 이미지를 5

ms 간격으로 나열한 것이다. 정상초음파가 개재

할 때, 정상초음파가 개재할 때, 화염의 생성물

영역에서 가로방향의 미세한 줄무늬가 관찰되고

있다. 그 와 같은 줄무늬 패턴과 화염선단이 찌

그러지는 위치는 정상초음파의 주파수와 음압에

종속하는 것으로 알려져 있다[14]. 즉, 화염선단

과 기연부(burnt side) 갈라짐의 세로방향 위치

는 정상초음파가 유발하는 압력장의 배(또는 파

복, anti-node)와 부합하게 되는데, 파복으로부터

Fig. 6 High-speed Schlieren images for the methane/air premixed flame ( Φ = 1.0) without USW and those with USW of 30 kHz.

인접한 마디(nodes)방향으로 발생하는 음향방사 력(acoustic radiation)으로 인해 화염선단은 파복 에서 갈라지기 시작하고 기연부의 밀도가 층상 화(density stratification)되는 결과를 낳는다[15].

그와 같은 압력파에 의한 밀도구배는 가진영역 과 그 주변에서만 나타나기 때문에, 화염이 음파 가진 영역에서 멀어지면 줄무늬가 소멸되는 현 상도 관찰되고 있다. 또한, 그림에서는 초음파의 영향을 받는 경우에 초음파가 개재하지 않는 경 우보다 화염의 전파속도가 빨라 튤립화염으로의

천이가 지연되고 평면화염을 지난 이후에도 선 단의 상하 대칭성이 양호하다는 사실 등이 명확 히 확인된다.

전파하는 화염의 위치에 따른 속도변이를 Fig.

7에 도시한다. 전술한 바와 같이 정상 초음파의

교란환경에서, 평면화염이나 튤립화염으로의 선

단형상의 천이는, 정상초음파가 개재하지 않는

경우보다 지연된다는 사실을 재차 관찰할 수 있

는데, 정상초음파의 가진이 화염의 국소적 최대

속도에 미치는 영향은 미미하다는 사실도 발견

Fig. 7 Effects of ultrasonic standing wave on the flame velocity along with propagation.

된다.

정상초음파의 경우 주파수변이에 의해 압력파 파복의 위치조절이 가능하다는 측면에서, 이상과 같은 관찰은 ‘예혼합화염의 구조와 거동에 대한 정상초음파에 의한 능동적 제어의 가능성’을 시 사하고 있다.

4. 결 론

정상초음파의 간섭에 의한 메탄/공기 예혼합 화염의 구조 및 거동 변이를 슐리렌 기법을 이 용해 관찰하는 실험적 연구가 수행되었으며, 획 득한 화염선단의 이미지 분석을 통해 다음과 같 은 결론을 얻었다.

관내 메탄/공기 예혼합화염은 반구/평면/튤립 형태의 화염형상을 보이며 전파한다. 전파가 진 행될수록 부력의 영향으로 챔버 상단부의 전파 속도가 하단부의 그것보다 빨라 화염선단 상하 부 대칭성의 파괴가 나타나며, 연료희박 조건에 서 더욱 명확하게 관찰된다.

정상초음파장의 교반에 의해 화염선단 및 생 성물 영역에서 구조적 변화가 나타나는데, 기연 부에서 초음파장의 압력구배에 의해 가로방향의 줄무늬가 관찰되었다. 정상초음파장이라는 추가 적인 에너지 공급으로 예혼합물의 연소반응이 촉진되고 전파속도가 증대됨으로써 화염의 발달

과정이 부력의 영향으로부터 상대적으로 자유로 워진다.

이상과 같이, 정상초음파의 개재가 메탄/공기 예혼합화염의 전파거동에 있어 전파속도의 증가 와 화염구조의 변화 등을 유발한다는 점에서, 연 소불안정의 능동적 제어에 대한 정상초음파 이 용의 가능성을 발견할 수 있었다.

후 기

이 논문은 부경대학교 자율창의학술연구비 (2013)에 의하여 연구되었음.

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