Frequency-Equivalence Ratio Correlation Analysis of Methane-Air Premixed Flame Influenced by Ultrasonic Standing Wave (I)

1. 서 론

Research Paper DOI: http://dx.doi.org/10.6108/KSPE.2015.19.4.037

정상초음파의 영향을 받는 메탄-공기 예혼합화염의 주파수-당량비 상관도 분석(Ⅰ)

김민성

․ 김정수

․ 구자예

․ 권오채

Frequency-Equivalence Ratio Correlation Analysis of Methane-Air Premixed Flame Influenced by Ultrasonic

Standing Wave (Ⅰ)

Min Sung Kim

․ Jeong Soo Kim

․ Jaye Koo

․ Oh Chae Kwon

a

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

b

Department of Mechanical Engineering, Pukyong National University, Korea

c

School of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University, Korea

d

School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University, Korea

*

Corresponding author. E-mail: [email protected]

ABSTRACT

An experimental study was performed for the analysis of frequency-equivalence ratio correlation in the methane-air premixed flame influenced by ultrasonic standing wave. Evolutionary features of the propagating flame were caught by high-speed camera, and the variation of flame-behavior including local velocities was investigated in detail using a post-processing analysis of the high-speed images. It was found that propagation-velocity augmentation of the methane-air premixed flame by the intervention of ultrasonic standing wave was made in leaner mixture, but the velocity diminished when the strength of chemical reaction was saturated around the slightly fuel-rich side of stoichiometry.

초 록

정상초음파의 영향을 받는 메탄-공기 예혼합화염의 주파수-당량비 상관도 분석을 위한 실험적 연구 가 수행되었다. 고속카메라를 이용하여 예혼합화염의 전파영상을 획득하였으며, 영상 후처리를 통해 화 염전파속도와 함께 화염의 전파거동을 면밀히 관찰하였다. 이론당량비 이하의 연료희박 당량비 구간에 서 정상초음파가 개재할 때, 연소반응 촉진으로 인해 화염전파속도는 증가하였으나 화학반응강도가 포 화상태에 이르는 당량비에서는 그 속도가 감소하였다.

Key Words: Methane-Air(메탄-공기), Ultrasonic Standing Wave(정상초음파), Premixed Flame(예혼 합화염), Flame Propagation(화염전파), Lower Flammability Limit(연소하한계)

Received 3 June 2015 / Revised 2 July 2015 / Accepted 7 July 2015 Copyright Ⓒ The Korean Society of Propulsion Engineers pISSN 1226-6027 / eISSN 2288-4548

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자동차 엔진, 항공기 및 액체로켓 엔진 등 각 종 연소시스템에서 빈번히 발생하는 연소불안정 성은 연소기 내부의 압력변동(pressure oscillation) 이 열-구조적 부하(thermal-structural loads)의 높은 증폭을 동반함으로써 나타나며, 궁극적으로 화염과 압력파의 상호작용으로 귀결될 수 있다.

이런 연소불안정성을 억제하기 위해 19세기 후 반부터 밀폐된 연소기 내의 예혼합화염 전파에 대한 관심이 높아졌으며, 1883년 Mallard와 Le Chatelier에 의해 관내 예혼합화염이 처음 소개 된 이후 많은 연구자들에 의해 관련 연구가 진 행되어 왔다[1]. 이러한 예혼합화염은 연소반응 의 발열로 인한 열팽창(thermal expansion), 부 력(buoyancy), 열확산(thermal diffusion) 등의 효과를 동반하며, 이들은 많은 연소불안정성 중 하나인 내재적 불안정성(intrinsic instability)의 원인이 된다고 알려져 있다[2,3]. 관내 예혼합화 염에서 내재적 불안정성의 전형적인 형상으로 알려져 있는 튤립화염은 Ellis와 De[4]에 의해 최 초로 관찰되었으며, Salamandra 등[5]에 의해 튤 립화염으로 불리기 시작했다. 이 화염은 연소챔 버의 종횡비(aspect ratio)가 2 이상일 때 반구형 태의 화염선단이 역으로 뒤집히는 현상을 말하 며, 종횡비가 20 이상이 되면 반구화염과 튤립화 염이 반복하여 나타난다고 알려져 있다[6]. 또, Clanet과 Searby[7]는 개방된 관내 예혼합화염의 전파과정을 네(4) 단계로 나눌 수 있다고 주장하 였으며, Kaltayev 등[8]은 전산모사해석을 통해

메탄-공기 예혼합화염의 수력학적 구조

(hydrodynamic structure) 변화를 챔버 길이별로 제시하였고, 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 전파 과정 중에 화염선단이 역전되어 나타나는 cusp에 부차적 굴절(secondary inflection)이 발생한다는 사실을 보고한 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 능동적 제어를 궁극적 목표로 하여, 정 상초음파장(Ultrasonic Standing Wave, USW)의 교반에 의한 관내 예혼합화염 연소장의 구조 및 거동 변화를 관찰한 바 있다. 그 결과, 정상초음 파에 의한 화염선단의 찌그러짐과 기연부에서의 밀도층상화 현상을 발견하였으며, 화염전파속도 가 증가한다는 사실을 확인하였다[13-18].

본 연구에서는 선행연구에 더하여, 메탄-공기 예혼합화염에 정상초음파가 개재할 때 발생하는 전파거동에 대한 당량비의 영향을 거시적으로 고찰하고자 한다.

2. 실험 장치 및 방법

정상초음파장이 메탄-공기 예혼합화염에 미치 는 영향을 관찰하기 위해 사용된 실험장치의 개 략도가 Fig. 1에 도시된다. 실험장치는 연소챔버 (combustion chamber), 고속카메라(high-speed camera), 그리고 DACS(Data Acquisition &

Control System) 등으로 구성된다.

Fig. 1 Schematic diagram of experimental setup.

연소챔버는 광학적 관찰이 가능한 PMMA (Polymethyl Methacrylate)를 사용하여 폭 0.15 m, 높이 0.06 m, 길이 1.00 m인 직사각형 형태 로 설계/제작하였다. 직사각형 형태의 연소챔버 는 빛의 왜곡을 감소시키는 역할을 하며, 구형의 챔버와 화염 전파특성이 질적으로 크게 다르지 않아[1], 본 실험목적에 적합하다고 판단하였다.

또, 챔버 재질의 가압 한계로 인해 연소챔버의 후부 상단에 약 2.5 bar에서 작동하는 기계적 개 방시스템(discharge vent)을 설치하여 안전을 확 보 하였고, 연소생성물의 자동배출이 가능하도록 하였다.

연료 및 산화제는 질량유량제어기(Mass Flow Controller, MFC)와 솔레노이드밸브(solenoid valve)를 이용하여 실험에 필요한 초기질량조건

Parameter Value

Equivalence Ratio, Φ 0.7 - 1.2 USW

Frequency, f 30 kHz

HSC

Frame Rate 500 & 1000 fps HSC Exposure Time 2 μs

Observation Section 0 - 1 m

*Ultrasonic Standing Wave **High Speed Camera

Table 1. Experimental condition.

을 조성하였으며, 그 혼합을 위해 고정식 연속혼 합기(static mixer)를 사용하였다. 챔버내부의 압 력섭동은 정압센서(static pressure sensor) 및 동 압센서(dynamic pressure sensor)를 함께 장착하 여 관찰하였으며, 챔버의 길이방향 0.30 m 지점 에 PZT(lead zirconate titanate, Pb(Zr, Ti)O

) 진 동자(ultrasonic transducer)를 설치하여 챔버 내 부에 국소적 정상초음파장을 생성하였다.

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. 또, 전파하는 화염영상은 PAC와 동기화된 고속카메라를 사용하여 획득하였으며, 주요 실험 조건들을 Table 1에 요약한다.

3. 실험 결과 및 고찰

Fig. 2와 3은 당량비 변화에 따른 메탄-공기 예혼합화염의 거시적 전파거동을 보인다. Fig. 2 는 다양한 당량비에서 예혼합화염의 선단형상을 4 ms 간격으로 중첩시킨 후처리 이미지이다.

Fig. 2 Superposition of evolutionary flame fronts at various equivalence ratios (time interval: 4 ms).

Clanet과 Searby[7]는 관내 예혼합화염의 전파를 크게 네 단계로 정의하였는데, 그 첫 번째는 점 화 직후 생성된 반구화염이 챔버벽면에 접할 때 까지이고, 두 번째는 반구형태의 화염이 벽면의 영향을 받으며 진행하는 단계이며, 세 번째는 평 면화염을 거쳐 튤립화염으로 전이하는 과정이다.

그리고 완전한 형태의 튤립화염만을 포함하는 단계가 네 번째 단계로서 그와 같은 일련의 과 정을 거쳐 전파하는 화염을 그림에서 개략적으 로 관찰할 수 있다. 그러나 메탄-공기 예혼합화 염의 연소하한계(lower flammability limit) 근처

Fig. 3 Flame velocity according to the variation of equivalence ratio.

인 당량비 0.7에서는 부력에 의해 야기되는 비대 칭 화염선단의 발현이 보다 앞당겨지고 심화되 어 튤립화염으로 천이되지 않는다. 이는 연료희 박(fuel-lean) 조건에서 화학반응의 강도가 저하 됨에 따라 화염의 전파속도는 줄어들고, 화염선 단구조에 대한 부력의 상대적인 영향은 증대되 기 때문이다[15]. 또한, 본 실험조건에서는 이론 당량비(Φ = 1.0) 조건에서보다 연료과농인 경우 (Φ = 1.1, 1.2)에 화염전파속도가 더 빠르다는 사 실도 화염선단의 간격을 통해 일별 확인할 수 있다.

Fig. 3은 다양한 당량비 조건에서 화염선단의 구간별 속도를 보인다. Fig. 2와 함께 각 위치에 서의 화염형상과 전파속도를 비교해보면, 초기점 화 직후부터 화염이 벽면에 도달하기 전까지 화 염의 속도는 지속적으로 증가하고 있음을 확인 할 수 있으며, 화염이 벽면의 영향을 받아 반구 화염으로 전파하기 시작하면서 화염의 속도는 일정하게 유지된다. 이후 화염 선단이 펼쳐지기 시작하고 평면화염을 거쳐 튤립화염으로 천이하 는 동안 화염속도는 지속적으로 감소하지만 완 전한 튤립화염으로 변이되면서 약간의 속도상승 을 동반한다. 또 화염전파 후반부에서는 연소챔 버의 개방으로 화염전파속도가 급격하게 증가하 는 구간도 확인된다. 그림에서 메탄-공기 예혼합

Fig. 4 Effects of ultrasonic on the evolution of methane-air premixed flame (time interval: 10 ms).

Fig. 5 Effects of ultrasonic standing wave on the variation of flame velocity and chamber pressure (a) Φ = 0.8, (b) Φ = 1.0, (c) Φ = 1.2.

화염의 최대 전파속도가 이론당량비(Φ = 1.0)가 아닌 약간의 연료과농비(Φ = 1.1) 근처에서 나타

난다는 사실은 일반적으로 주지하는 바와 같다 [13].

Fig. 4와 5는 챔버 내부에 정상초음파를 개재 시킬 때 나타나는 화염의 구조 및 거동 변이를 나타낸다. 앞선 그림과 같이 화염선단사이의 간 격을 통해 화염의 전파속도를 비교할 수 있으며, 이론당량비 이하의 연료희박 조건에서 초음파의 가진에 의해 화염속도가 상승하는 것이 확인되 나, 화학반응 강도가 최고조에 이르는 연료과농 당량비에서는 초음파교란의 영향으로 화염전파 속도가 오히려 감소하는 역효과가 발생한다는 사실이 관찰된다. 또한, 정상초음파 유무에 따라 전파하는 화염선단의 형상차이는 초음파 가진에 의한 화염강도 및 화염전파속도의 증가가 부력 에 의해 발생하는 화염의 치우침(상하 비대칭성) 을 압도하여 화염의 천이를 가속시키는데 기인 한다. 본 실험 조건에서는 반구형상으로 전파하 는 화염의 속도가 6 m/s 이상이 되면 부력의 효과가 눈에 띄게 상쇄되어 화염선단이 상하 대 칭성을 유지하면서 전파하였다.

Fig. 5는 챔버내부를 전파하는 화염의 전파속

도 및 압력변이를 시간의 함수로 나타낸 것으로,

기준이 되는 비가진의 경우와 f = 30 kHz로 가

진된 경우를 비교, 도시하고 있다. 챔버내부의

압력선도 관찰을 통해 화염의 형상변화를 유추

할 수 있는데, 초기에 생성된 반구화염은 화염이

벽면에 접하기 전에는 지속적인 반응대의 면적

증가로 인해 화염전파속도가 증가하지만, 챔버의

유한한 크기로 인해 반응대 면적증가가 제약되

면 그 속도는 한동안 일정하게 유지된다. 한편,

챔버 압력은 벽면의 간섭을 받기 전까지는 초기

압력을 유지하다가, 벽면 접촉 후에 상승하기 시

작하는 것으로 확인된다. 또, 반구화염에서 평면

화염으로 천이함에 따라 연소반응대의 표면적

감소와 함께 전파속도가 감소하게 되고, 완전한

평면화염이 되면 그 속도는 최소값이 되고, 튤립

화염으로 변화하면서 다시 회복된다. 이어 튤립

화염으로 완전히 변화 후에는 화염 전파속도가

서서히 감소한다. 이와 유사하게 압력의 경우,

반구화염에서 평면화염으로 천이하는 과정에서

압력증가율(dp/dt)이 감소하며, 평면화염에서 튤

Fig. 6 Effects of ultrasonic standing wave on the velocity (f = 30 kHz).

립화염으로 변화하는 과정에서는 압력증가율이 다시 상승한다. 이러한 화염형상에 따른 압력변 동은 기존 연구결과와 일치하는 것이기도 하다 [1,17]. 화염이 전파할 때 보이는 그래프의 경향 은 유사하나, 정상초음파 교란에 의해 몇 가지 차이가 발생하는데, 가장 큰 차이는 화염전파속 도이다. 당량비가 1.0 이하의 조건에서 정상초음 파가 있는 경우에 그것이 없는 경우보다 화염속 도가 증대된다는 사실을 재확인할 수 있으며, 압 력증가율 또한 화염전파속도와 같이 증가한다는 사실도 확인된다. 이는 전술한 바와 같이 정상초 음파가 메탄-공기 예혼합화염의 전파속도를 증대 시켜 평면화염 및 튤립화염으로의 천이를 가속 시키는 효과를 낸다는 결론을 가능하게 한다. 다 만, 반구화염의 전파속도가 최대 8 m/s에 다다 라 화학반응강도가 최고조에 이르는 연료과농 당량비(Φ = 1.1 ~ 1.2) 근처에서는 과농한 메탄 연료 혼합물이 만들어내는 생성물에 대한 초음 파 가진의 영향이 화염선단 하반부의 전파속도 를 상반부의 그것보다 빠르게 함으로써 궁극적 으로 평면화염, 혹은 튤립화염으로의 천이시간을 증대시키고 화염전파속도를 전반적으로 감소시 키는 결과를 낳는다.

Fig. 6은 초음파교란이 유발하는 화염속도에의 영향을 나타내는 그림으로서, 정상초음파가 개재 하지 않는 경우를 기준으로 계산된 각 구간별 속도 증감분을 도시하는 것이다. 일반적으로 정

상초음파의 개재는 챔버내부에 존재하는 예혼합 물의 활발한 혼합과 정상초음파라는 추가적인 에너지 공급으로 화염전파속도를 상승시킨다고 알려져 있으나[17], 당량비 1.1, 1.2에서와 같이 화학반응이 포화상태에 있을 때 초음파의 간섭 은 연소반응을 저해하는 역효과를 초래할 수 있 음을 확인할 수 있다.

이상과 같이, 정상초음파의 개재가 메탄-공기 예혼합화염의 전파거동에 있어 전파속도의 상승 과 감소 등의 변화를 유발한다는 점에서, 연소불 안정의 능동적 제어가능성에 대한 정상초음파의 유용성이 시사되고 있다.

4. 결 론

본 연구는 메탄-공기 예혼합화염에 정상초음파 가 개재할 때 발생하는 전파거동에 대한 당량비 의 영향을 거시적으로 고찰한 실험적 연구로 다 음과 같은 결과를 얻었다.

(1) 메탄-공기 예혼합화염은 반구화염, 평면화 염, 튤립화염의 형태로 전파되며, 화염의 전파속도가 느릴수록 부력의 상대적인 영 향이 커져 화염이 챔버 상단부로 치우치는 현상이 관찰되었다.

(2) 본 실험조건에서 연료희박 조건에서 정상 파에 의한 연소반응 증대효과를 확인할 수 있었으며, 이론당량비 구간에서도 그 효과 는 유효함을 보였다.

(3) Φ = 1.1 ~ 1.2 근처의 연료과농 조건에서 는 초음파 영향에 의한 화염거동의 변화가 미미한데, 이는 화학반응강도가 포화상태 에 이르러 정상초음파에 의한 반응강도의 증대효과가 상대적으로 감소하기 때문으로 연료-산화제 혼합물의 종류에 따라 연소반 응에 역효과를 줄 수도 있다.

이상에서와 같이 챔버내부에 정상초음파장이

개재하면 메탄-공기 예혼합물의 연료희박조건에

서 연소반응을 촉진시킨다는 점에서 연소하한계

당량비를 확장시키는 방법으로 연소효율 증대를

가져올 수 있을 것으로 예측된다.

후 기

본 논문은 서울대학교 차세대우주추진연구센 터와 연계된 미래창조과학부의 재원으로 한국 연구재단의 지원을 받아 수행한 선도연구센터지 원사업(NRF-2013R1A5A1073861)의 연구결과입니 다.

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