Effects of the Equivalence Ratio on Propagation Characteristics of CH₄-Air Premixed Flame Intervened by an Ultrasonic Standing Wave

硏究論文

DOI: http://dx.doi.org/10.6108/KSPE.2013.17.2.016

정상초음파가 개재하는 CH 4 -Air 예혼합화염의 전파특성에 대한 당량비의 영향

서항석* ․ 이상신* ․ 김정수**^†

Effects of the Equivalence Ratio on Propagation Characteristics of CH 4 -Air Premixed Flame Intervened by

an Ultrasonic Standing Wave

Hang Seok Seo* ․ Sang Shin Lee* ․ Jeong Soo Kim**^†

ABSTRACT

An experimental study has been conducted to investigate the effects of equivalence ratio on the propagation characteristics of CH4-air premixed flame intervened by an ultrasonic standing wave. A Schlieren photography was used for the flame structure visualization, and the flame propagation behavior was investigated in detail throughout the post-processing analysis. It is found that the structural variation of methane/air premixed flame caused by the intervention of ultrasonic standing wave give rise to the enhancement of combustion reaction and flame propagation velocity.

Effectiveness of the standing wave on the flame velocity decreases as the equivalence ratio increases.

Larger flame velocity with the standing wave becomes undistinguishable in a specific range of equivalence ratios.

초 록

정상초음파장이 개재하는 메탄/공기 예혼합화염의 전파특성에 대한 당량비의 영향을 실험적 연구결 과로 제시한다. 화염구조 가시화는 슐리렌 기법을 이용하였으며, 이미지 후처리를 통해 화염 전파 거동 을 면밀히 관찰하였다. 정상초음파에 의한 화염 구조 변화가 연소반응을 촉진시켜 화염 전파속도를 증 가시키는 것을 알 수 있었으며, 당량비가 증가할수록 정상초음파에 의한 화염전파속도의 증분은 감소 하게 되고, 속도변화가 미미한 당량비 구간이 존재한다는 사실을 확인할 수 있었다.

Key Words: Combustion Reaction(연소반응), Premixed Flame(예혼합화염), Ultrasonic Standing Wave(정상초음파), Flame Propagation(화염전파), Flame Structure(화염구조)

접수일 2013. 1. 31, 수정완료일 2013. 3. 13, 게재확정일 2013. 3. 20

* 학생회원, 부경대학교 대학원 에너지시스템공학과

** 종신회원, 부경대학교 기계공학과

†교신저자, E-mail: [email protected]

1. 서 론

Fig. 1 Schematic of experimental apparatus 1800년대 후반, 관내 예혼합화염이 처음으로

소개되면서 수많은 연구자들에 의해 관련연구가 진행되어 왔다[1]. 이러한 예혼합화염에는 연소 반응의 발열로 인한 열-팽창, 부력, 열-확산 등의 효과가 나타나며, 이들은 많은 연소불안정성 중 하나인 내재적 불안정성(intrinsic instability)의 원인이 된다[2, 3]. 이러한 내재적 불안정성과 관 련이 깊은 대표적인 예혼합화염 선단의 형태 중 하나인 튤립화염은 Ellis와 De[4]에 의해 처음으 로 관찰되었다. 튤립화염은 연소챔버의 종횡비가 2 이상이 될 때 반구형태의 화염선단이 역으로 뒤집히는 현상을 말하며, 종횡비가 20이상이 되 면 반구화염과 튤립화염이 반복적으로 나타난다 고 알려져 있다[5]. 또, Clanet과 Searby[6]는 개 방된 관에서 예혼합화염 형상변이가 경계조건과 관련이 없음을 관찰하였고, Dunn-Rankin과 Sawyer[7]는 실험적 연구를 통해 다양한 길이의 연소챔버와 당량비, 전파방향의 벽면 모양 변이 에 따른 여러가지 이미지를 도시하였다. 전산모 사 해석에 있어 Kaltayav 등[8]은 수력학적 구조 (hydrodynamic structure)의 변화를 챔버 길이 별로 관찰하였고, Gonzalez[9]는 전파하는 예혼 합화염과 반대방향으로 음파(acoustic wave)를 발산하여 연소불안정성의 억제를 시도하였다.

또, Bychkov 등[10]은 원형의 긴 연소챔버에서 반구화염의 가속과 튤립화염의 형태를 해석적으 로 기술하였다. 최근에는 Xiao 등[11]이 수소-공 기 예혼합화염에서 화염 전파 중에 2차 cusp 현 상을 발견했다는 사실도 보고되고 있다. 그러나 100년이 넘게 진행된 연구에도 불구하고 지금까 지도 예혼합화염과 연소불안정성의 관계에 대해 명확한 결론을 내리지 못하고 있는 실정이다.

한편 연소불안정성의 제거 및 능동적 제어를 목적으로, 인위적으로 압력파를 조절하여 연소반 응을 촉진시키고 연소불안정성 해결에 기여할 수 있다는 사실이 보고됨에 따라[12, 13], 본 연 구팀은 자동차 엔진, 항공기 및 액체로켓 엔진 등 연소 및 추진시스템의 연소불안정 능동적 제 어를 목표로 하여, 정상초음파장(ultrasonic standing wave field)의 교반에 의한 관내 예혼 합화염 연소장의 구조 및 거동 변화를 관찰한

바 있다[14-17]. 이를 통해 정상초음파장이 존재 할 때 화염의 전파속도가 증가한다는 것을 확인 하였고, 화염선단의 찌그러짐을 관찰할 수 있었 다.

본 연구에서는 선행연구에 더하여, 다양한 당 량비의 메탄/공기 예혼합화염에서 정상초음파가 연소반응에 미치는 영향을 알아보고자 한다.

2. 실험 장치 및 방법

메탄/공기 예혼합화염 연소반응에 정상초음파 장이 미치는 영향을 확인하기 위해 사용한 실험 장치의 개략도를 Fig. 1에 보인다. 실험장치는 크게 연소챔버, 슐리렌 시스템, 데이터 계측 및 제어장치(Data Aquisition & Control System, DACS)로 구성된다. 영상획득을 위한 슐리렌시스 템은 할로겐 램프, 한쌍의 구형 오목거울, 나이 프에지(kinfe edge)로 이루어지며, 이미지 획득은 고속카메라(High Speed Camera, HSC)를 이용 하였다. 고속카메라의 이미지 획득율(flame per second)은 25 kHz이며, 노출시간(exposure time) 은 2 μs로 설정하였다.

연소챔버는 Fig. 2와 같이 광학적 관찰이 가능 한 PMMA (Polymethyl Methacrylate)재질이며, 폭 15 cm, 높이 6 cm, 길이 100 cm인 직사각형 의 형태로 설계, 제작하였다. 직사각형 형태의 연소챔버는 빛의 왜곡이 발생하지 않도록 하는

f = 40 kHz

Φ

Φ

Φ

Fig. 4 Pressure diagram of the standing wave with 40 kHz and the corresponding distortion of flame fronts at the respective equivalence ratio [15]

(a) (b) (c)

Fig. 3 Schlieren images of the flame fronts: (a) without standing wave, (b) with standing wave, and (c) contrasted view of ‘(b)' [14]

Fig. 2 Premixed flame chamber

슐리렌 촬영법에서 중요한 역할을 하며, 구형챔 버와 화염 전파특성이 질적으로 크게 다르지 않 아, 본 실험에 적합하다고 판단하였다[7]. 또, 길 이방향 30 cm 지점에 정상초음파장 형성을 위한 40 kHz의 주파수와 148 dB의 음압(Sound Pressure Level, SPL)을 갖는 PZT(lead zirconate titanate, Pb(Zr, Ti)O3) 진동자(ultrasonic transducer)와 반사장치(reflector)를 설치하였으 며, 정상초음파장이 형성되는 진동자 전후를 슐 리렌 관측구간으로 설정하였다. 메탄/공기 당량 비는 질량유량제어기(Mass Flow Controller, MFC)를 이용하여 조절하였으며, 연료와 산화제 의 혼합을 위해 고정된 관을 통과하며 연속적인 혼합을 유도하는 고정식연속혼합기(static mixer) 를 사용하였다. 이후 스파크 점화장치를 이용하 여 발화가 이루어지며, 연소 후 급격한 압력증가 를 피하기 위해 연소챔버 후단의 상부에는 약 2.5 bar의 압력에서 작동하는 기계식 개방시스템 (discharge vent)을 설치하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

정상초음파장의 유무에 따라, 연소챔버 내에서 전파하는 methane-air 예혼합화염의 형상 변이를 Fig. 3에 보인다[14]. Fig. 3(a)는 정상초음파가 존 재하지 않는 경우로, 매끈한 반구화염이 관찰되 는 반면, 정상초음파의 교반이 있는 경우, Fig.

3(b)와 같이 화염선단이 찌그러지는 것을 확인할 수 있다. 그 명확한 관찰을 위해 후처리된 이미 지를 Fig. 3(c)에 다시 도시한다.

정상초음파장에 의한 화염구조 변화는 화염 선단의 찌그러짐 뿐만 아니라, 화염이 전파함에 따라 기연부(burned side)에 횡방향의 줄무늬 패 턴을 유발하는데, Fig. 4에서 그와 같은 사실을 확인할 수 있다. Fig. 4는 가로줄무늬 및 화염선 단의 찌그러지는 수직적 위치를 알아보기 위한 것으로, 40 kHz 주파수를 지닌 정상초음파장의 압력선도를 당량비 변화에 따른 화염이미지와 함께 도시한 것이다[15]. 화염선단이 갈라지는 세로방향의 위치는 압력선도에서 나타나는 파복

Φ

w/o USW

w/

USW

Fig. 5 Superposition of the evolutionary flame fronts at

Φ

Fig. 6 Effects of ultrasonic standing wave on the propagation of flame front according to the variation of equivalence ratio(

Φ

(anti-nodes)과 부합하고 있음을 그림에서 확인할 수 있다. 정상초음파가 형성되면 정상파의 압력 선도에서 나타나는 파복으로부터 인접한 마디 (nodes)방향으로 음향방사력(acoustic radiation force)이 발생한다. 이때, 미연부(unburned side) 의 경우, 정상파의 매질인 미연가스(reactant gas)가 정상상태에 가까우며(quasi-steady), 당량 비 변화에 따른 밀도변화 역시 미미하기 때문에 정상초음파의 주파수가 변하지 않는 한 초음파 의 특성(음속, 파장, 파복 혹은 마디의 위치)은 바뀌지 않는다. 따라서, 미연부와 인접한 화염선 단에서의 갈라짐은 초기조건에서 나타나는 초음 파의 압력선도와 관계하여 파복과 일치하는 것 이 확인되며, 당량비 변화에 의한 위치변화 역시 미미하다는 사실을 그림에서 관찰할 수 있다. 반 면, 화염이 전파함에 따라 온도 및 밀도 변화가 큰 기연부 매질(product gas)의 영향을 받는 정 상파는 일정한 주파수에도 불구하고 초음파의 특성이 변하게 된다. 따라서 화염선단에서 시작 된 가로줄무늬는 화염이 전파하면서 수직적 높 이가 계속적으로 변화한다. 그러나 가로줄무늬의 간격이 일정한 것으로 판단되며, 이는 정상파에 의한 화염구조 변화로 해석할 수 있다. 이와 같 이 화염선단과 생성물영역의 가로줄무늬의 갈라 짐을 유발하는 음향방사력은 화염을 파복에서 상하로 잡아당겨(flame stretch), 선단에서 화염면 적(flame surface area)을 증대시키고, 기연부에 서 밀도를 층상화(density stratification)시키는 결과를 낳는다.

Figure 5는 당량비

Φ

로, 다음의 네 가지 구간으로 나뉜다: (1) 점화직 후부터 화염이 챔버 벽면의 영향을 받기 전의 구간, (2) 화염이 벽에 닿아 반구화염으로 전파 하는 구간, (3) 화염선단이 반구화염에서 평면화 염을 지나 튤립화염으로 활발히 변화하는 구간, (4) 튤립 화염의 형태를 유지하며 진행되는 구간 이 그것이다. 본 실험에서는 화염전파 후반부에 연소챔버의 개방으로 인해 화염전파속도(flame propagation velocity)가 급격히 빨라지는 구간도 확인된다. 또, 화염이 좌측에서 우측으로 전파함 에 따라 챔버의 상단부로 치우치는 모습을 그림 에서 관찰할 수 있으며, 이는 부력에 의한 불안 정성에 기인하는 것으로 알려져 있다[17]. 정상 초음파장이 연소장에 개재하면서 화염선단의 전 파속도는 정상초음파가 없는 경우보다 빨라지는 것을 그림에서 관찰할 수 있다. 이와 같이 정상 초음파의 교반에 의해 신장된 화염선단(화염면적 의 증가)은 연소반응(combustion reaction)을 촉

50 ms 60 ms 70 ms 80 ms

Φ

w/o USW w/

USW

Φ

w/o USW w/

USW

Φ

w/o USW w/

USW

Φ

w/o USW w/

USW

Fig. 7 Effects of ultrasonic standing wave on the evolution of flame front at the given equivalence ratio

진시키고, 결과적으로 화염전파속도를 향상시킨 다. 뿐만 아니라, 정상초음파에 의한 활발한 혼 합(지속적인 혼합을 유도)과 추가적인 반응에너 지(정상초음파라는 자체에너지)의 공급 역시 화 염전파속도 증가의 원인이 된다.

정상초음파의 간섭과 당량비 변화(0.8 ≤

Φ

챔버가 개방되기 때문이다.

동일한 시간대에서 화염전파위치를 비교하면, 당량비 증가에 따라 화염은 보다 멀리 이동해 있지만 연료과농 당량비에서 일정한 값에 접근 하고 있음을 그림에서 관찰할 수 있다. 또, 정상 초음파에 의해 발생하는 전파속도의 변화는 진 동자가 위치한 x = 0.3 m 부근까지 차이가 미미 하며, 그 이후의 구간에서는 눈에 띄게 구별됨을 확인할 수 있다. 그러나 화염전파속도가 상대적 으로 빠른

Φ

전술한 바와 같이 대부분의 당량비에서 정상 파에 의해 가진된 화염선단이 그렇지 않은 경우 보다 앞서 전파하는 것을 Fig. 7에서 확인할 수 있다. 그러나, 특별한 경우로

Φ

(a)

Φ

Φ

(c)

Φ

Φ

Fig. 8 Effects of ultrasonic standing wave on the velocity and pressure distribution of propagating flame

는 화염전파 초기부터 정상초음파에 의한 화염 선단의 속도 변화를 찾아볼 수 없으며, 단지 화 염구조 변화인 선단의 찌그러짐과 생성물 영역 의 가로줄무늬만이 관찰된다. 또, 정상초음파가 없는 경우, 당량비 변화에 따른 예혼합화염의 전 파속도가 각각 다르다는 사실을 Fig. 7에서 재확 인 할 수 있다. 반면, 정상초음파가 개재할 경우, 당량비

Φ

Figure 8은 예혼합화염의 전파에 따른 속도 및 압력 변이를 시간의 함수로 도시하고 있다. 화염 은 점화 직후부터 연소 챔버의 벽면에 접할 때

까지 속도가 꾸준히 증가하고 연소반응에 따른 반응대의 면적증가가 자유로워 압력은 증가하지 않는다. 반면, 화염이 벽면 경계의 영향을 받을 정도로 성장한 반구화염의 경우, 챔버로 인한 화 염면적증가의 제약으로 압력상승이 시작되며, 전 파속도는 감소하게 된다. 화염형상의 변이가 활 발한 평면화염 부근에서는 속도가 급격히 감소 하며, 압력 증가율 또한 반구화염의 그것보다는 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또, 예혼합화염 이 튤립화염으로 완전히 변화한 후에도 그 전파 속도는 지속적으로 감소하며, 압력증가율은 어느 정도 회복되는 것으로 관찰된다.

정상초음파 유무에 따라 예혼합화염의 선단이 슐리렌 관측구간을 통과하는데 걸리는 시간을 측정하여 Fig. 8의 음영처리구간에 명시하고 있 다. 정상초음파가 없는 경우,

Φ

Fig. 9 Propagation period from ignition to the attachment of flame leading-tip onto the center of Schlieren test section at various equivalence ratios

선단이 가장 빨리 관측구간을 통과하며,

Φ

Figure 9는 메탄/공기 예혼합화염의 형상변이 가 활발히 일어나는 슐리렌 관측구간까지 화염 선단이 도달하는데 소요되는 시간을 분석한 것 이다. 당량비

Φ

Φ

Φ

Φ

Φ

Φ

이와 같이 정상초음파장은 주어진 당량비에서 연소반응촉진을 유발하며, 연소반응을 최대화시 키는 당량비 범위를 한층 늘릴 수 있다는 관점

에서 연료 및 산화제를 더 효율적으로 사용할 수 있는 가능성을 시사하고 있다.

4. 결 론

정상초음파장이 메탄/공기 예혼합화염의 전파 거동에 미치는 영향을 당량비의 미세한 변화를 통하여 면밀히 관찰한 연구로 그 주요결과는 다 음과 같다.

(1) 정상초음파의 교반에 의해 화염선단의 찌 그러짐과 생성물 영역의 가로줄무늬가 마 치 연소반응 면적을 증대시키는 역할을 하 며, 이로 인해 연소반응률은 증가한다.

(2) 당량비가

Φ

Φ

(3) 동일 조건에서 정상초음파의 개입으로 인 해 예혼합화염의 연소반응은 촉진되며, 연 소반응을 최대화시키는 당량비 구간은 정 상초음파장이 교반하는 경우에 더욱 넓게 위치하였다.

후 기

이 논문은 2012년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 기초연구사업 지원을 받아 수행된 것임(NRF-2012R1A1A4A01014086).

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