1. 서 론
자동차 엔진 발전소 버너설비 항공용 가스터 , , 빈 등 연소 및 추진시스템의 성능저하 및 수명단 축을 야기하는 가장 큰 요소 가운데 하나인 연소 불안정성은 반드시 해결해야 할 중요한 문제이 다 이러한 연소불안정성의 원인은 크게 세 가지 . 로 대별될 수 있는데 , 내재적 불안정 (intrinsic
연소실 불안정 그
instability), (chamber instability), 리고 시스템 불안정 (system instability) 등이 그것
이다 내재적 불안정에는 다시 . Diffusive-Thermal
불안정 불안정 등이
(D-T) , Darrieus-Landau (D-L)
있으며 연소실 불안정은 연소기의 형상과 연소 , 현상이 결합하여 발생하는 것으로 음향 연소 불 - 안정 충격파 유도 불안정 등이 있다 마지막으로 , . 시스템 불안정은 연소반응물의 출입에 기인하는 것으로 연료 공급장치에 의한 연소 불안정 연소 , 생성물 배기와 연소가 혼재되어 발생하는 불안정 등이 있다.
(1,2)예혼합화염은 전술한 연소불안정성 중 내재적 불안정성을 통하여 층류에서 난류로 스스로 천이 한다 그 중 관내 예혼합화염은 . 1800 년대 후반에
학술논문< >
DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2015.39.2.161 ISSN 1226-4881(Print) 2288-5324(Online)
정상초음파의 교란을 받는 메탄 공기 예혼합화염의 - 전파특성에 대한 초음파 구동 주파수의 영향
배대석
*
· 서항석**
· 김정수*
부경대학교 기계공학과 주 한화 대전사업장 개발팀
* , ** ( )
Effects of Driving Frequency on Propagation Characteristics of Methane-Air Premixed Flame Influenced by Ultrasonic Standing Wave
Dae Seok Bae
*
, Hang Seok Seo**
and Jeong Soo Kim*
* Dept. of Mechanical Engineering, Pukyong Nat’l Univ.
** Development Team, Daejeon Plant, Hanwha Corp.
(Received July 2, 2014 ; Revised November 4, 2014 ; Accepted November 4, 2014)
Key Words : Premixed Flame( 예혼합화염 ), Methane-Air( 메탄 공기 - ), Ultrasonic Standing Wave ( 정상초음파 ),
화염 동역학 구동 주파수
Flame Dynamics( ), Driving Frequency( )
초록: 정상초음파장의 구동 주파수가 메탄 공기 예혼합화염의 전파특성에 미치는 영향을 규명하고자 하 - 는 실험결과를 제시한다 고속카메라를 이용하여 화염의 전파영상을 획득하였으며 영상 후처리를 통해 . , 화염선단의 구조와 속도변이를 포함하는 화염의 거시적 거동을 상세히 관찰하였다 정상초음파가 연소 . 반응을 촉진시켜 화염 전파속도의 증대와 화염선단 구조의 변이를 유발한다는 사실에 더하여 초음파 , 구동 주파수와 당량비에 대한 화염거동의 종속성을 확인하였다.
Abstract: An experimental study was conducted to scrutinize the influence of the frequency of an ultrasonic standing wave on the variation in the behavior of a methane-air premixed flame. The evolutionary features of the propagating flame were captured by a high-speed camera, and the macroscopic flame behavior, including the flame structure and local velocities, was investigated in detail using a post-processing analysis of the high-speed images. It was found that a structural variation and propagation-velocity augmentation of the methane-air premixed flame were caused by the intervention of the ultrasonic standing wave, which enhanced the combustion reaction. Conclusive evidence for the dependency of the flame behaviors on the driving frequency of the ultrasonic standing wave and equivalence ratio of the reactants is presented.
Corresponding Author, [email protected] 2015 The Korean Society of Mechanical Engineers
Ⓒ
처음 소개되었으며 수많은 연구자들에 의해 관 , 련연구가 진행되어 왔다 . 대표적인 예혼합화염 선단의 형태 중 하나로 , D-T 불안정 및 D-L 불안 정과 관련이 깊은 튤립화염은 Ellis 와 De
(3)에 의 해 처음으로 관찰되었다 또 . , Guénoche
(4)는 챔버 의 종횡비 (aspect ratio) 가 2 이상일 때 튤립화염이 형성되고 종횡비가 , 20 이상이 되면 반구화염과 튤립화염이 반복적으로 나타난다고 주장하였으 며 최근 많은 연구자들이 다양한 압력과 유동에 , 서 그와 관련된 연구결과들을 제시하고 있다.
(5)Clanet 과 Searby
(5)는 개방된 관에서의 예혼합화염 형상변이를 관찰하였고 , Matalon 과 Metzener
(6)는 짧은 관내에서의 예혼합화염 전파과정을 연구하 였다 또 . , Kaltayev 등
(7)은 수치해석을 통해 메탄- 공기 예혼합화염의 수력학적 구조(hydrodynamic
변화를 챔버 길이별로 관찰하였다
structure) .
Dunn-Rankin 과 Sawyer
(8)는 관내 예혼합화염에서 챔버 길이 당량비 전파 방향의 벽면 모양 변이 , , 에 따른 실험적 연구를 통해 이미지를 획득하여 제시하였고 최근에는 , Xiao 등
(9)이 수소 공기 예 - 혼합화염에서 화염 전파 중에 화염선단이 역전되 어 나타나는 cusp 에 부차적 굴절 (secondary
이 발생한다는 사실을 보고한 바 있다
inflection) .
그러나 수많은 예혼합화염의 실험적 해석적 이 , , 론적 연구가 100 년 넘게 진행되어 왔지만 지금 , 까지도 예혼합화염과 연소불안정성의 관계에 대 해 명확한 결론을 내리지 못하고 있는 실정이 다.
(4,10~13)연소기 내의 압력변동 (pressure oscillation) 이 열 구조적 부하 (thermal-structural loads) 의 높은 증폭 을 동반함으로써 나타나는 연소불안정성은 궁극 적으로 화염과 압력파의 상호작용으로 귀결될 수 있다 그와 같은 상호작용은 일반적으로 시스템 . 의 효율을 저하시키고 구조적인 문제점을 발생시 키지만 인위적으로 압력파를 조절하여 연소반응 , 을 촉진시키고 연소 불안정성 해결에 기여할 수 , 있다는 사실도 보고되고 있다.
(14,15)이에 따라 본
연구팀
(16~20)은 관내 예혼합화염 연소장에 정상초
음파장 (Ultrasonic Standing Wave, USW) 을 더할 때 화염선단이 찌그러지고 기연부에서 밀도변이 를 시사하는 줄무늬가 발생하는 등의 화염구조 변화를 확인하였고 화염전파속도가 현격히 증가 , 하는 현상도 관찰하였다 본 연구에서는 선행연 . 구에 더하여 연소불안정의 능동적 제어를 궁극 ,
적 목표로 정상초음파장의 주파수가 메탄 공기 - 예혼합화염의 거동 변이에 미치는 영향에 대해 주목하고자 한다.
실험장치 및 방법 2.
은 정상초음파장이 메탄 공기 예혼합화염
Fig. 1 -
에 미치는 영향을 관찰하기 위해 사용한 연소챔 버 및 주변장치이다 연소챔버는 광학적 관찰이 . 가능한 PMMA (Polymethyl Methacrylate) 재질이 며 폭 , 15 cm, 높이 6 cm, 길이 100 cm 인 직사각 형의 형태로 설계 제작되었다 또 길이방향 , . , 30
지점에 정상초음파장 형성을 위해
cm PZT (lead
zirconate titanate, Pb(Zr, Ti)O
3) 초음파 진동자 를 설치하여 정상초음파장의 (ultrasonic transducer)
형성을 유도하였다 연료 및 산화제는 질량유량 . 제어기 (Mass Flow Controller, MFC) 와 솔레노이드 밸브 (solenoid valve) 를 이용하여 실험 초기조건을 완성하였으며 연료와 산화제의 혼합을 위해 고 , 정된 관을 통과하며 연속적인 혼합을 유도하는 고정식 연속혼합기 (static mixer) 를 사용하였다 이 . 후 스파크 점화장치를 이용하여 발화가 이루어지 며 연소챔버의 압력섭동을 관찰하기 위하여 정 , 압센서 (static pressure sensor) 및 동압센서 (dynamic
를 장착하였다 또 가시화를 주목 pressure sensor) . ,
적으로 하여 선정된 챔버 재질 (PMMA) 에 기인하 는 가압 한계를 고려하여 연소챔버 후단 상부에 , 설치된 개방시스템 (discharge vent) 은 약 2.5 bar 에 서 작동하도록 설계되었다.
DACS (Data Acquisition & Control System) 는 함 수발생기 (function generator), 증폭기 (amplifier),
Fig. 1 Experimental apparatus
PAC (Programmable Automation Controller), 그리고
로 구성된다 함수발생기와 증폭기를 이용하여
PC .
초음파진동자를 구동하였으며 , PAC 를 사용하여 획득한 데이터와 이미지를 동기화하고 이를 , PC 에 저장하였다 또 전파하는 화염영상은 . , PAC 와 동기화된 고속카메라를 사용하여 획득하였다 실 . 험에 사용된 제반 연소 조건 및 계측변수들을
에 요약한다 Table 1 .
실험 결과 및 고찰 3.
당량비(Φ 가 ) 0.9 일 때 메탄 공기 예혼합화염의 - 시간에 따른 전파 이미지를 Fig. 2 에 도시한다 .
(a) Without USW
(b) With USW, f = 30 kHz
Fig. 2 Sequential images of premixed methane-air flame at Φ = 0.9
Parameter Value
Equivalence Ratio, Φ 0.7 - 1.2 Initial Pressure of
Combustion Chamber, P 1.0 bar USW
1Frequency, f 0, 20, 30, 40 kHz Sound Pressure Level, SPL 152 dB
HSC
2Frame Rate 1000 fps HSC Exposure Time 990 s μ
1
Ultrasonic Standing Wave,
2High Speed Camera
Table 1 Experimental condition
정상초음파의 교란이 없을 때 (Fig. 2(a)), 화염은 선행연구들과 마찬가지로 , 반구화염 , 평면화염 , 튤립화염의 형태를 보이며 변화한다 반구화염일 . 때는 화염의 형상이 상하 대칭을 이루며 전파하 는 반면 화염이 평면화염으로 변화함에 따라 챔 , 버 상단으로 화염선단이 치우치기 시작하는 모습 을 관찰할 수 있으며 후반부로 전파할수록 그 , 기울어짐이 확대되는 것을 확인할 수 있다 이는 . 화염의 전파속도 화학반응의 강도 가 부력의 영향 ( ) 에 비해 상대적으로 크지 않아 발생하는 부력에 의한 화염의 불안정화 현상으로 알려져 있다.
(13)는 정상초음파로 교란된 메탄 공기 예혼
Fig. 2(b) -
합화염의 전파 이미지로 정상초음파가 화염 거 , 동에 미치는 영향을 거시적으로 관찰할 수 있다.
정상초음파가 연소장에 개재하면서 화염전파속도 는 정상초음파가 없는 (flame propagation velocity)
경우보다 빨라지는 것을 그림에서 관찰할 수 있 다 정상초음파장이 형성되면 정상파의 압력선도 .
에서 나타나는 파복 (anti-nodes) 으로부터 인접한 마디 (nodes) 방향으 로 음향방사력(acoustic radiation
이 발생하며 이러한 음향방사력은 화염을
force) ,
파복에서 상하로 잡아당겨 (flame stretch), 선단에 서 화염면적 (flame surface area) 을 증대시키고 기 , 연부에서 밀도를 층상화 (density stratification) 시키 는 결과를 낳는다.
(19,20)이와 같이 정상초음파의 교반에 의해 신장된 화염선단 화염면적의 증가 은 ( ) 연소반응 (combustion reaction) 을 촉진시키고 결과 , 적으로 화염전파속도를 향상시킨다.
은 메탄 공기 예혼합화염의 전파속도 및 Fig. 3 -
압력분포를 시간에 따라 나타낸 것으로 기준이 , 되는 비가진의 경우와 f = 30 kHz 로 가진한 경우 를 비교 도시하였다 초기에 생성된 반구화염은 , . 화염이 벽면에 접하기 전에는 지속적인 반응대의 면적 증가로 인해 화염전파속도가 증가하며 챔 , 버의 유한한 크기로 인해 반응대 면적증가가 제 약되면 그 속도는 한동안 일정하게 유지된다 한 . 편 챔버 압력은 벽면의 간섭을 받기 전까지는 , 증가하지 않다가 벽면 접촉 후에 상승하기 시작 , 하는 것으로 확인된다 또 반구화염에서 평면화 . , 염으로 변이하게 됨에 따라 연소반응대 표면적의 감소와 함께 전파속도가 감소하게 되고 완전한 , 평면화염이 되면 그 속도는 최소값에 도달하게 되며 , 튤립화염으로 변화하면서 다시 회복된다 . 튤립화염으로 완전히 변화 후에는 화염 전파속도 가 천천히 감소한다 이와 비슷하게 압력의 경우 . , 반구화염에서 평면화염으로 변이하는 과정에서 압력증가율이 감소하며 , 평면화염에서 튤립화염 으로 변화하는 과정에서는 압력증가율이 다시 상 승한다 이러한 화염형상에 따른 압력변동은 기 . 존연구의 결과와 일치하는 것이기도 하다.
(8)화염 이 전파할 때 생기는 전반적인 형상변화는 유사 Fig. 3 Effects of ultrasonic standing wave on the
variation of flame propagating velocity and chamber pressure (Φ = 0.9)
Fig. 4 Superposition of evolutionary flame fronts at Φ = 0.9 (time interval: 10 ms)
하나 정상초음파의 교란에 따라 몇 가지 현저한 , 차이가 나타난다 가장 큰 차이는 화염전파속도 . 로 모든 구간에서 정상초음파가 없는 경우보다 , 속도가 증대되고 있음을 확인할 수 있다 빠른 . 전파속도는 압력증가율의 차이를 동반하여 정상 , 초음파가 개재하는 경우에 압력증가율 또한 높아 진다는 사실을 관찰할 수 있다 또 정상초음파는 . , 반구화염 평면화염 튤립화염 순으로 변화하는데 - - 필요한 시간을 앞당기고 있다 이는 정상초음파 . 가 메탄 공기 예혼합화염의 전파속도를 증대시켜 - 평면화염 및 튤립화염으로의 천이를 가속시키는 효과를 낸다는 결론을 가능하게 한다.
는 이론당량비에 가까운
Fig. 4 Φ = 0.9 에서 정 상초음파의 주파수 변화에 따른 예혼합화염의 선 단 형상을 10 ms 간격으로 중첩시킨 후처리 이미 지이다 . ( 각각의 이미지 후처리 과정에서 점화 직 후 낮은 화염강도로 인하여 10 ms 에 해당하는 화 염선단은 획득할 수 없었으며 특히 정상초음파 , 가 개재하지 않는 경우 20 ms 에 해당하는 화염선 단 역시 확인할 수 없었다 .) 화염선단은 과거에 연구된 화염 전파과정
(5)과 마찬가지로 다음의 네 , 가지 구간으로 나뉠 수 있다 : (I) 점화직후부터
화염이 챔버 벽면의 영향을 받기 전의 구간, (II) 화염이 벽에 닿아 반구화염으로 전파하는 구간, 화염선단이 반구화염에서 평면화염을 지나 (III)
튤립화염으로 활발히 변화하는 구간 , (IV) 튤립 화염의 형태를 유지하며 진행되는 구간 등이 그 것이다 본 실험에서는 화염전파 후반부에 연소 . 챔버의 개방으로 인해 화염전파속도가 급격히 빨 라지는 구간도 확인된다 그림에서는 정상초음파 . 의 교란이 있을 때 정상초음파가 개재하지 않는 경우에 비해 화염전파속도가 전반적으로 높다는 것을 확인할 수 있다 주파수 . f = 30 kHz 일 때 , 정상초음파 효과에 의한 전파속도 증대는 최고조 에 이르며 화염이 후류로 전파함에 있어 부력으 , 로 인해 발생하는 화염의 치우침 현상이 다른 주 파수에 의한 교란의 경우(f = 0, 20, 40 kHz) 에 비 해 현저히 줄어든다. f = 20 kHz 인 경우에는 비 가진의 경우보다 약간 높은 속도로 화염이 전파 하는 것으로 관찰되는데 이는 , 20 kHz 의 정상초 음파가 예혼합화염에 미치는 화염면적의 증가 및 밀도 층상화 효과 등이 다른 주파수에 비해 상대 적으로 미미하기 때문인 것으로 판단된다.
메탄 공기 예혼합화염의 연소하한계 - (lower flamm- Fig. 5 Superposition of evolutionary flame fronts at Φ = 0.7 (time interval: 10 ms)
Fig. 6 Superposition of evolutionary flame fronts at Φ = 1.1 (time interval: 10 ms)
근처인 당량비
ability limit) Φ = 0.7 일 때의 정상 파 주파수 변이에 따른 화염의 전파형상을 Fig. 5 에 도시한다 정상초음파가 개재하지 않는 조건 . 에서는 점화 후 화염의 충분한 발광이 이루어지 지 않아 170 ms 까지 화염선단을 획득할 수 없었 다 반면 정상초음파가 개재하는 경우 정상초음 . , , 파에 의한 연소반응촉진의 효과로 인해 명확한 화염선단이 관찰되며 화염전파속도 또한 상대적 , 으로 증대된다는 사실을 그림에서 확인할 수 있 다 당량비 . 0.7 의 경우 정상초음파의 유무에 관 , 계없이 튤립화염으로의 천이를 관찰할 수 없는 데 이는 당량비가 이론당량비 , (Φ = 1) 로부터 멀 어질수록 화학반응 강도의 저하와 함께 전파속도 가 현저히 떨어지면서 부력의 효과가 상대적으로 크게 발현하기 때문이다.
은 본 실험조건 중에서 가장 빠른 속도로 Fig. 6
전파하는 예혼합화염의 당량비로서, Φ = 1.1 일 때의 화염선단의 전파 이미지를 정상초음파의 주 파수별로 비교 , 도시하고 있다 . 전술한 당량비
혹은 의 경우와 달리 정상초음파의 유무
0.7 0.9 ,
혹은 초음파 주파수 변이에 관계없이 화염 전파 속도 및 형상의 변이가 유사하다는 사실이 그림 에서 관찰된다 이러한 현상은 . , “ 이론당량비에서 크게 벗어나지 않는 연료과농 당량비에서는 화학 반응강도 혹은 화염전파속도가 포화상태에 이르 , 게 되어 초음파에 의한 반응강도의 증대효과 혹 , ( 은 속도 증가 효과 가 더 이상 현시적으로 나타 ) 나지 않는다 고 주장한 선행연구 ”
(19)와도 일치한 다.
관내 예혼합화염 전파에서 평면화염으로 천이 하는 시간은 실험조건에 따라 일정한 특성을 보 이는데 , 그러한 천이특성은 화염의 전파거동을 이해하는데 있어 매우 중요하다 . Fig. 7 은 다양한 당량비에서 초음파장의 유무 및 초음파 주파수 변이에 따라 평면화염 혹은 그와 유사한 준평면 ( 화염 으로 천이하는데 걸리는 시간을 비교하고 ) 있다 평면화염으로의 평균 천이시간은 이론당량 . 비 근처의 연료과농 당량비(Φ = 1.1) 상태에서 가장 짧으며 이 구간을 벗어날수록 평면화염 형 , 성에 필요한 시간이 길어지는 것을 확인할 수 있 다 또 정상초음파의 존재는 그 천이시간을 줄이 . , 는 효과를 낳는데 이는 전술한 바와 같이 정상 , 초음파가 유발하는 화학반응 강도의 증대에 기인 하는 것이다 앞에서도 언급했듯이 연료과농 당 . , 량비 근처에서는 연소반응이 포화상태에 이르러 정상초음파에 의한 반응강도의 증대효과가 상대 적으로 줄어들기 때문에 정상파 주파수 변이뿐만 아니라 정상초음파 자체의 영향으로부터도 벗어 나 있다 . 반면 , 이론당량비로부터 연소하한계로 접근함에 따라 정상초음파의 영향은 점차 확대되 어 평면화염으로의 천이시간 감소가 현시적으로 나타나게 되고 주파수가 , 30 kHz 일 때 초음파의 효과가 가장 크게 발현되고 있다 초음파 구동 . 주파수 f = 30 kHz 의 영향이 f = 20 kHz 의 경우 보다 크다는 사실은 당량비 변화에 관계없이 일 관성을 갖는데 비해, f = 40 kHz 와 f = 30 kHz 의 경우 단조 변화성 단조 증가 혹은 단조 감소 ( , ) 을 갖지 않는다 이는 메탄 공기 예혼합화염의 연 . - 소반응에 정상초음파의 교란이 비선형적으로 작 용하는데 기인하는 것이거나 예혼합화염의 전파 환경인 사각챔버의 형상 정상초음파 발생기로부 ( 터 반사기까지의 거리인 챔버의 상하 폭 과 그 ) 챔버내에서 초음파 주파수에 종속하여 형성되는 압력파 파복 (anti-nodes) 의 갯수와의 상관관계에 원인이 있을 것으로 사료되며 그 명확한 상관관 , 계 도출을 위해서 추가적인 연구가 필요한 분야 이기도 하다.
4. 결 론
정상초음파 주파수가 메탄 공기 예혼합화염의 - 전파거동에 미치는 영향을 관찰한 연구로 그 주 요결과는 다음과 같다.
메탄 공기 예혼합화염은 반구화염 평면화
(1) - ,
Fig. 7 Effects of USW frequency on the time
needed for plane flame formation at
various equivalence ratio
염 튤립화염의 형태로 전파되며 화염이 후류로 , , 전파함에 따라 부력의 효과가 발현되어 화염선단 이 챔버 상단부로 기울어지는 현상이 관찰된다.
정상초음파가 존재하는 경우 화염전파속도 (2)
는 증가하였으며 메탄 공기의 이론당량비에서 벗 , - 어나 연소하한계 당량비로 접근할수록 초음파 주 파수의 영향이 증대되는 것으로 확인된다.
이론당량비 근처의 연료과농 조건에서는 초 (3)
음파 영향에 의한 화염거동의 변화가 미미한데, 이는 화학반응강도가 포화상태에 이르러 정상초 음파에 의한 반응강도의 증대효과가 상대적으로 감소하기 때문이며 , 이전 연구결과들과 유사한 현상을 재확인 하였다.
이상에서와 같이 정상초음파장은 예혼합화염에 개재하면서 연소반응을 촉진시키고 , 연소하한계 당량비를 낮추어 예혼합화염의 생성과 전파를 가 능케 하는 당량비 범위를 확장시키는 방식으로 연료 및 산화제 혼합물의 연소효율을 증대시킬 수 있을 것으로 예측된다.
후 기
이 논문은 2012 년도 정부 교육부 의 재원으로 ( ) 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사 업임(No. 2012R1A1A4A01014086).
참고문헌
