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

1. 서 론

Research Paper DOI: http://dx.doi.org/10.6108/KSPE.2015.19.4.045

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

김민성

․ 배대석

․ 김정수

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

Standing Wave (Ⅱ)

Min Sung Kim

․ Dae Seok Bae

․ Jeong Soo Kim

a

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

b

Department of Mechanical Engineering, Pukyong National 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. The propagating flame was caught by high-speed Schlieren photography, and the variation of flame-behavior including the flame structure was investigated in detail employing 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 by the intervention of ultrasonic standing wave were more caused off around the stoichiometry. Also, a dependency of the flame behaviors on the driving frequency and equivalence ratio of the reactants was confirmed.

초 록

정상초음파의 영향을 받는 메탄-공기 예혼합화염의 주파수-당량비 상관도 분석을 위한 실험적 연구 가 수행되었다. 슐리렌가시화기법을 이용하여 예혼합화염의 전파영상을 획득하였으며, 영상 후처리를 통해 화염의 구조변이 및 전파거동을 면밀히 관찰하였다. 정상초음파가 개재할 때, 화염선단과 기연부 에서 구조적 변이와 연소반응 촉진으로 인한 화염의 전파속도의 증가를 가져온다는 사실에 더하여, 초 음파 구동주파수와 당량비에 대한 화염거동의 종속성을 확인하였다.

Key Words: Methane-Air(메탄-공기), Ultrasonic Standing Wave(정상초음파), Premixed Flame(예혼 합화염), Flame Dynamics(화염동역학), Schlieren Method(슐리렌 기법)

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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1883년 Mallard와 Le Chatelier에 의해 관내 예혼합화염이 처음 소개된 이후 많은 연구자들 에 의해 관련 연구가 진행되어 왔다[1]. 이러한 예혼합화염은 연소반응의 발열로 인한 열팽창, 부력, 열확산 등의 효과를 동반하며, 이들은 많 은 연소불안정성 중 하나인 내재적 불안정성 (intrinsic instability)의 원인이 된다고 알려져 있 다[2,3]. 관내 예혼합화염에서 내재적 불안정성의 전형적인 형상으로 알려져 있는 튤립화염은 Ellis와 De[4]에 의해 최초로 관찰되었으며, Salamandra 등[5]에 의해 튤립화염으로 불리기 시작했다. 이 화염은 연소챔버의 종횡비(aspect ratio)가 2 이상일 때 반구형태의 화염선단이 역 으로 뒤집히는 현상을 말하며, 종횡비가 20 이상 이 되면 반구화염과 튤립화염이 반복하여 나타 난다고 알려져 있다[6]. 또, Clanet과 Searby[7]는 개방된 관내 예혼합화염의 전파과정을 네(4) 단 계로 나눌 수 있다고 주장하였으며, Kaltayev 등 [8]은 전산모사해석을 통해 메탄-공기 예혼합화 염의 수력학적 구조(hydrodynamic structure) 변 화를 챔버 길이별로 제시하였고, Dunn-Rankin과 Sawyer[1]는 관내 예혼합화염에서 챔버길이, 당 량비, 점화방법, 챔버 끝단의 형상변화에 따라 화염이미지를 획득하여 거동특성을 분석하였다.

최근에는 Xiao 등[9]이 수소-공기 예혼합화염의 전파 과정 중에 화염선단이 역전되어 나타나는 cusp에 부차적 굴절(secondary inflection)이 발 생한다는 사실을 보고한 바 있다. 이와 같이 예 혼합화염과 관련된 실험적, 해석적, 이론적 연구 는 오랜 기간 진행되어 왔지만, 현재까지도 예혼 합화염에서 발생하는 연소불안정성의 근원에 대 해 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 진은 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[13-16].

본 연구에서는 선행연구에 더하여, 예혼합된 메탄-공기의 당량비 및 정상파의 주파수를 변화 시킬 때 정상초음파 부가 영역에서 보이는 화염 구조와 거동 등의 연소특성을 슐리렌 가시화 기 법을 이용하여 상세히 고찰하고자 한다.

2. 실험 장치 및 방법

정상초음파가 개재하는 메탄-공기 예혼합화염 의 전파거동 및 화염구조 가시화를 위한 실험장 치의 개략도가 Fig. 1에 도시된다. 실험 장치는 연소챔버(combustion chamber), 슐리렌 장치 (Schlieren apparatus), 그리고 DACS(Data Acquisition & Control System) 등으로 구성된 다.

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 왜곡이 발생하지 않아야 하는 슐리렌 촬영법에서 중요한 역할을 하며, 구형챔버와 화 염 전파특성이 질적으로 크게 다르지 않아[1], 본 실험목적에 적합하다고 판단하였다. 또, 챔버

Fig. 1 Schematic diagram of experimental setup.

Parameter Value Equivalence Ratio, Φ 0.7 - 1.2

USW

Frequency, f 0, 20, 30, 40 kHz HSC

Frame Rate 25,000 & 30,000 fps HSC Exposure Time 2 μs

Observation Section 0.27 - 0.43 m

*Ultrasonic Standing Wave **High Speed Camera

Table 1. Experimental condition.

재질의 가압 한계로 인해 연소챔버의 후부 상단 에 약 2.5 bar에서 작동하는 기계적 개방시스템 (discharge vent)을 설치하여 안전을 확보하였다.

연료 및 산화제는 질량유량제어기(Mass Flow Controller, MFC)와 솔레노이드밸브(solenoid valve)를 이용하여 실험 초기조건을 조성하였으 며, 연료와 산화제의 혼합을 위해 고정식 연속혼 합기(static mixer)를 사용하였다. 챔버내부의 압 력섭동은 정압센서(static pressure sensor) 및 동 압센서(dynamic pressure sensor)를 이용하여 관 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 제논램프(xenon lamp), 빛을 집 중시키기 위한 볼록렌즈, 핀홀(pin hole), 한 쌍 의 구형 오목거울, 나이프에지(knife edge) 등으 로 구성되며, 고속카메라를 이용하여 화염의 전 파거동 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 실험조건들이 Table 1에 정리된다.

3. 실험결과 및 고찰

화염전파거동에 대한 당량비의 영향을 Fig. 2 와 3에 도시한다. Fig. 2는 다양한 당량비 조건

Fig. 2 Superposition of the evolutionary flame fronts on the Schlieren test section at various equivalence ratios (time interval: 2 ms).

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

에서 슐리렌 관측구간을 통과하는 메탄-공기 예

혼합화염의 화염선단을 2 ms 간격으로 중첩시킨 후처리 이미지이다. 연소챔버 내에서 전파하는 메탄-공기 예혼합화염의 화염선단은 반구/평면/

튤립형상등으로 천이하며 전파하는 것을 확인할 수 있으며, 이론당량비 근처로 갈수록 화염의 속 도가 빨라진다는 사실을 화염선단의 간격을 통 해 추측할 수 있다. 또한 낮은 당량비 조건에서 부력에 의해 야기되는 비대칭 화염선단의 발현 이 이론당량비의 그것보다 앞당겨지고 심화되어 튤립화염으로의 천이조차 나타나지 않는다는 사 실도 관찰된다. 이는 연료희박(fuel-lean) 조건에 서 화학반응의 강도가 저하됨에 따라 화염의 전 파속도는 줄어들고, 화염선단구조에 대한 부력의 상대적인 영향은 증대되기 때문이다[15].

Fig. 3은 다양한 당량비 조건에서 화염의 전파 속도 변이를 비교하고 있다. 각 위치에서의 화염 의 전파속도는 이론당량비 근처로 갈수록 빨라 지며, Φ = 1.1에서 가장 빠른 것이 확인된다. 그 리고 Fig. 2와 비교시 반구형태의 화염이 평면화 염을 지나 튤립화염으로 천이하는 위치에서 화 염의 전파속도는 현격히 감소하기 시작하며, 화

염선단이 완전한 튤립형상으로 변이하여 전파하 는 위치에서 화염의 전파속도가 다시 회복되기 시작하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 4는 정상초음파에 의한 화염구조의 변화 를 보이고 있다. 초음파교란에 의해 화염선단이 찌그러지고 기연부(burnt side)에 횡방향의 줄무 늬가 형성된다는 것을 확인할 수 있으며, 화염선 단이 갈라지는 세로방향의 위치는 정상파 압력 선도의 파복(또는 배, anti-nodes)과 거의 부합하 고 있다. 정상초음파장이 형성되면 그것의 압력 선도에서 나타나는 파복으로부터 인접한 마디 (node)방향으로 음향방사력(acoustic radiation force)이 발생한다. 이때, 미연부(unburned side) 의 경우, 정상파의 매질인 미연가스(reactants gas)가 정상상태에 가까워(quasi-steady) 당량비 변화에 따른 밀도변화 역시 미미하기 때문에 정 상초음파의 주파수가 변하지 않는 한 초음파의 특성(음속, 파장, 파복 혹은 마디의 위치)은 바뀌 지 않는다. 따라서 미연부와 인접한 화염선단의 찌그러짐은 초기조건에서 나타나는 초음파의 압 력선도에 관계하여 파복과 일치하는 것이 확인 Fig. 4 Pressure diagram of the standing wave (right most side) and the corresponding distortion of flame

fronts at the respective equivalence ratio.

되며, 당량비 변화에 의한 위치변화 역시 미미하 다는 사실을 그림에서 관찰할 수 있다. 반면, 화 염이 전파함에 따라 온도 및 밀도 변화가 큰 기 연부 매질(product gas)의 영향을 받는 정상파는 일정한 주파수에도 불구하고 초음파의 특성이 변하게 된다. 그로 인해 화염선단에서 시작된 가 로줄무늬는 화염이 전파하면서 높이가 계속적으 로 변화하는 것을 확인할 수 있으며 그 가로 줄 무늬의 간격이 일정하게 유지되는 것도 발견된 다. 이와 같이 화염선단과 생성물영역의 가로줄 무늬를 유발하는 음향방사력은 화염을 파복에서 상하로 잡아당겨(flame stretch) 선단에서 화염면 적(flame surface area)을 증대시키고, 기연부의 밀도를 층상화(density stratification)시키는 결과 를 낳는 것으로 판단된다. 그와 같은 압력파에 의한 밀도구배는 초음파 가진 영역에서만 나타 났으며, 당량비가 높아질수록 줄무늬는 희미해졌 다.

Fig. 5는 다양한 당량비에서 정상 초음파의 유 무에 따른 화염선단을 2 ms 간격으로 중첩시킨 이미지이다. 선행연구에 의하면 정상초음파가 개 재된 상태에서 화염이 전파할 경우 기연부에서 의 줄무늬 뿐 아니라 화염선단의 찌그러짐이 관 찰된다고 알려져 있으나[15], 본 실험 조건에서 는 낮은 당량비 영역에서만 화염의 찌그러짐이 나타났으며, 전파속도가 빠른 당량비 구간에서는 그것이 관찰되지 않았다. Fig. 4와 5를 통해 화 염의 구조는 초음파의 주파수에 종속하며, 전파 속도가 빨라지면 정상파에 의한 구조변이가 미 미해진다는 사실을 확인할 수 있다.

Fig. 6은 슐리렌 관측구간에서의 화염전파속도 및 연소실 압력변이를 시간의 함수로 나타내고

있다. 관내 예혼합화염의 전파형상 변이는 압력 선도 분석을 통해 유추가 가능한데[15,16], 점화 직후 벽면의 간섭을 받기 전에는 반응대 면적 증가가 자유로워 압력이 증가하지 않으며, 벽면 에 접촉 후 화염면적 증가의 제약으로 인해 압 력이 상승하기 시작한다. 또, 평면화염으로 변하 는 과정에서 벽면의 영향, 연소생성물의 감소 등 으로 화염선단면적이 줄어들어 압력증가율이 감 소하며, 튤립화염으로 천이 후 압력상승율 (dp/dt)이 다시 회복된다고 알려져 있는데[15], 그림의 압력선도 또한 선행연구와 일치하는 것 을 확인할 수 있다.

본 실험조건에서 초음파 유무에 따른 압력변 이는 미미하나 화염의 전파속도변이는 뚜렷하게 관찰된다. 이는, 정상초음파의 교반에 의해 찌그 러진 화염선단이 화염면적의 증가와 함께 연소 반응을 촉진시키는데 부분적으로 기여하지만, 정 상초음파에 의한 활발한 혼합과 추가적인 반응 에너지(정상초음파의 자체 에너지)의 공급이 화 염전파속도증가의 주된 원인이 되기 때문이다.

반면에 이론당량비 조건(Fig. 6(b))에서 정상초음 파에 의한 화염전파속도의 변이가 미미한 이유 는 이 당량비 근처에서 연소반응이 포화상태에 이르러 정상초음파에 의한 연소반응 강도의 증 대효과가 상대적으로 줄어들기 때문이며, 이론당 량비에서 벗어날수록(Fig. 6(a), (c))그 효과가 뚜 렷해진다는 사실을 확인할 수 있다. 다만 초음파 가진 영역의 국소적 영향으로 인해 화학반응이 포화상태에 이른 당량비 조건이라 할지라도 정 상초음파에 의해 화염강도 증대효과가 상대적으 로 감소하는 실제적 당량비 값은 다소 변할 수 있다.

Fig. 5 Effects of ultrasonic standing wave on the evolution of flame front (time interval: 2 ms).

Fig. 6 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.

이와 같이 정상초음파장이 연료과농 혹은 연 료희박 당량비에서 연소반응의 촉진을 유발하는 것으로 보아, 정상초음파를 연소장에 적절히 도

입함으로써 가연한계 확장을 통해 연소효율을 증대시킬 수 있다는 사실을 미루어 짐작할 수 있다.

4. 결 론

정상초음파장의 영향을 받는 메탄-공기 예혼합 화염의 주파수-당량비 상관도 분석을 위하여 슐 리렌 기법을 이용해 화염의 구조변이 및 전파거 동을 면밀히 관찰한 실험적 연구로 그 주요결과 는 다음과 같다.

(1) 관내 예혼합화염은 반구/평면/튤립형의 화 염형상을 보이며 전파하나, 연소하한계 부 근에서는 부력으로 인한 화염의 상하 대칭 성 파괴가 일찌기 발현되어 튤립형상으로 의 천이가 발생하지 않았다.

(2) 정상초음파장의 교반에 의해 화염선단 및 생성물 영역에서 구조적 변화가 나타나는 데 이러한 변화는 정상초음파의 주파수와 당량비에 종속한다.

(3) 정상초음파장이라는 추가적인 에너지 공급 으로 메탄-공기 예혼합물의 연소반응이 촉 진되어 화염의 전파속도는 일반적으로 증 대된다.

이상과 같이 정상초음파의 개재가 메탄-공기 예혼합화염의 전파거동에 있어 전파속도의 증가 와 화염구조의 변화 등을 유발하며, 이는 가진 주파수에 종속한다는 점에서, 연소불안정성의 능 동적 제어에 대한 정상초음파의 유용성이 본 연 구를 통해 제시되었다.

후 기

이 논문은 부경대학교 자율창의학술연구비 (2014)에 의하여 연구되었음.

References

1. Dunn-Rankin, D. and Sawyer, R.F., "Tulip Flames: Changes in Shape of Premixed Flames Propagating in Closed Tubes," Exp Fluids, Vol. 24, No. 2, pp. 130-140, 1998.

2. Kadowaki, S. and Hasegawa, T.,

"Numerical Simulation of Dynamics of Premixed Flames: Flame Instability and Vortex-flame Interaction," Proc. Energy Combust. Sci., Vol. 31, Issue 3, pp. 193-241, 2005.

3. Pelce, P. and Clavin, P., "Influence of Hydrodynamics and Diffusion upon the Stability Limits of Laminar Premixed Flames," J. Fluid Mech., Vol. 124, pp.

219-237, 1982.

4. Ellis, O.C. and De, C., Fuel in Science and Practice 7, Colliery Guardian Company, London, UK, pp. 502-508, 1928.

5. Salamandra, G.D., Bazhenova, T.V. and Sevastyanova I.K., "Formation of Detonation Wave during Combustion of Gas in Combustion Tube," Symposium (International) on Combustion, Vol. 7, Issue 1, pp. 851-855, 1959.

6. Guénoche, H., Nonsteady Flame Propagation (Markstein, G.H. Ed.), Macmillan, NY, pp.

107-176, 1964.

7. Clanet, C. and Searby, G., "On the 'Tulip Flame' Phenomenon," Combustion and Flame, Vol. 105, Issues 1-2, pp. 225-238, 1996.

8. Kaltayev, A.K., Riedel, U.R. and Warnatz, J., "The Hydrodynamic Structure of a Methane-Air Tulip Flame," Combust. Sci.

Tech., Vol. 158, No. 1, pp. 53-69, 2000.

9. Xiao, H., Wang, Q., He, X., Sun, J. and Shen, X., "Experimental Study on the Behaviors and Shape Changes of Premixed Hydrogen-Air Flames Propagating in Horizontal Duct," Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 36, Issue 10, pp. 6325-6336, 2011.

10. Bychkov, V.V. and Liberman, M.A.,

"Dynamics and Stability of Premixed Flames," Physics Reports, Vol. 325, Issues 4-5, pp. 115-237, 2000.

11. Annaswamy, A.M. and Ghoniem, A.F.,

"Active Control of Combustion Instability:

Theory and Practice," IEEE Control Syst, Mag., Vol. 22, Issue 6, pp. 37-54, 2002.

12. Hayashi, A.K., Sato, H., Endo, T., Yasunami, Y., Yoshimi, S., Ogawa, S., Ikame, M., Kishi, T., Hiraoka, K., Harumi, K. and Oka, H., "Analysis of Unstable Phenomena in Premixed Flame Burners and Their Active Control," Proc. 4th Symp.

Smart Control of Turbulence, Tokyo, Japan, pp. 173-182. 2003.

13. Seo, H.S., Lee, S.S. and Kim, J.S., "Effect of the Equivalence Ratio on Propagation Characteristics of CH

-Air Premixed Flame Intervened by an Ultrasonic Standing Wave," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 17, No. 2, pp.

16-23, 2013.

14. Seo, H.S., Lee, S.S. and Kim, J.S.,

"Agitation Effects of an Ultrasonic Standing Wave on the Dynamic Behavior of Methane/Air Premixed Flame," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 16, No. 3, pp. 16-23, 2012.

15. Lee, S.S., Seo, H.S. and Kim, J.S.,

"Propagation Behavior and Structural Variation of C

H

-Air Premixed Flame with Frequency Change in Ultrasonic Standing Wave," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 38, No. 2, pp. 173-181, 2014.

16. Lee, S.S., Seo, H.S. and Kim, J.S.,

"Interacting Effects of an Ultrasonic Standing-wave on the Propagation Behavior and Structural Stabilization of Propane/Air Premixed Flame," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 16, No.

6, pp. 1-8, 2012.