1. 서 론
C- .(1,2)
.(1)
책임저자 회원 부경대학교 기계공학부, , E-mail : [email protected]
TEL : (051)629-6140 FAX : (051)629-6150 부경대학교 에너지시스템공학과 원
* ( )
한국기계연구원 그린환경기계연구본부
**
.(3)
.(4)
.
(
3,4)학술논문
< > DOI:10.3795/KSME-B.2009.33.7.535
C-곡선상의 화염 소화 특성에 있어서 대향류 버너직경 효과
박대근
*
박 정 윤진한**
길상인**
(2009 1 12 , 2009 5 14 , 2009 5 16 )
Effects of Counterflow Burner Diameter on the Characteristics of Flame Extinction in C-curve
Dae Geun Park, Jeong Park, Jin Han Yun and Sang In Keel
Key Words: Burner Diameter( 버너 직경 ), C-curve(C- 곡선 ), Extinction( 소화 ), Critical Mole Fraction
화염소화 임계몰분율 전체화염신장율
at Extinction( ), Global Strain Rate( )
Abstract
Experiments are conducted to elucidate effects of counterflow burner diameter on flame extinction behaviors in C-curve. Present experimental results with burner diameters of 18, 26, and 50 mm in normal-gravity are compared with the numerical result of Oppdif code as well as the previous experimental results in micro-gravity. The turning point migrates to a higher global strain rate as burner diameter decreases. It is shown that the C-curve with the burner diameter of 50mm is best-fitted to the numerical result of Oppdif code and the previous micro-gravity results also excurse to the numerical result. This suggests that the precise C-curve can be obtained only with an appreciably large burner.
The main reason why these differences appear is shown to be attributed to the transition of shrinking flame disk to flame hole due to strong effects of radial conduction heat loss, which is the typical extinction characteristics of low strain rate flames with a finite burner diameter in a counterflow diffusion flame.
Fig. 1 Schematic diagrams of counterflow burner and flow system
C-
. 18, 26, 50 mm
.
실험 방법 2.
Fig. 1
. 18, 26, 50
. 15.0
.
,
, . (wake flow)
.
(5) 8 l/min .
,
. 2 5,
8 110 . .(6)
(1)
0 20 40 60
0.7 0.8 0.9
C ri ti c a l n it ro g e n m o le f ra c ti o n a t e x ti n c ti o n
Global strain rate, s
-1Oppdif Cal., 0-g Maruta et al.(1998), 0-g Bundy et al.(2003), D=10 mm, 0-g D=18 mm, L=15 mm, Vr=3, 1-g D=26 mm, L=15 mm, Vr=3, 1-g D=26 mm, L=20 mm, Vr=3, 1-g D=50 mm, L=15 mm, Vr=1, 1-g
Fig. 2 Variation of critical nitrogen mole fraction at extinction with global strain rate at various flame conditions
99.95% (CH4)
(99.999%) 99.95%
PC
결과 및 논의 3.
Fig. 2
. Fig. 2 Oppdif code
10 Maruta (1)
2.4 Bundy (2)
.
18, 26, 50 mm
. Maruta Bundy
Oppdif Code
. Oppdif Code
(3~5)
.
Oppdif Code
.
. Oppdif Code
, Maruta Budy 18
mm
. Maruta Bundy
.
Oppdif Code 50 mm
. (7,8)
.
.
.
Fig. 3 18 mm 26 mm
ag=15s-1 ag=40s-1 ag=55s-1
0.03333s
0.2s
0.36667s
0.66667s 0.2s
0.16667s 0.1s 0.03333s
0.13333s 0.1s 0.06667s 0.03333s
Extinction through shrinking flame-disk
Extinction through Flame-hole and shrinking
flame-disk
Extinction through Flame-hole
Flame-hole
ag=15s-1 ag=40s-1 ag=55s-1
0.03333s
0.2s
0.36667s
0.66667s 0.2s
0.16667s 0.1s 0.03333s
0.13333s 0.1s 0.06667s 0.03333s
ag=15s-1 ag=40s-1 ag=55s-1
0.03333s
0.2s
0.36667s
0.66667s 0.2s
0.16667s 0.1s 0.03333s
0.13333s 0.1s 0.06667s 0.03333s
Extinction through shrinking flame-disk
Extinction through Flame-hole and shrinking
flame-disk
Extinction through Flame-hole
Flame-hole
(a)
ag=14s-1 ag=35s-1 ag=70s-1
0.03333s
0.43333s
0.73333s
0.96667s 0.33333s
0.26667s 0.2s 0.03333s
0.13333s 0.1s 0.06667s 0.03333s
Extinction through shrinking flame-disk
Extinction through Flame-hole and shrinking
flame-disk
Extinction through Flame-hole
Flame-hole
ag=14s-1 ag=35s-1 ag=70s-1
0.03333s
0.43333s
0.73333s
0.96667s 0.33333s
0.26667s 0.2s 0.03333s
0.13333s 0.1s 0.06667s 0.03333s
Extinction through shrinking flame-disk
Extinction through Flame-hole and shrinking
flame-disk
Extinction through Flame-hole
ag=14s-1 ag=35s-1 ag=70s-1
0.03333s
0.43333s
0.73333s
0.96667s 0.33333s
0.26667s 0.2s 0.03333s
0.13333s 0.1s 0.06667s 0.03333s
Extinction through shrinking flame-disk
Extinction through Flame-hole and shrinking
flame-disk
Extinction through Flame-hole
Flame-hole
(b)
Fig. 3 Various flame extinction modes at the velocity ratio of 4 for (a) the burner diameters of 18 mm and (b) 26 mm
4, 8 l/min
. Fig. 3 15 s-1
. 40 s-1
. 55 s-1
. 18 26
mm ,
.
Table 1 18 mm 26 mm
Table 1 The classification of flame extinction modes at the curtain flowrate of 8 l/min and the burner diameters of 18 mm and 26 mm
Regime
Global strain rate burner diameter
18mm 26mm
Vr=2
I - -
II - 14 s-1
III - 16-35 s-1
IV - 40 s-1
Turning
point - 35 s-1
Vr=3
I 20 s-1 14 s-1 II 25 s-1 16-25 s-1 III 30-40 s-1 30-35 s-1 IV 45 s-1 40 s-1 Turning
point 40 s-1 35 s-1
Vr=4
I 20 s-1 16 s-1 II 25-30 s-1 18-25 s-1 III 35-50 s-1 30-35 s-1 IV 55 s-1 40 s-1 Turning
point 40 s-1 35-40 s-1
Vr=5
I 25 s-1 -
II 30 s-1 -
III 35-70 s-1 -
IV 75 s-1 -
Turning
point 35-40 s-1 -
. Table 1
18 mm Regime I
, Regime II
. , Regime III
, Regime IV
. 18 26 mm
. 3 18 mm
40 s-1 26 mm
35 s-1 ,
.
Fig. 2 50 mm 1
20 s-1
. Tables 1
regime
. Table 1
regime IV 18 mm
. 26 mm
regime IV .
(3~5)
.
Fig. 2 18 mm
Oppdif Code
, 26 mm Oppdif
. Fig. 2 50 mm
20 s-1 .
Oppdif Code
. ,
Maruta
16 mm Bundy
10 mm
.(3) 26 mm
(4,8)
7 s-1
Maruta Bundy
. Fig. 2 Maruta Bundy
Oppdif Code
. , Oppdif Code
.
Oppdif Code C-
Fig. 2 8-10 s-1
. Fig. 2
. (4,7,8)
. 50 mm
Oppdif Code
Oppdif Code 50 mm
.
4. 결 론
곡선의 소화 특성에 대한 버너 직경의 효과 C-
에 관한 실험적 연구가 수행되었고 다음과 같은 결과들을 얻을 수 있다.
버너 직경에 따라 화염소화 임계질소몰분율과 전
체화염신장율로부터 얻어지는 C-곡선은 상이하게
나타난다 이것은 작은 버너를 사용하는 경우 여전.
히 저신장율의 화염소화에 중대한 역할을 하는 반 경방향 전도열손실의 효과가 크게 작용하기 때문이 다. 18 그리고 26 mm 버너직경을 사용하는 경우 네 가지 화염 소화 모드가 나타나는 점으로부터도 확 인된다 그러나. 26 mm 버너를 사용하는 경우 전환 점과 네가지 화염 소화 모드가 모두 저신장율 영역 으로 이동한다는 점과 화염 길이가 상대적으로 배2 이상 큰 50 mm 버너에서는 겉보기 고신장율 영역 에서 Oppdif code의 계산 결과와 실험 결과들이 일 치한다는 점이 이를 입증하고 있다 또한 미소 중력. 에서 수행된 Maruta 등과 Bundy 등의 실험 결과 역 시 각각 16 mm와 10 mm 버너에서 수행되었고 이 결과들 역시 겉보기 고신장율 영역에서 Oppdif code 의 계산 결과보다 화염소화 임계질소몰분율이 작게 나타나는 점과 기존 연구에서 26 mm 버너에서 무 중력 상태에서 수행된 계산 결과에서4,8 역시 저신장 율 화염의 전형적인 특징인 에지화염 진동이 나타 나는 점으로부터 미소 중력에서도 버너 직경이 작 은 버너로 실험을 수행하면 다차원 효과인 반경방 향 전도 열손실에 의한 영향이 중대하게 나타난다 는 점을 알 수 있다 결국 현재 수행된 실험들과 기. 존 연구들에 결과 분석으로부터 중력 조건에서 의 계산 결과와 일치하는 결과를 얻기 Oppdif code
위해서는 다시 말해, C-곡선의 저신장율 영역이 복 사열손실만의 효과로 규정짓기 위해서는 버너 직경 이 50 mm 이상을 사용해야 함을 알 수 있다 또한. , 미소 중력에서도 저신장율의 화염소화가 복사 열손 실 만에 의해 나타나는 것으로 설명하기 위해서는 기존 연구들에서 사용한 최대 16 mm 버너 직경보 다는 더 큰 버너를 사용해야 한다.
후 기
본 연구는 2008년과 2009년 부경대학교 신임교 수연구지원사업의 연구비를 지원받아 수행되었고 이에 감사를 드립니다.
참고문헌
(1) Maruta, K, Yoshida, M., Guo, H., Ju, Y., and Niioka, T., 1998, "Extinction of Low-stretched Diffusion Flames in Microgravity," Combust. Flame, Vol. 112, pp. 181~187.
(2) Bundy, M., Hamins, A., and Lee, K. Y., 2003,
"Suppression limits of Low Strain Rate Non-premixed Methane Flames," Combust. Flame, Vol. 133, pp. 299~310.
(3) Park, J. S., Hwang, D. J., Park, J., Kim, J. S., Kim, S. C., Keel, S. I., Kim, T. K., and Noh, D.
S., 2006, "Edge Flame Instability in Low Strain Rate Counterflow Diffusion Flames," Combust.
Flame, Vol. 146, pp. 612~619.
(4) Yun, J. H., Park, D. G., Park, J., and Keel, S. I., 2008, "A Study on Tranistion from Isola to Flame Hole in Counterflow Diffusion Flame," submitted to Combust. Flame.
(5) Park, D. G., Park, J., Yun, J. H., Keel, S. I., 2009, “A Study on Transition of Shrinking Flame Disk to Flame Hole at Low Strain Rate Counterflow Diffusion Flames,” KOSCO, in press.
(6) Chelliah, H. K., Law, C. K., Ueda, T., Smooke, M.
D., and Williams, F. A., 1990, "An Experimental and Theoretical Investigation of the Dilution, Pressure and Flow-field Effects on the Extinction Condition of Methane-air-nitrogen Diffusion Flames," Proc. Combust.
Inst.,, Vol. 23, p. 503.
(7) Oh, C. B., Hamins, A., Bundy, M., and Park, J., 2008, "The Two-dimensional Structure of Low Strain Rate Counterflow Non-premixed Methane Flames in Normal and Microgravity," Combust.
Theory Modelling, Vol. 12, pp. 283~302.
(8) Yun, J. H., Park, D. G., Keel, S. I., Park, J., 2009, "Experimental Study on the Behavior of Low Strain Rate Flame Disks in Counterflow Diffusion Flame," Int. J. Spray Combust. Dynamics, in press.
