Recently, carbon-free fuels such as hydrogen and ammonia have received strong attention as a method to effectively reduce carbon dioxide emissions. Ammonia, one of the carbon-free fuels, has some economic advantages over hydrogen. However, using pure ammonia as a gas turbine fuel is limited because of its combustion characteristics, such as low reactivities and high NOx emissions. This study analyzed the characteristics of ammonia/air-premixed flame and the effects of turbulent flows through numerical simulation. First, the 1-D free-propagating laminar premixed flame was simulated with CANTERA[5] software. The simulation used the four chemical mechanisms: Konnov[1], GRI-30[2], Okafor[3], and Song[4], and the simulation results show last two mechanisms predict the ammonia flame characteristics well. The 3-D turbulent simulations were conducted using a DNS code, PeleLM[6]. The simulation conditions are set with an equivalent ratio of 1.2, using Okafor and Song mechanisms, and with each turbulent intensity of 10% and 20%. Due to the influence of turbulence, the flame shows wrinkles, and the amount of NO production and curvature of the flame wrinkle shows a negative correlation.
온실 가스 저감과 탄소 중립의 중요성이 높아짐에 따라 연소 시 발생하는 질소 산화물을 예측하는 것이 더욱 중요해지고 있다. 특히 실제 연소기를 제작하기에 앞서, 모델링 과정에서 CFD를 이용한 질소 산화물 예측을 진행함으로써 많은 시간과 비용을 절감하는 효과를 얻을 수 있다. 일차원 층류 화염에서의 질소 산화물 예측은 화학 반응식을 이용한 가장 간단한 질소산화물 예측으로, 실제 연소 조건의 질소산화물을 예측하는 데에 한계가 있으며, 적지 않은 오차가 발생한다. 직접 수치 모사(Direct Numerical Simulation; DNS) 방법은 난류 유동에 의한 화염의 거동과 정밀한 화학 반응 예측이 가능하다. 본 연구에서는 직접 수치 모사 방법을 사용하여 난류의 영향에 의해 변화하는 암모니아 화염에서의 질소 산화물 생성을 분석하고자 한다. 먼저, 일차원 자유 전파 층류 암모니아-공기 혼합 화염을 4개의 화학종 메커니즘들(Konnov[1], GRI-30[2], Okafor[3], Song[4])을 이용하여 CANTERA[5]로 계산하였고, Okafor 와 Song 메커니즘이 암모니아 화염 특성을 잘 예측할 수 있음을 확인하였다. 난류 시뮬레이션은 DNS 코드 PeleLM[6]을 사용하여 당량비 1.2, 난류 강도 10%와 20%, Okafor 와 Song 조건에서 수행되었다. 난류의 영향으로 화염면에 주름(winkle)이 생기는 것을 확인하였으며, 주름진 화염면의 곡률은 NO 생성량과 음의 상관관계를 보였다.
