Hydrogen-fired gas turbine combustion technology is expected to play a key role in accelerating large-scale energy system decarbonization. However, the high reactivity of hydrogen poses significant challenges in designing safe and reliable gas turbine combustion systems. These challenges include increased NOx emissions, potential risks of detrimental flashback events, and modified thermoacoustic instabilities. All of these aspects are addressed in this doctoral dissertation.
The present work aims to investigate combustion instabilities in lean-premixed hydrogen flames through both experimental and numerical approaches. To address flashback issues in ultrafast lean-premixed hydrogen flames, a multi-element nozzle array is employed, consisting of 293 small-scale injectors, each with a 3.0 mm inner diameter. Various measurement techniques, including high-speed OH$^*$ chemiluminescence imaging, OH planar laser-induced fluorescence, acoustic pressure measurements, photomultiplier tubes, and hot-wire anemometry, are utilized. Additionally, reduced-order thermoacoustic modeling analysis is applied. For the case of forced flame response, Large Eddy Simulation (LES) is performed using the Ansys Fluent CFD solver under both non-reacting and reacting flow conditions, and the results are then compared against experimental data.
The first part of the study investigates self-excited instabilities of lean-premixed pure hydrogen flame ensemble under a broad range of operating conditions. The findings reveal that ultra-compact pure hydrogen flames generate high-amplitude pressure oscillations over a wide range of characteristic frequencies, from 400 to 1800 Hz, corresponding to the third- to tenth-order eigenmodes. Low-frequency flame dynamics exhibit complex interactions between vortices and periodic extinction-reignition processes, leading to large-scale asymmetric oscillations of the entire reaction zone. Intermediate-frequency dynamics display symmetric oscillations with flame merging and pinch-off, without interactions between constituent flames. High-frequency instabilities, surprisingly, are not influenced by structurally complex flame dynamics but instead exhibit a simple back-and-forth motion. This suggests that densely distributed lean-premixed hydrogen-air flames can sustain unstable combustion across a broad spectrum of time scales by modifying the spatiotemporal evolution of the flame ensemble.
The second part of the study focuses on understanding the effect of hydrogen content on the thermoacoustic and emission characteristics of multi-element lean-premixed hydrogen/methane/air flames. The results indicate that the system’s response can be classified into several distinctive stages based on their static and dynamic stabilities. These stages include flame blowoff and thermoacoustically stable regions under relatively low hydrogen conditions, low-frequency instabilities at intermediate hydrogen concentration, and the triggering of intense pressure perturbations at approximately 1.7 kHz under high or pure hydrogen conditions. While the flame dynamics subjected to the lower hydrogen concentrations are described by axisymmetric longitudinal motions of parallel flame fronts, the response of higher hydrogen content flames is more pronounced in the transverse direction, accompanied by small-scale vortex roll-up and flame surface annihilation. The longitudinal-to-transverse dynamics plays a mechanistic role in accommodating higher-frequency heat release rate fluctuations, and this newly identified mechanism suggests the possibility of high-frequency transverse modes if such lateral motions are strong enough to induce inter-element flame interactions. Contrary to the substantial differences in thermoacoustic properties for different fuel compositions, the total nitrogen oxides emissions primarily depend on the adiabatic flame temperature.
The final part of the study employs an integrative approach, combining loudspeaker-forced direct measurements and LES-based numerical simulations, to explore the dynamic response of multi-element lean-premixed hydrogen flames to harmonic velocity perturbations. The electronically-excited OH intensity distribution, generally assumed to be equivalent to the flame’s heat release rate, shows an anchored conical reaction zone. However, numerical simulations of heat release rate contours reveal the formation of a more concentrated thin annulus region created by preferential diffusion of hydrogen molecules. These results highlight discrepancies between OH intensity distribution and heat release rate contours, suggesting uncertainties in surrogate-dependent flame transfer function evaluations. By employing a reduced-order network modeling framework, the accuracy of predicting self-excited instabilities is tested, and LES-based transfer functions provide more accurate predictions of system stability compared to measurements. This study also identifies moderate transverse oscillation of local energy-concentrated regions as pivotal processes controlling high-frequency hydrogen combustion dynamics.
Taken together, the combustion instability phenomenon arising from the coupling between turbulent flames and the acoustic field of the system exhibits significant nonlinear characteristics, emphasizing the importance of acquiring experimental data using a well-designed laboratory setup. The current experimental and numerical investigations provide valuable insights into the dynamics of clustered hydrogen flames under a wide range of operating conditions. These findings are expected to serve as fundamental knowledge for effectively managing high-frequency instabilities in future hydrogen-fired gas turbine engines.
에너지 산업의 탄소중립 달성을 위한 핵심 기술로 수소 가스터빈이 주목받고 있다. 하지만 안정적으로 운용 가능한 시스템을 개발하기 위해서는 수소의 높은 반응성에서 비롯되는 여러 기술적 난제들을 극복해야 한다. 대표적으로 화염 역화, 열음향 불안정성, 질소산화물 증가와 같은 문제들을 학위 논문에서 중점적으로 다루었다.
본 연구에서는 군집 예혼합 수소 화염의 연소불안정 현상을 실험적/수치적 기법을 통해 조사하였다. 빠른 화염 전파속도를 갖는 수소의 역화 발생을 방지하기 위해 내경 3.0 mm의 소형 인젝터 293개로 구성된 다중노즐 배열을 설계하여 실험에 적용하였다. 고속 OH$^{*}$ 자발광 이미지, OH 평면 레이저 유도 형광법, 음향 압력 섭동, 광증배관, 열선 유속계 등의 다양한 실험적 기법과 더불어 저 차원 열음향 모델링 분석을 수행하였으며, 이를 통해 수소 화염의 자발 불안정 현상 및 외부 가진에 대한 화염 응답을 살펴보았다. 특히 가진 화염 응답의 경우 Ansys Fluent CFD 솔버를 이용한 대와류 모사(LES) 기반의 수치 해석을 통해 비반응 및 반응 유동장을 분석하고 이를 실험 결과와 비교하였다.
먼저 군집 예혼합 수소 화염의 자발 불안정성을 조사하기 위해 광범위한 운전 조건에서 실험을 수행하였다. 실험 결과, 수소 화염은 매우 좁은 반응 영역에서 존재하며, 종 방향 3차부터 10차 고유모드에 해당하는 400 부터 1800 Hz 사이의 넓은 주파수 범위에서 강한 압력 섭동을 나타냈다. 낮은 주파수에서는 와류 간의 복잡한 상호작용과 주기적인 소염 및 재점화 현상으로 인해 전체 반응장에 대규모 비대칭 거동이 관찰되었다. 불안정 주파수가 증가함에 따라 개별 화염들은 독립적으로 움직이기 시작하며, 양쪽 화염 면이 합쳐진 후 다시 분리되는 핀치 오프 현상이 모든 화염 면에 균일하게 나타났다. 수소 화염에서 특징적으로 관찰되는 고주파/고진폭 불안정 섭동은 구조적으로 복잡한 화염 거동 대신 길이 방향으로 가장 단순한 움직임을 통해 발생하였다. 해당 결과는 수소 화염이 다양한 형태의 군집 거동을 통해 넓은 주파수 스펙트럼에서 불안정을 유발할 수 있음을 보여주며, 특히 고주파 수소 화염의 동역학을 실제 실험을 통해 관찰한 것에 의의가 있다.
다음으로 군집 예혼합 수소/메탄/공기 화염의 수소 혼소율을 0\% 부터 100\% 까지 변화시키며 열음향 불안정성과 배기 배출 특성을 확인하였다. 혼합물의 수소 농도가 증가함에 따라 시스템은 여러 단계의 정적 및 동적 상태를 나타냈으며, 비교적 낮은 농도의 수소 혼소 시 발생하는 화염 날림 현상과 열음향 안정 구간으로 시작으로, 중간 수소 농도에서는 저주파 불안정성을, 고농도 혹은 순수 수소 조건에서는 약 1.7 kHz에 해당하는 높은 불안정 주파수에서 강한 압력 섭동을 발생시켰다. 혼합물의 수소 농도가 증가함에 따라 개별 화염의 동역학은 축 대칭의 종 방향 운동으로부터 작은 스케일의 와류 롤업과 화염 면의 소염을 동반한 횡 방향 움직임으로 변화하였다. 이를 통해 종 방향에서 횡 방향으로의 전환되는 수소 화염의 동역학이 고주파 열음향 불안정성을 야기시키는 주요 메커니즘임을 규명하였다. 또한 해당 결과는 시스템에 충분한 에너지가 공급될 경우 화염-화염 간 상호작용을 통해 kHz 단위의 횡 방향 불안정으로 성장할 수 있는 가능성을 시사한다. 수소/메탄 화염의 열음향 특성은 연료 조성에 따라 상당한 차이를 나타낸 반면 질소산화물 배출량은 단열 화염 온도에 지배적인 영향을 받는 것으로 확인되었다.
마지막으로 라우드스피커 기반의 가진 실험과 LES 기반의 수치 해석을 결합하여 외부 음향 가진에 대한 군집 수소 화염의 응답을 조사하였다. OH 강도는 일반적으로 화염의 열 방출 분포와 동일하다고 가정되며, 실험에서는 원뿔 형태의 반응 영역으로 확인되었다. 반면 수치해석을 통해 획득한 열 방출 분포는 수소 분자의 빠른 확산으로 인해, 얇은 두께의 반응 영역을 갖는, 화염 끝이 열린 원기둥 형태로 관찰되었다. 실험과 해석 간 이러한 열 방출 분포의 차이는 대리 변수를 통해 획득하는 화염전달함수 계측의 불확실성을 암시한다. 이후 저 차원 열음향 네트워크 모델링 기법을 도입하여 시스템의 불안정 구간을 예측하고, 실험을 통해 계측한 자발 불안정 구간과 비교하였다. 실험을 통해 계측한 화염전달함수보다 LES 기반의 화염전달함수가 더 높은 정확도로 불안정을 예측하였으며, 따라서 수치해석에서 관찰한 열 방출 분포가 실제에 더 가까운 것으로 사료된다. 화염의 열 방출 분포는 국부적 차이가 존재했지만 고주파 가진 환경에서 수소 화염의 응답은 좁은 영역에 집중된 화염의 횡 방향 움직임으로 실험과 해석에서 동일하게 관찰되었다.
난류 화염과 시스템 음향장의 공진 결합으로 발생하는 연소불안정 현상은 상당한 비선형 특성을 내포하고 있어 실험 데이터의 확보가 매우 중요하다. 본 연구 결과는 광범위한 운전조건에서 군집 수소 화염의 거동을 실험 및 수치해석을 통해 고찰하였다는 것에 의의가 있으며, 향후 수소 가스터빈 개발에 있어 고주파 불안정성 제어를 위한 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.
