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미소 농도구배에 따른 삼지화염의 부상특성에 관한 연구 = A Study on Lift-off Characteristics of Triple Flames with Infinitesimal Fuel Concentration Gradients
서명 / 저자 미소 농도구배에 따른 삼지화염의 부상특성에 관한 연구 = A Study on Lift-off Characteristics of Triple Flames with Infinitesimal Fuel Concentration Gradients / 서정일.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2008].
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A triple flame in a mixing layer was studied experimentally with small concentration gradient and uniform mean velocity by using a multi-slot burner, which can stabilize the lifted triple flame especially at very small concentration gradient. Firstly, effects of the concentration gradient and mean velocity on the triple flame have been studied in open condition (without a diverging channel). Flame stabilization conditions were examined and the lift-off heights of the triple flame were measured for the methane and propane flames. Hot-wire anemometer was used to measure the velocity distributions. A mass spectroscopy (for methane) and the Rayleigh scattering method (for propane) were used to measure the concentration gradients. Lift-off height of triple flame has minimum value during the increase of concentration gradient. OH-radical distribution was measured with LIF method and velocity variation along stream was measured with PIV system. Propagation velocity of triple flame was estimated from blow-off conditions. As a result, the propagation velocity of a triple flame is much larger than the laminar burning velocity of a stoichiometric premixed flame. Contrary to previous results that the propagation velocity usually decreases as the concentration gradient increases, propagation velocity of a triple flame is maximized at a certain concentration gradient (critical concentration gradient). Additionally maximum temperatures along stream were measured with CARS technique. Flammable limit of premixed gas and the diffusion flame affect on the propagation velocity of triple flames in the region of very weak concentration gradient. In other words, there is a maximum propagation velocity at a critical concentration gradient coupled with the enhancement of a diffusion flame. Secondly, the effect of fuel dilution with nitrogen on the propagation of triple flames was studied experimentally. Three fuel compositions diluted with nitrogen ($N_2$ 0\%, 25\%, and 50\% dilution) were employed. Th0e lift-off height and OH-radical of the flames were measured using an intensified CCD camera and an OH-PLIF scheme. Regardless of the fuel dilution ratios, the lift-off height of the triple flames exhibited U-shaped trends with a minimal value during the increase of the concentration gradients. This implies that the propagation velocity is maximized at a specific concentration gradient (critical concentration gradient) regardless of the fuel dilution. Overall, the propagation velocity of the triple flame was reduced by the fuel dilution, and the fuel dilution weakly affected the generation of the diffusion flame. The OH-radical in the diffusion flame became prominently active at the critical concentration gradient and these phenomena were more clearly detected at the higher fuel dilution ratios. The three modes of the OH-radical decrease in a streamwise direction were discussed regarding the relation of the diffusion flame to the propagation velocity of the triple flames. It is suggested that the effect of the diffusion flame on the propagation velocity of triple flames needs to be reconsidered, especially when the concentration gradient is small. Lastly, this study also investigates how a confined flow field (with a diverging channel) affects the structure of a triple flame. The mean velocity and the concentration gradient were controlled by a multi-slot burner. And laser diagnostic methods were used to measure the lift-off height, the velocity variation, the OH-radical, and the temperature variation. Even in a confined geometrical space, the existence of the maximum propagation velocity was confirmed. Moreover, the critical concentration gradients in a confined channel were larger than those in an open jet case; that is, the role of the diffusion flame at the maximum propagation velocity becomes more significant in a confined structure due to the enhanced convective diffusion. This result shows the importance of the diffusion flame in a confined (or squeezed) stream tube.

자동차 엔진이나 산업용 연소기에서 흔히 발생하는 부분 예혼합 상태나 불균일 농도장을 단순 모델화해서 균일 유동장에 대한 선형적인 연료 농도구배(연료 혼합의 불균일성)를 가진 혼합층을 다중슬롯 버너로 구현하였다. 이 버너를 이용해 매우 낮은 연료 혼합의 불균일성(농도구배)에서도 부상화염을 형성하여 균일한 평균 유속과 연료의 농도구배가 삼지화염의 부상특성 및 전파속도에 미치는 특성에 관하여 연구하였다. 유동장의 강제 경계층을 모사할 수 있는 채널을 노즐 끝단에 설치하여 필요에 따라 채널 각도의 조절성과 탈부착이 가능한 특징을 가지고 있다. 먼저 채널이 없는 경우, 메탄과 프로판에 대해 연료 농도구배가 매우 작은 경우에 대해 집중적으로 실험을 행하여 화염의 안정화 선도와 화염의 부상 높이를 계측하였다. 그리고, 여러 계측 장비와 레이져 분석 장비를 이용해 화염의 부상특성 및 전파특성을 파악하였다. 예를 들어, 열선유속계(hot-wire anemometer)와 PIV를 통해 반응장과 비반응장의 속도를 계측하였고, 질량분석계(mass spectroscopy)와 Rayleigh scattering method을 이용하여 각각 메탄/공기 와 프로판/공기의 공간상의 농도장을 측정하였다. 이러한 속도장과 농도장을 토대로 연료 혼합의 불균일성을 대표하는 연료의 농도구배를 구할 수 있었다. 메탄과 프로판 삼지화염의 경우 연료농도구배의 증가에 따라 화염의 부상높이가 감소하면서 최저점에 도착 후 증가하는 경향을 보였다. 기존의 선행 연구자들과 다르게 본 연구에서는 삼지화염의 전파속도를 새롭게 정의하였다. 즉, 실험을 통해 획득한 안정화 선도에서 화염날림(blowout) 조건으로부터 예측하였으며 이를 선행 연구자들의 이론치와 실험적 결과들과 비교하였다. 그리고, 수치해석(Chemkin, Fluent)을 통해 실험 결과를 검증하였는데 본 연구에서 특이한 것은 삼지화염의 전파속도가 연료의 농도구배에 따라 변할 때 최대값이 존재함을 실험적으로 증명하였다. 이러한 삼지화염의 부상특성은 연료의 농도구배에 따른 화염의 부상높이 변화를 통해서도 정성적으로 확인할 수 있었다. 특히, 부상높이의 최소값의 존재는 삼지화염의 전파속도의 최대값이 존재함을 말해 주는 것으로 이러한 원인으로 기존의 선행 연구에서 고려되지 않은 확산화염의 강도 증가가 삼지화염의 전파속도가 최대가 되게 함을 보고하였고, 이를 레이저 계측장비인 OH-PLIF와 CARS 시스템으로 OH-radical과 화염의 온도의 증가를 통해 실험적으로 증명하였다. 이 결과로부터 삼지화염의 전파속도가 최대가 되는 임계 연료농도구배(critical concentration gradient)를 기준으로 예혼합 화염(premixed flame)과 전형적인 삼지화염(typical triple flame)을 구분하는 새로운 지표를 제시하였다. 유동장의 강제 경계층을 모사하는 단면 확장 채널(diverging channel)을 노즐 후단에 설치하여 경계조건 변화에 따라 삼지화염의 부상특성 및 전파속도에 미치는 영향도 추가적으로 연구하였다. 실험 결과 채널의 존재 유무에 관계없이 메탄과 프로판 삼지화염의 경우, 연료의 농도구배의 증가에 따라 화염의 부상높이가 감소하면서 최저점에 도착 후 다시 증가하는 경향을 보였다. 즉, 경계조건의 변화에도 불구하고 삼지화염의 전파속도의 최대값이 존재함을 알 수 있었고, 전파속도가 최대가 되는 임계 농도구배는 채널이 없는 경우보다 채널이 존재할 때 더 큰 값을 가짐을 알았다. 이는 희박/과농 예혼합 화염 후단에서 발생하는 대류확산이 채널이 존재할 때 더 활발하게 나타나기 때문이며, 이도 레이저 계측(OH-PLIF와 CARS system)을 통해 검증하였다. 마지막으로 환경문제에 능동적으로 대비하기 위해 배기 가스 재순환이나 다단 연소시 추가되는 산화제를 모델화해서 질소 희석율에 따른 부상화염의 안정화 특성에 관심을 가지고 접근해 확산화염의 강도 증가를 좀 더 명확하게 관찰하였다. 또한 레이져 계측을 통해 OH-radical이나 CH-radical의 측정 결과 선행 연구자가 관찰한 예혼합 화염대과 확산화염대의 분리 및 확산화염에서의 두 개의 피크치를 보임을 서로 비교하고 이에 따른 삼지화염의 전파속도 변화를 연구하였다. 이러한 연소 분위기의 변화에 따른 연소 특성 변화의 관찰을 통해 화염의 안정화 특성과 연소 가스의 배출특성을 관찰하였다. 이 연구를 통해 얻어진 연구 결과들은 향후 배기 가스 재순환 시스템이나 CO2 혼합에 따른 연소 및 배출 가스의 특성을 개선한 신 연소 시스템의 기초적이면서도 핵심적인 연구결과가 될 것으로 생각됩니다.

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청구기호 {DME 08021
형태사항 xiii, 125 p. : 삽화 ; 26 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Jeong Il Seo
지도교수의 영문표기 : Hyun Dong Shin
지도교수의 한글표기 : 신현동
수록잡지정보 : "An experimental study of the fuel dilution effect on the propagation of methane-air tribrachial flames". Combustion and Flame,
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 참고문헌 : p. 104-107
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