An experimental investigation has been made with the objective of studying mixing mechanism near the nozzle exit in a tone excited non-premixed jet flame. Excitation of the jet is done by introducing acoustic disturbances produced by a loudspeaker mounted coaxially beneath the fuel nozzle. The excitation frequencies are chosen to the two cases of the resonant and non-resonant frequency identified as a pipe resonance due to acoustic excitation. The effect of different sinusoidal excitation conditions on mixing pattern near the nozzle exit and flame is visualized using various techniques, including schlieren photograph and laser light scattering photograph from $TiO_2$ seed particles. The effect of the excitation frequency and the excitation amplitude on the appearance of the flame are discussed. In order to clarify the details of the flame feature observed by visualization methods, phase-averaged velocity measurements are carried out. Velocity data near the exit and just upstream of the jet are presented. Excitation at the resonant frequency makes "a collapsable mixing" near the nozzle even for a laminar jet. In this case, the fuel jet flow in the vicinity of nozzle exit breaks up into disturbed fluid parcels.
Results are presented at two conditions for which added frequencies are of the resonant case and the non-resonant one, and analyzed to identify the interplay between the flame length and the mixing pattern just outside the nozzle exit.
From the visualizations, the behavior of jet flame being excited by the resonant frequency of experimental apparatus is greatly different from that of the non-resonant frequency. It is seen that the effect of the resonant frequencies significantly influences the flame length. When the jet is excited at the fundamental resonant frequency and its harmonic frequencies, much variation of the velocity has occurred all over the nozzle and vortex with large strength exist. It is also found that for some phase of excitation, the jet diameter very near the nozzle exit becomes gradually smaller and the stretched jet flow near the exit is being entrained by the instantaneous velocity, which has already been amplified abruptly due to the resonant frequency of excitation. It is clear that the unsteady separation of jet inside the tube has occurred and a partially premixed jet is being accomplished when the front of the accelerating flow toward the downstream, due to acoustic excitation, catches up with the separation point occurring at the wall inside the nozzle.
From the velocity measurement and simplified analytical solution, the experimental data is found to be in qualitative agreement with the analytical results. Velocity overshoots in phase-averaged velocity distributions are confirmed and their peaks are located near the tube wall. It is also found that the magnitude of unsteady part of the velocity for the case of the resonant frequency is properly larger than that of the non-resonant case and the location of velocity acceleration in the case of the resonant frequency is closer to the tube wall.
Based on the aforementioned results, it is considered that the flow characteristics were already determined at the inside of the tube. Especially if the flow is excited at the resonant frequency, the flow feature determined at the inside of the tube affects the enhancement of mixing mechanism in the vicinity of the nozzle.
본 연구는 연료분출구의 상류유동을 특정의 가진 주파수로 가진 (excitation)하므로써 비 예혼합 제트화염(non-premixed jet flame)의 출구 근방에서 나타나는 특이한 혼합구조 및 화염특성을 밝히는데 그 목적이 있다. 이 특이한 현상은 가진(excitation)의 한 주기 동안 연료 분출구 내부의 벽으로부터 박리(separation)가 발생하여 주기적으로 이 동하게 되는 것과 연관되어 있는 것으로 생각된다.
본 연구에서는 연소가 없는 유동장 및 연소 유동장의 거동을 관찰하기 위하여 순간 슈리렌 사진(spark schlieren photograph)이 사용되었으며, 연료분출구 근방의 유동 및 상류의 관내에서 발생하는 비정상 박리(unsteady separation)를 관찰하기 위하여 사염화티타늄($TiCl_4$)의 반응을 이용한 직접사진을 촬영하였다. 한편 가시화 결과를 정량적으로 확인하기 위하여 열선풍속계를 사용하여 제트의 출구 근방 및 상류단면의 속도를 가진 위상(phase of excitation)에 따라 측정하여 위상평균한 속도 (phase-averaged velocity)를 제시하였다.
또한 가진주파수 및 가진진폭이 화염형상에 미치는 영향이 검토되었고, 연료분출관의 공명주파수(resonant frequency)및 비공명 주파수(non-resonant frequency)의 두가지 경우에 대한 유동특성 및 화염특성이 토의 되었다. 특히 공명주파수로 유동이 가진되었을때 출구 근방의 혼합구조에 연구가 집중되었다.
한편 스피커에 의해 가진된 맥동류가 비교적 긴 연료분출관을 지나서 출구로 나오게 되는 실험계를 단순화시켜, 무한관 유동의 지배방정식을 사용하고, 유한관에서 음파(acoustic wave)가 지나갈 때 유한관의 출구에서 생성되는 압력구배를 이용함으로써, 관내의 속도를 예측하는 간단한 이론해를 구하였고, 실험결과와 정성적인 비교를 수행하였다.
결국, 본 연구에서는 스피커에 의해 발생된 음파로써 관내의 유동에 주기적인 압력변동을 유발시켜 연료분출구 부근에서의 혼합특성과 연소화염 특성을 관찰하고, 단순화된 해석적 모델에 의한 이론해와 실험결과를 비교 하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
화염의 형상 및 유동장은 가진주파수에 따라 변화하며, 연료분출관의 공명효과에 의해 민감하게 영향을 받는 것으로 생각된다. 비공명주파수로 가진을 받고 있는 연소장의 경우, 화염은 연료분출구에 부착되어 있으며, 화염대와는 별도로 그 내부에 와동이 존재한다. 한편 출구유동은 음의 압력구배 및 양의 압력구배를 번갈아 받으면서 속도의 변화가 주기적으로 나타나게 되고, 특히 출구의 벽 근처에서는 관 중심에 비해서 상대적으로 약간 큰 속도구배가 존재하여, 이의 영향으로 주기적인 와동이 생성됨을 알 수 있었다.
공명주파수로 유동장을 가진하면 비공명 가진의 효과가 증폭되어, 벽면 근방의 순간속도 변동이 관 중심부에 비해 더욱 크게 변동하고, 벽면 근처에서 유동의 국부가속(local acceleration)이 발생하여 속도초과(velocity overshoot)현상이 나타난다. 이것은 음파가진에 의한 압력변동의 영향이 공명주파수 가진으로 인하여 큰 압력구배를 유발하여 속도변동을 증폭시키게 되어 벽면근처에서 국부가속이 나타난 것으로 생각된다.
공명주파수로 가진을 받고 있는 유동장의 혼합기구를 관찰하여 보면, 양의 압력구배에 의해 외부 유체가 유입되면서 관내에서 박리 (separation)가 생성되어 점차 상류로 진행한다. 유입되어진 외부유동은 순간적으로 정체상태를 유지한 후, 음의 압력구배의 영향으로 벽면 근처에서 국부가속이 나타나게 되고, 벽면 근방을 따라서 도너츠형의 강력한 와동이 생성되면서 이미 유입되어져서 순간적으로 정체되어 있는 외부유체와 연료분출부의 출구 근방에서 충돌이 일어나서 갑작스런 붕괴에 의한 혼합(collapsable mixing)이 나타난다. 이로 인하여 분출된 연료와 유입된 주위공기는 부분적으로 예혼합제트(partially premixed jet)를 형성하게 되어 난류화(turbulent-like)된 화염의 모습을 가지면서 노즐 근방에서 화염대의 폭이 넓어지고, 아울러 청염(blue flame)의 영역이 넓게 안정되게 존재하게 되는 것으로 생각된다.
단순화된 해석적 모델에 의한 이론해와 실험결과를 비교하여 보면, 노즐출구를 벗어난 유동장 및 연소장의 혼합특성은 관내의 유동이 받은 가진 효과에 직접적으로 영향을 받게 되고, 특히 관의 공명주파수에 의한 가진은 유동장을 판이하게 변화시켜 화염길이의 축소를 수반하게 됨을 알 수 있었다.
이상의 결론을 종합해 보면, 연료분출부의 상류(upstream)에서 주기적인 압력변동을 받고 있는 유동이 공명주파수와 같은 특정의 가진효과를 갖는 주파수로 가진되면 유입율(entrainment rates)및 혼합율(mixing rates)이 증가되어 연소효율의 증대가 예측되고 화염길이의 축소를 유발하게 된다. 따라서 스피커 구동에 의해 생성된 음파가 상류 유동장을 가진 함으로써 출구영역 및 하류 유동장 및 연소장을 제어할 수 있을 것으로 생각되어 진다.