The effect of swirl flow structures on combustion dynamics of two interacting, lean-premixed flames was experimentally investigated, with a particular emphasis on swirl numbers and swirl rotational directions. Self-excited combustion instability measurements were performed over a broad range of operating conditions to examine thermoacoustic characteristics of the unstable system. A fully premixed CH4/air flame with an equivalence ratio of 0.65 and an inlet temperature of 200 degree C was chosen for detailed characterization. Multiple combinations of swirlers in each nozzle were tested in terms of swirl numbers (0.45, 0.65, 0.75) and swirl rotational directions (either co-rotating or counter-rotating). Results show that the amplitude of limit cycle oscillations is very sensitive to the combination of swirl numbers and swirling arrays in a highly nonlinear manner, while the instability frequency remains nearly unchanged. The counter-rotating cases show significantly lower pressure perturbations, and this behavior appears to be related to the formation of a compact interacting zone with higher heat release rate, indicating the presence of increased flame surface wrinkling. Phase-synchronized CH* emission images indicate that the dynamics of the counter-rotating flames are characterized by a strongly merged central ‘heart flame’, which enables the interacting zone to remain merged during a period of limit cycle oscillations. Furthermore, it is shown that the flame with a higher swirl number generates higher heat release rate perturbation. This result is associated with the alteration of the flame-flame interacting region due to the asymmetric swirl number combination. Under some inlet conditions, however, counter-rotating swirl flames exhibit a extremely large pressure oscillation, which is accompanied by a rapid change in limit cycle frequency. This behavior is turned out to be a subcritical bifurcation phenomenon. Spectrogram, phase portrait, and recurrence plotting methods were employed to understand the nature of this transient behavior. The system’s state is characterized by either a broadband spectrum or a narrowband distinct peak, depending on the degree of destabilization and the number of system’s attractors.
본 연구에서는 두 개의 노즐을 갖는 희박 예혼합 모델 가스터빈 연소기를 이용하여 스월유동 특성이 화염 간 상호작용에 미치는 영향에 대해 탐구하였다. 두 노즐의 스월 수와 스월 방향 조합을 변수로, 연소기 길이를 1200 mm 에서 1800 mm 까지 변화시키며 광범위한 자발 연소불안정 계측을 수행하였다. 그 결과 시스템의 연소불안정 현상이 노즐의 스월 특성에 매우 민감하고 비 선형적인 영향을 받는 것이 확인되었다. 또한 역방향 스월 방향 조합의 경우 모든 스월 수 도메인에서 동방향의 경우보다 낮은 음향 압력 섭동의 크기를 보였다. 이는 전체 시스템 중, 노즐 하나의 방향만을 바꾸는 것으로 효과적인 연소제어가 가능하다는 것을 의미하는 결과이다. 또한 역방향 스월의 경우 화염간 상호작용 구간이 좀 더 좁고 날카로우며 상류에 위치하는 모습을 보였으며, 이는 난류강도의 증가가 원인인 것으로 보인다. 이러한 거동의 차이를 더 자세히 알아보기 위해 CH* 위상동기 사진을 촬영하였다. 역방향 스월의 경우 중앙의 상호작용 구간에서 확연한‘하트모양 화염’이 두 노즐의 개별 화염을 강력하게 붙잡아 시간에 따른 총 화염 면적의 변화가 적었다. 반면 동방향 스월의 경우 두 화염이 개별적으로 거동하며 화염 면적의 급격한 변화가 나타났다. 스월 수 조합에 대한 영향 역시 탐구되었다. 두 노즐의 스월 수가 다를 경우, 스월 수가 큰 노즐의 화염이 동일한 유동 섭동에 대해 더 큰 열 방출율 섭동이 나타나는 것을 확인했다. 이는 스월 수의 차이에 따른 개별 화염의 형상 변화가 화염간 상호작용 구간의 양상을 변화 시키면서 야기되는 결과이다. 더 큰 스월 수의 경우 화염이 더 넓게 벌어지고 상류로 붙는 형태를 나타낸다. 이 때문에 상대적으로 스월 수가 작은 노즐의 화염에도 직접적인 영향을 주게 되어 전체 시스템의 열 방출율 섭동을 키우게 된다. 한편 역방향 스월유동 조건에서 스월 수가 두 노즐 모두 0.45 일 때, 낮은 빈도로 급격한 비선형적 거동이 나타났다. 이 현상이 발생할 경우 연소불안정의 세기가 급격하게 증가하고 불연속적인 주파수의 변화가 나타난다. 분석 결과, 이 현상은 준임계 분기현상으로 판명되었다. 시간의 흐름에 대해 주파수 영역에서 연소불안정의 세기를 나타낼 수 있는 스펙트로그램 분석 기법과, 시스템의 어트랙터를 파악할 수 있는 위상궤적 방법, 그리고 시간 도메인 데이터를 이미지화 하는 리커런스 플롯을 통해 분석을 진행했다.
