The characteristics of forced flame response and self-excited flame response were experimentally investigated in comparison with low-order analytic modeling results. Measurements show that the presence of flame-flame interactions has a remarkable influence on the flame transfer/describing functions. Extensive measurements of self-excited oscillations were conducted to examine the simultaneous impact of non-symmetric distributions of swirler location and mean nozzle velocity. Results indicate that the stability map of the whole system is well behaved with respect to the Strouhal numbers, and this is indeed consistent with the single nozzle behavior. Lastly, the flame transfer function data were used for low-order thermoacoustic modeling based on the Helmholtz equation. Model predictions show a good agreement with experimental results in terms of eigenfrequencies and mode shapes.
본 연구에서는 다중 노즐 모형 가스터빈 연소기에서 강제화염응답과 자발화염응답 특성을 확인하고 열음향 모델을 사용하여 연소불안정 현상을 예측하였다. 강제화염응답 계측에서는 화염전달함수와 화염기술함수의 특징을 확인하고 단일 화염과 비교하여 전혀 다른 특성을 확인하였다. 그리고 간섭하는 두 스월 화염에서 각 노즐의 스월러 위치 구배와 평균 입구 유속 구배로 인해 발생하는 화염의 자발화염응답 변화를 계측한 결과, 시스템의 비대칭성이 무조건적으로 화염을 안정화시키지 않으며 오히려 불안정하게 만들 수도 있음을 확인하였다. 앞선 결과를 통해 스트로할 수로 무차원화 된 그래프에서는, 스트로할 수에 대한 단일 화염 결과와 유사한 영역에서 연소불안정 현상이 심화 및 완화되었으며, 이로부터 스트로할 수를 이용한 연소기 특성의 일반화가 유의미함을 확인하였다. 마지막으로, 헬름홀츠 방정식을 이용한 수치해석적인 계산 결과, 실제 실험에서 계측된 연소불안정 주파수와 동일한 값이 도출되었으며, 연소기 길이 변화에 따른 고유주파수의 변화가 계산적으로도 잘 반영되었다. 모드 형상 또한 실험 결과와 일치하였으며, 열음향모델을 이용한 연소불안정 예측 가능성을 확인하였다.
