We first examine combustion instabilities in lean fully-premixed hydrogen-air flames in a mesoscale multinozzle array; little is currently known about how these flames respond to acoustic perturbations. Several measurement techniques, including phase-synchronized OH* chemiluminescence imaging, OH Planar Laser Induced Fluorescence, acoustic pressure, and the two-microphone method, are used, together with reduced-order acoustic modeling, to identify the key physical properties of lean-premixed hydrogen-air flames, in comparison with lean-premixed methane-air flames. We show that extremely compact lean-premixed hydrogen flames are preferentially coupled to higher eigenmodes of a given system, L3 – L6, including approximately 1 kHz high-frequency instabilities, while the instabilities of methane-air flames are predominantly limited to the first longitudinal mode under the same range of operating conditions. This is attributed to the fact that the dynamics of the methane flames are governed by the collective motion of constituent flames, involving a complex process of the emergence, convection, and interaction of large-scale structures. By contrast, the hydrogen flames in the multinozzle configuration oscillate in isolation within a very short distance and without strong flame-to-flame interactions. This is particularly suitable for accommodating high-frequency heat release modulations. The triggering of intense sound generation from lean-premixed mesoscale hydrogen flames is correlated strongly with a combination of flame surface destruction due to front merging and the flames’ close proximity to a pressure antinode. These results, for the first time, highlight the key features of self-excited combustion instabilities of mesoscale multinozzle hydrogen-air flames in a well-controlled laboratory-scale experiment, and could pave the way for future carbon-neutral gas turbine combustion technology. In addition, local structures of lean fully-premixed hydrogen-air flames in a mesoscale multinozzle array were studied in a tunable combustion test facility, using instantaneous OH PLIF measurements and subsequent image processing techniques. We observe that under thermoacoustically stable conditions, pure hydrogen flame ensemble takes on a conical structure and they are stabilized in isolation without strong flame-to-flame interactions. Under unstable conditions, however, marked flame front deformation and cusp formation occur due to high amplitude velocity fluctuations. Our curvature calculation results revealed that the probability density function distribution is characterized by a negative average value, meaning that the formation of concave contours towards reactant mixture is more pronounced in lean-premixed pure hydrogen combustion environment.
Then, we present combustion dynamics of lean-premixed multislit hydrogen-air flames, with the aim of addressing some of the central technical problems associated with the development of low-emission carbon-free gas turbine combustion technology. To mitigate flashback risk in relatively fast premixed hydrogen flames, we use a multislit injector assembly with a slit width of 1.5 mm, of the same order of magnitude as the characteristic thickness of lean-premixed hydrogen flames. This new perspective on the characteristic nozzle dimension makes it possible to scrutinize the dynamics of multisheet hydrogen flames under extreme conditions. We carry out extensive measurements of self-excited pressure oscillations over a broad range of operating conditions between 30 and 100 kW thermal power. The experimental datasets are analyzed using the acoustic wave decomposition method, low-order thermoacoustic network modeling, and FEM-based three-dimensional Helmholtz simulations. We show that lean-premixed multislit hydrogen flames – unlike the multi-element hydrogen-air flame ensembles considered in our earlier investigations – undergo strong high-frequency pressure oscillations between 3.1 and 3.5 kHz in excess of 25 kPa, originating from the triggering of the first tangential mode of the combustion chamber. Whereas the frequency of the first tangential mode is well defined by the square root dependence of adiabatic flame temperature, the magnitude of pressure fluctuations is observed to be intensified exponentially with increasing flame temperature up to 2200 K. We demonstrate that the transverse mode is characterized by high-amplitude spinning modes in the clockwise direction under relatively short combustor length conditions, discontinuously switching to counter-clockwise spinning modes at relatively long combustor length, and eventually transitioning to a moderate standing wave mode at the same resonant frequency. Lastly, we studied the influence of radial slit components on the development of high-frequency transverse instabilities and found that the growth of transverse thermoacoustic instabilities is closely related to the thermal power supplied to the system under the same adiabatic flame temperature rather than the mean nozzle velocity. A sufficient energy supply makes it possible to establish well-defined limit cycle oscillations, but the absence of radial flame sheets affects the transverse modal dynamics. Especially for the standing mode, the preferred orientation of pressure nodal lines is considerably changed due to the reconstructed heat release distribution. These observations demonstrate the previously unidentified complex modal dynamics induced by multislit channel dimensions comparable to the characteristic length scale of the flame.
본 논문에서는 메조스케일 다중노즐 배열에서 희박 예혼합 수소 화염의 연소불안정을 시험해보았다. OH* 자발광 이미지 계측을 비롯하여, OH 평면 레이저 유도 형광법 (PLIF), 음향 압력 섭동, 이중 마이크로폰 방법 등의 실험적 기법에 더해 저 차원 음향 모델링을 활용함으로써, 희박 예혼합 수소 화염의 주요한 물리적 특징들을 메탄 화염과 함께 비교해보았다. 실험 결과, 매우 좁은 반응 영역을 갖는 희박 예혼합 수소 화염은, 길이 방향 1차 모드에 집중적으로 결합하는 메탄 화염과 달리, 주로 길이 방향 3차 ~ 6차 모드의 더 높은 고유모드에 결합하는 것을 확인할 수 있었으며, 특정 조건에서는 1 kHz의 고주파 연소불안정이 발생하였다. 메조스케일 다중노즐 메탄 화염은 개별 화염들이 화염 간섭을 통해 하나의 거대 화염 구조를 이루게 되었고, 병합된 화염면의 분리 부착에 의해 연소불안정이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 반면 다중노즐 수소 화염은, 화염-화염 상호작용 없이 모든 화염이 개별적인 반응 영역을 가지며 독립적으로 거동하였는데, 이러한 수소 화염의 구조적 특성은 시스템이 고주파 연소불안정 모드에 쉽게 결합될 수 있게 하는 주된 원인이 되었다. 또한, 메조스케일 수소 화염에서 발생하는 강력한 연소 진동과 소음은 화염 형상과 밀접하게 연관되어 있으며, 길이 방향 모드의 배(antinode)에 위치한 화염면이 병합 및 소멸하는 과정에서 발생하는 것으로 추측된다. 또한, 메조스케일 노즐에서 희박 예혼합 수소 화염의 구조를 OH PLIF 이미지 계측과 그에 대한 이미지 분석 기법을 활용하여 통계적으로 분석하였다. 곡률 계산 결과에 따르면 안정 화염 곡률의 확률밀도함수가 음의 평균값을 가지는데, 이는 수소 화염의 높은 반응성 및 물질확산으로 인해 반응물 쪽으로 오목한 화염면이 지배적으로 형성됨을 의미한다.
다음으로, 예혼합 수소 전소 발전의 여러 기술적 난제를 해결하고자, 기존 노즐 형상에서 벗어난 다중슬릿 노즐을 새롭게 설계하고 다중슬릿 수소 화염의 연소 동특성을 확인해보았다. 빠른 화염전파속도를 가진 수소 화염은 역화가 쉽게 발생하므로, 본 연구에서는 1.5 mm의 좁은 틈을 갖는 다중슬릿 유동 채널을 바탕으로 화염 역화와 고주파 연소불안정을 제어하고자 하였다. 이처럼 새로운 노즐 형상을 통해, 넓은 운전 조건에서의 다중슬릿 수소 화염의 응답을 확인할 수 있었으며, 이때 30 ~ 100 kW의 열량 범위에서 수소 화염의 연소불안정 특성을 시험하였다. 계측된 데이터는 음파 분해 기법(acoustic wave decomposition), 저 차원 열음향 네트워크 모델링, 그리고 FEM 기반의 3차원 헬름홀츠 시뮬레이션(COMSOL)을 활용하여 분석하였다. 실험 결과, 다중노즐 수소 화염에서 확인된 것과 달리, 희박 예혼합 다중슬릿 수소 화염은 3.1 ~ 3.5 kHz에 이르는 고주파 횡 방향 연소불안정 모드가 25 kPa 이상의 강한 압력 섭동을 보이며 확인되었다. 이때, 1차 횡 방향 모드의 주파수는 단열 화염 온도의 제곱근에 비례하는 경향을 나타내지만, 압력 섭동 진폭은 온도가 증가함에 따라 지수적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이후 시스템에 공급되는 열량이 커지게 되어 고 진폭 횡 방향 연소불안정이 발생하게 되면, 짧은 연소기 길이에서는 시계 방향 회전 모드가 지배적이다가 점차 연소기 길이가 늘어나면서 반 시계 방향 회전 모드 및 정상파 모드로 천이하는 특징을 나타낸다. 마지막으로 다중슬릿 노즐의 패턴이 횡 방향 연소불안정의 발달에 어떠한 영향을 미치는지 알아보고자, 반경 방향 유동 채널을 막은 노즐 구조를 여러 운전 조건에서 시험하고 비교하였다. 먼저, 횡 방향 모드의 발달은 동일한 온도 조건에서 평균 노즐 유속 보다 공급되는 열량에 지배적인 영향을 받음을 확인했다. 이때, 충분한 에너지의 공급은 노즐 구조와 관계없이 한계 진동으로 성장하는 데에 기여했지만, 시스템이 나타내는 횡 방향 모드의 회전 특성이 서로 다르게 나타났다. 그리고 정상파 거동을 하는 길이 조건에서는 노즐 패턴 별로 압력 노드 위치가 확연하게 차이났는데, 이는 노즐 면적 분포에 따라 달라진, 열 방출 섭동의 공간상 분포 변화에 의한 것으로 추측된다.
결론적으로, 본 학위 논문의 결과를 통해 메조스케일 다중노즐과 다중슬릿 수소 화염의 주요한 연소불안정 특성을 확인할 수 있었으며, 이를 바탕으로 수소를 활용한 탄소 중립화 가스터빈 연소 시스템의 동적 및 정적 안정성에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
