(A) study on response characteristics of jet-diffusion flame and premixed flame with various velocity perturbations

Abstract

요즘 대부분의 연소시스템의 경우 희박 조건에서 연소되며 이로 인하여 연소불안정 현상이 쉽게 발생 하고 있는 실정이다. 이런 연소 불안정 현상을 효율적으로 제어하기 위해서는 이런 현상의 발생원인에 대한 이해가 필요하다. 연소 불안정은 여러 가지 불안정현상의 중첩으로 인하여 발생한다. 그 중 세 가지 중점적인 요인들의 중첩에 의하여 발생한다. 음향학 섭동, 속도 섭동, 열 방출량의 섭동의 상호작용에 의하여 발생한다. 이 세가지 요인 중 한가지 요인이 발생하였을 때 그 요인이 다른 요인에 영향을 미치고 다시 처음으로 되돌아오는 양성피드백과정을 통해 세기가 증폭이 되어 주기적으로 진동이 발생하면 연소불안정이 발생한다. 본 연구에서는 속도섭동과 열 방출량 섭동의 상호작용에 대한 연구를 진행하였다. 제트확산화염과 예혼합화염을 모사하는 연소기에서 실험을 진행하였으며 연료로는 CH4/H2을 50/50 %의 혼합연료를 사용하였으며 산화제로는 공기를 사용하였다. 외부공기의 유입을 차단하기 위하여 연소기 상단에 석영튜브를 장착하여 연료와 산화제가 만나 화염을 형성할 때 연소기에서 공급되는 연료와 산화제로만 화염을 유지할 수 있는 환경을 조성하였다. 연료와 공기의 공급은 MFC(Mass Flow Rate)제어를 통해 공급하였으며 연료와 공기의 당량비는 1로 일정하게 공급하였다. 연료와 공기의 당량비를 1로 설정하는 이유는 예혼합화염의 당량비 1을 기준으로 제트확산화염에 적용을 하였기 때문이다. 연소불안정 환경의 임의조성을 위하여 스피커를 통해 가진을 공급하였다. 가진주파수는 40 Hz부터 300 Hz까지 20 Hz의 단계로 주파수를 공급하였으며 평균속도 대비 속도섭동 크기를 나타내는 진폭을 다양하게 변화시켜가며 실험을 진행하였다. 가진주파수에 따른 화염의 거동특성을 관찰하기 위하여 초당 7000회로 촬영 가능한 초고속카메라를 이용하여 OH 자발광 (OH chemiluminescence) 계측으로 화염이미지를 획득하였으며 화염을 수치화시키기 위하여 후처리를 통하여 화염길이를 계측하였다. 또한 연료와 산화제의 속도측정을 위하여 열선식 유속계 (Hor-wire flow velocimeter)를 사용하였으며 광전자증폭관(Photo Multiplier Tube)를 이용하여 화염전달함수를 구하여 제트확산화염과 예혼합화염의 화염응답특성을 비교하였다. 획득한 화염이미지로 화염길이를 비교한 결과 예혼합화염의 화염특성은 진폭이 낮을 때에는 최대-최소 길이변화가 일정한 반면에 진폭이 커지면 최대길이가 불안해지는 것을 확인하였으며 노즐 안쪽으로 화염이 빨려들어가는 현상 또한 관찰할 수 있었다. 제트확산화염의 경우도 마찬가지로 진폭이 낮을 때에는 최대-최소 길이변화가 일정하지만 진폭이 커지면 불안정해 지는 것을 확인하였으며 연료와 산화제가 따로 공급이 되는 확산화염의 특징으로 인하여 화염이 노즐 안쪽으로 빨려들어가는 현상이 파악되지 않았다. 이러한 결과로 미루어보아 예혼합화염은 가진에 민감하게 반응을 하며 확산화염의 경우에는 안정적인 화염을 유지하는 것을 확인할 수 있었다. 화염전달함수의 결과에서 예혼합화염은 진폭에 관계없이 화염전달함수의 응답 값이 같은 값을 가지는 선형적인 거동을 보였지만 제트확산화염의 경우에는 진폭에 따라 화염전달함수의 응답 값이 달라지는 비선형적인 거동을 보이는 것을 확인하였다.

Recently, most combustion systems are burned under lean conditions, so that combustion instability phenomenon is easily occurred by this. In order to efficiently control combustion instability phenomenon, it is necessary to understand the cause of the combustion instability phenomenon. Combustion instability occurs by overlapping of several instability phenomena. There are three main factors of several reasons. Among them, main factors of combustion instability are interactions of acoustic perturbation, velocity perturbation, heat-release perturbation. When any one of these three factors occur, a factor would affect other factors, and it would return to the first factor. Through intensity of positive feedback process of combustion instability, it would be amplified, and periodic vibration which is fatal to combustion instability would occur. In this study, an interaction between velocity perturbation and heat release amount perturbation has been studied. Experiments were conducted with jet-diffusion flame and premixed flame combustor. The CH4/H2 (50/50%) mixed fuel was used, and the oxidizer was air. In order to block the inflow of external air entrainment, a quartz tube was installed on the upper part of a combustor. It was necessary to create and maintain an environment where only supplied fuel and air from the combustor were provided. The fuel and air were supplied via MFC (Mass Flow Rate) control, and equivalence ratio of air and fuel was constantly supplied at 1. The reason for choosing the equivalent ratio between air and fuel as 1 was because it was applied to the jet-diffusion flame based on the 1 equivalent ratio of the premixed flame. Forcing frequency was supplied via speakers for an arbitrary combustion instability environment. Frequency was supplied from 40 Hz to 300 Hz at every 20 Hz, and experiment was conducted by varying amplitude which representing a ratio of average velocity and intensity of velocity perturbation. In order to observe flame behavior characteristics according to forcing frequency, flame images were obtained by OH chemiluminescence measurement and digitized flame images using ultrahigh-speed camera which is capable of shooting 7000 times per second. Digitized flame images made flame length calculated through post-treatment. In addition, in order to measure velocity of fuel and air, hot wire flow was used. Using Photo Multiplier Tube (PMT), flame transfer function was obtained, and flame response characteristics of the jet-diffusion flame and the premixed flame were compared. As a result of comparing flame length of premixed flame acquired by flame images, its characteristics were appeared such that when amplitude was low, a change of maximum-minimum length was constant, but amplitude became large, and maximum length became inconstant. It was also able to observe a phenomenon that flame near nozzle tip was sucked into the nozzle. Similarly in the case of jet-diffusion flame, when amplitude was low, a change of maximum-minimum length was constant, but it had been confirmed that it became unstable when the amplitude became large. Jet-diffusion flame near nozzle tip was not sucked into the nozzle due to the characteristic of diffusion flame that fuel and air were supplied separately. Through this results, it was confirmed that the premixed flame reacted sensitively to forcing frequency, and the jet-diffusion flame maintained stable. As a result of flame transfer function, the premixed flame showed a linear behavior with the same response value of flame transfer function irrespective of amplitude. However, in the case of jet-diffusion flame, result of flame transfer function showed nonlinear behaviors in which the response value varied.