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The Response of the Burke-Schumann Flame of H2/CH4 fuel to Acoustic Excitations : 음향 가진에 대한 다양한 H2/CH4 연료 조성의 Burke-Schumann 화염의 응답 특성

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Authors

김태성

Advisor
윤영빈
Major
공과대학 기계항공공학부
Issue Date
2018-08
Publisher
서울대학교 대학원
Description
학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 공과대학 기계항공공학부, 2018. 8. 윤영빈.
Abstract
연소불안정의 정확한 발생 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았으나 반응물의 유동 섭동, 열방출량 섭동, 연소실의 음향학적 경계에 의한 섭동이 어떠한 상호 작용을 하는가에 따라 발생 유무가 결정된다고 알려져 있다. 위의 세 가지 섭동이 양적 피드백 루프(positive feedback loop)를 형성하면 연소불안정이 발생할 확률이 높아지며 반대로 음성 피드백 루프(negative feedback loop)를 형성하면 연소불안정 발생 확률이 낮아지는 것으로 알려져 있다. 연소불안정의 위험을 낮추기 위해서 앞에서 말한 대로 연소불안정이 발생하는 조건을 파악하는 것이 필요하다. 연소불안정이 발생하는 조건을 파악하기 위한 기본은 화염의 동특성에 대한 연구를 진행하는 것이다.

본 연구에서는 메탄과 수소의 혼합기체로 이루어진 non-premixed jet flame의 특별한 case 인 Burke-Schumann flame에 대한 동특성 연구를 수행하였다. 화염의 동특성을 외부에서 교란을 발생시켰을 때 열방출량 섭동, 화염 형상을 통해 나타내었다. 화염이 열린 경계에 있을 때 열방출량 및 화염 형상을 계측하여 외부 교란에 대한 화염의 응답 특성을 나타내었다. 화염이 닫힌 경계에 있을 때 실험 장치의 공진주파수를 구하여 이에 대한 영향을 파악하고 self-excited pressure oscillations에 대한 원인을 분석하였다.

열린 경계의 화염의 형상은 크게 3가지로 나타났다. 저주파 영역에서는 화염 형상이 한 주기의 파동 형태로 노즐에 부착되어 있었으며, 그 이상의 영역에서는 화염이 끊어졌다. 또한 250 Hz 근방의 영역에서는 화염이 거의 떨리지 않았으며, 나머지 영역에서는 여러 개의 파동으로 구성된 화염 형상이 나타났다. 화염전달함수도 화염이 떨리지 않는 지점에서 매우 낮은 값을 보였으며 일정 주파수 이상에서 일정한 값으로 유지되었다. 화염전달함수의 응답값과 화염 면적의 떨림은 화염이 끊어지는 영역을 제외하면 비슷한 변화 경향을 보였다. 열린 경계의 화염은 속도 섭동 크기에 열방출량이 대체적으로 비례하는 선형적인 관계를 보였으나, 가진주파수의 2nd harmonic frequency로 미치는 영향은 크게 발생하였다. 특히 화염전달함수가 낮게 나타나는 가진주파수나 연료 조성에서 열방출량의 2nd harmonic frequency의 비율이 급격히 증가하였다.

닫힌 경계에서는 공진주파수의 영향을 파악하였다. 비록 movable nozzle로 닫힌 경계를 형성하였지만 exhaust duct가 연소기 길이 방향으로 계속 존재하기 때문에 이에 대한 영향을 최소화시키기 위해 orifice를 장착하였으며 이에 대한 영향 또한 파악하였다. 연소실에 영향을 미칠 수 있는 두 가지 공진주파수를 구하여 이들이 일치하는 지점을 파악하여 공진주파수의 영향이 강하게 나타날 수 있는 가능성이 높은 조건을 파악하였다. 이에 대해 속도 섭동의 크기 변화를 통해 공진주파수의 영역이 가장 큰 지점에 대해 파악하다. 외부 교란이 없을 때 연소실의 압력 섭동이 발생하는 조건을 파악하였으며, 이 조건에서 압력 섭동이 발생하는 원인에 대해 분석하였다. 속도 섭동의 변화를 통해 파악한 연소실에 영향을 미치는 공진주파수들의 교차점과 공기 공급 파트의 공진주파수, 열린 경계에서의 화염전달함수 등을 종합적으로 고려했을 때 압력 섭동이 발생하는 조건과 부합하는 것을 확인하였다.

상기 연구를 통하여 Burke-Schumann flame의 동특성 뿐만 아니라 확산화염의 연소불안정 발생 메커니즘을 밝히는 연구의 선행연구자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
Language
English
URI
https://hdl.handle.net/10371/143313
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