군집 수소 화염의 상호작용 메커니즘에 관한 실험적 연구

Abstract

이산화탄소는 기후변화를 가속하는 대표적인 온실가스이다. 이산화탄소 배출을 감축하기 위해, 산업계에서는 화석연료 사용량 저감과 동시에 무탄소 연료 사용을 고려하고 있다. 화석연료 의존성이 높은 발전분야에서도 탈탄소 동향에 부합하는 수소 가스터빈 개발을 시도하고 있다. 하지만 수소 연료의 가스터빈 적용에는 수소의 연소특성에서 기인한 여러 기술적 문제가 발생하며, 이를 보완하기 위해 소규모 군집 화염을 이용한 연소방식이 제시되었다. 본 학위논문에서는 가스터빈 연소기를 모사한 다중 노즐 연소기에서 희박 예혼합 수소 화염의 연소 동특성과 노즐 밀도(노즐 개수 및 사이 간격)가 군집 수소 화염의 화염 간 상호작용에 미치는 영향에 대해 실험적으로 고찰하였다. 연구를 위해 직경 3.0 mm의 제트노즐로 구성된 서로 다른 세 가지의 배열(Nnozzle = 161, 293, 그리고 421)을 사용했고, 동일한 조건으로 실험을 진행하였다. 연소불안정 특성을 파악하기 위해 연소실 내부의 압력과 화염의 열 방출 섭동을 계측했고, 동시에 OH 라디칼 자발광 및 OH 평면 레이저 유도 형광법(OH PLIF)을 이용하여 군집 수소 화염의 거시적인 거동과 일부 영역에서 화염 단면 구조를 확인하였다. 군집 수소 화염은 노즐 밀도 변화에도 불구하고 전반적으로 유사한 연소불안정 발생 경향을 보이는 것을 확인하였다. 모든 노즐에서 화염은 연소기 길이 방향 3차와 4차 고유 모드와 결합하여 500 Hz 내외의 불안정 주파수로 연소 진동하였다. 이를 통해, 개별 노즐의 형상이 밀도보다 연소불안정 발생에 더 지배적인 영향을 미치는 것을 이해하였다. 한편 높은 단열화염온도 조건에서 수소 화염은 높은 차수의 고유모드와 결합하여 1 kHz 이상의 고주파 불안정이 나타났으며, 이를 통해 수소 화염은 넓은 주파수 대역에서 불안정이 유발될 수 있음을 확인하였다. 화염의 OH 라디칼 자발광 및 OH PLIF 이미지 결과를 통해 안정한 수소 화염은 군집 밀도와 상관없이 각 노즐에서 독립적인 구조를 유지하며 주변 화염 간 상호작용이 발생하지 않는 것을 확인하였다. 불안정 상태의 수소 화염은 유동방향으로 길이 변화를 보이며 진동하였으며 강한 진동과정에서도 화염은 단일 노즐에서의 구조를 유지한 채, 개별적으로 거동함을 확인하였다. 한편, 가장 밀집된 화염에서는 와류구조의 동시다발적 생성으로 인한 화염과 와류, 와류 간 상호작용으로 화염면에 강한 왜곡이 발생했으며, 화염의 도중 분리와 부분적인 횡 방향 거동이 관측되었다. 이는 다중주파수 대역으로 나타난 연소불안정의 영향으로 보인다. 화염의 군집 밀도는 연소불안정의 진폭과 고조파 발생에 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 이는 화염 거동이 노즐 개수밀도에 따라 달라지는 것을 의미한다. 따라서 밀도의 변화가 연소 동특성에 복합적인 영향을 미치는 것을 확인하였다.