난류와 화학종 메커니즘 차이에 따른 암모니아 연소의 NOx 생성에 대한 수치 해석

Abstract

온실 가스 저감과 탄소 중립의 중요성이 높아짐에 따라 연소 시 발생하는 질소 산화물을 예측하는 것이 더욱 중요해지고 있다. 특히 실제 연소기를 제작하기에 앞서, 모델링 과정에서 CFD를 이용한 질소 산화물 예측을 진행함으로써 많은 시간과 비용을 절감하는 효과를 얻을 수 있다. 일차원 층류 화염에서의 질소 산화물 예측은 화학 반응식을 이용한 가장 간단한 질소산화물 예측으로, 실제 연소 조건의 질소산화물을 예측하는 데에 한계가 있으며, 적지 않은 오차가 발생한다. 직접 수치 모사(Direct Numerical Simulation

DNS) 방법은 난류 유동에 의한 화염의 거동과 정밀한 화학 반응 예측이 가능하다. 본 연구에서는 직접 수치 모사 방법을 사용하여 난류의 영향에 의해 변화하는 암모니아 화염에서의 질소 산화물 생성을 분석하고자 한다. 먼저, 일차원 자유 전파 층류 암모니아-공기 혼합 화염을 4개의 화학종 메커니즘들(Konnov[1], GRI-30[2], Okafor[3], Song[4])을 이용하여 CANTERA[5]로 계산하였고, Okafor 와 Song 메커니즘이 암모니아 화염 특성을 잘 예측할 수 있음을 확인하였다. 난류 시뮬레이션은 DNS 코드 PeleLM[6]을 사용하여 당량비 1.2, 난류 강도 10%와 20%, Okafor 와 Song 조건에서 수행되었다. 난류의 영향으로 화염면에 주름(winkle)이 생기는 것을 확인하였으며, 주름진 화염면의 곡률은 NO 생성량과 음의 상관관계를 보였다.