A study on quantitative observation and characterization of combustion processes of solid fuel particles entrained into hot gas flow고온 유동장 내 고체연료 입자 연소과정의 정량적 관측과 특성화 연구

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본 연구는 고체 연소화염에 해당하는 단입자 연소환경을 재현하여 입자의 가열, 탈휘발, 휘발분 및 촤 연소과정을 정량적으로 관측하였으며 이를 연소현상 해석모델과 연계시키려 시도하였다. 기존의 유사 관측연구와 비교하여 월등하게 정리된 연소환경과 관측기법의 적용으로, 이전까지 제시되었던 고체입자 연소현상에 관한 지식을 한 단계 진전시킬 수 있는 정보를 제공하였다. 고체연료 단입자 연소과정의 현상학적 이해는 수학적 연소모형 표현방법의 체계적 이해를 위한 기본이다. 주요 연소현상으로, 고온 유동장 내 입자의 이동과 혼합, 주위 기체와의 열 및 물질 전달, 가열된 입자로부터의 휘발분 방출과 산화, 잔류 탄소 입자의 연소 등으로 구성된다. 이러한 수 마이크로 미터 단위를 가지는 미분된 단입자 연소과정의 수학적 모형은 산업용 반응기 설계 등에 널리 사용되고 있는 상용 CFD 코드 내 버너-스케일 화염 연소모형의 기본이 되기 때문에 그 표현방법의 이해는 매우 중요하다. 본 연구는 고체연료 단입자 연소모형의 표현방법을 검증하고 개선 가능성을 제시하기 위해 고온 연소환경을 재현하여 그 연소현상을 실험적으로 정밀 관측했다. 에너지 산업 관련 고체연료 중 모델 형성에 기본이 되는 석탄 (bituminous) 을 중심으로 바이오 매스 (wood, palm kernel shell), 고분자 화합물 (PVC, PVA, PEG, PEO) 단입자들의 고온 유동장 내에서 겪는 휘발분 화염의 연소행동을 구체적으로 정의된 시공간에 따라 정량적으로 살펴보았다. 본 직교 분사의 실험적 기법은 단입자의 연속적인 연소과정의 시작점 정의를 가능하게 하고, 정밀한 연소환경 제어를 가능하게 하기 때문에 단입자 연소행동 변화를 직접 가시적으로 확인할 수 있다. 고속카메라를 사용하여 고체연료 입자와 화염의 빛과 열로부터 방출되는 emission을 고배율 관측하였으며 이는 length scale의 정량화를 가능하게 했다. 단입자와 화염의 연소상태를 정량적으로 관측함에 따라 순차적 연소 구역 (입자의 가열, 휘발분 방출과 산화, 화염의 형성과 소멸, 촤 연소 단계) 을 시간에 따라 정의할 수 있었으며, 입자 크기, 유동장 내 산소농도의 변화에 따라 변화하는 연소 상태를 관측할 수 있었다. 주위 유동의 영향을 받지 않는 정지된 단입자에서 적용되는 동심원 휘발분 화염 형성모형이 모멘텀을 가지고 움직이는 입자에서 역시 적용되는 상황을 연출하였으며 이에 대한 제한적 연소조건을 제시하였다. 촤 입자 연소의 정도를 열 방출의 강도를 통해 예측하였고, 휘발분과 촤 연소가 동시에 발생되는 구체적 연소과정을 마이크로 초 단위로 관측하여 그 이해를 높였다. 또한 시간에 따른 화염의 형성과 소멸의 관측을 통해 입자 전 연소과정을 특성화 하였다. 석탄을 가지고 이루어진 실험의 확장으로 바이오 매스와 고분자 화합물의 휘발분 연소특성을 살펴보았으며 이를 가지고 입자 전 연소과정을 시간에 따라 특성화 시킬 수 있었다. 또한 현재까지 정리한 부분에 추가하여 학술적 자료를 심도 있게 추가할 수 있을 것으로 사료된다.
Advisors
Choi, Sang Minresearcher최상민researcher
Description
한국과학기술원 :기계공학전공,
Publisher
한국과학기술원
Issue Date
2015
Identifier
325007
Language
eng
Description

학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공, 2015.2 ,[xiii, 110 p. :]

Keywords

Solid fuel; Single particle combustion; Model description; Experimental verification; Visual observation; Quantitative discussion; 고체연료; 단입자 연소; 모델링 방법; 실험적 검증; 가시적 관측; 정량적 논의

URI
http://hdl.handle.net/10203/202707
Link
http://library.kaist.ac.kr/search/detail/view.do?bibCtrlNo=615539&flag=dissertation
Appears in Collection
ME-Theses_Ph.D.(박사논문)
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