Numerical study of a diffusion flame with addition of solid particles

Abstract

최근 온실효과는 지구의 온도에 큰 영향을 끼쳐 지구를 더 복잡하고 유해한 환경으로 만들어 기후악화와 생태계 변화를 초래하여 세계적인 문제로 대두되고 있다. 온난화 현상의 가장 큰 요인 중 하나인 CO2 배출은 고체와 액체 화석연료의 연소에서 발생한다. 가스연료들은 약한 화염광도로 인해 낮은 열복사 효율을 갖기 때문에 CO2보다 덜 유해하다고 여겨진다. 가스 연료의 열복사 향상은 연소에 고체 입자를 첨가함으로써 연구되었다. 그을음 입자와 석탄 입자들은 CO2가 배출되는 동안 화염광도를 나타냄을 연구를 통해 보여주었다. 뿐만 아니라 열복사를 향상시키기 위해 도입될 수 있는 방사적으로 활발한 non-carbon 입자를 찾기 위한 연구들이 수행되었다. 알루미나 입자는 입자의 복사특성으로 인해 실현가능하다고 여겨지는 연구된 물질이다. 이 연구는 LPG 난류 예혼합 점화장치에 주입된 알루미나 나노입자의 열적 특성을 수치해석을 통해 알아보기 위함이다. 입자를 연소장치에 주입하기 이전에 실험결과와 같은 결과를 얻기 위해 ANSYS Fluent 13.0 버전을 통하여 정확하고 일관성있는 연소장치 (입자 주입이 없는 경우) 를 만들기 위한 연구가 먼저 수행되었다. 첫 번째 연구부분은 Eddy Dissipation 모델이 예혼합 PDF 연소모델보다 실험결과와 같은 온도 프로파일을 예측하기에 더 정확한 결과를 보여줌을 나타낸다. 연구의 두 번째 부분은 연소 시스템에 고체입자를 투입하는 것을 포함한다. 몇 가지 사례는 입자의 크기, 입자의 질량 유동량, 입자의 방사율의 독립적인 효과를 보기 위한 시도로써 행해졌다. 더 작은 입자의 크기, 더 큰 질량 유동량, 더 큰 방사율 일수록, 복사 열전달율을 각각 독립적으로 향상 시키는 것으로 보인다. 또한 중앙선에서의 최대 온도의 증가는 더 많은 유동량을 주거나 더 작은 입자를 적용하였을 때 관찰되었다. 그러나 중앙선의 최대온도 증가는 또한 가스온도가 급격히 줄어드는 화염부분에서의 전체적인온도감소에 의함에 기인한다. 이 사례분석은 알루미나 입자로 진행한 실험결과를 확인하기 위한 목적으로 수행되었다. 시뮬레이션과 실험의 두 결과는 알루미나 입자를 투입함으로써 벽면에서의 복사 열전달율이 강화되는 일치성, 그리고 입자 주입에 따라서 온도가 크게 변하지 않는 일치성을 보여주었다. 더 높은 유동량에서, 복사 열유량의 증가는 시뮬레이션과 실험에서 차이를 보였다. 입자의 방사율 취급에 있어서 일정한 입자 크기, 등반성 scattering 그리고 “회체 가스”의 가정은 실험 결과로부터의 복사 열유량 예측을 벗어나도록 하는 것 같다. 온도 예측에 따르면, 시뮬레이션과 실험 둘 다는 온도 profile이 입자 주입에 의해서 크게 영향을 받지 않는 것을 보여 주었다. 수치적 결과는 입자가 연소의 열을 흡수하는 행동을 함에 따라서 전체적인 온도 분포가 약간 감소하는 것을 보여주었다.