비예혼합 화염의 층류 부상 특성과 화염전파속도의 상관관계 및 밀도효과 규명

Abstract

부상화염은 연소기의 열적 내구도 측면을 고려할 때 유리하게 작용하므로 산업현장 또는 추진체 등에서 적용되고 있다. 일반적으로 다량의 연료를 분사하여 연소시켜야하므로 산업현장에서는 난류화염이 주로 이용된다. 또한 부상화염이 연소기의 열손상 방지를 위해서 사용될 수 있다. 이러한 부상화염 내 층류 및 난류 현상들은 화염구조와 그 안정화 메커니즘을 해석하기 어려우므로, 각각의 현상들에 대해서 다른 이론이 발전하였다. 특히 층류부상화염은 이론적인 접근과 정교한 실험을 통해 그 이론이 정립되었다. 그러나 난류부상화염의 경우 대부분 경험식 또는 개략적인 메커니즘 해석연구를 통해 발전되었다. 본 학위논문에서는 층류부상화염에 대한 과거 이론 연구들과 그 한계점들을 논의하고, 이를 해결할 새로운 방안들을 제시하고자 한다. 나아가, 층류 및 난류부상화염을 연결할 수 있도록 층류제트 부상화염의 이론적 토대를 제공하는 데 궁극적인 목표를 갖고 있다. 먼저, 층류 연료 제트에 대해서는 부상화염의 화염 안정화 메커니즘은 농도확산계수과 동적 점성도로 정의되는 슈미트 수(Sc)로 설명되어 왔다. 선행 연구에서는 속도와 농도 간의 상사해를 이용하여, 슈미트 수가 Sc > 1 또는 Sc < 0.5 의 범위에 있을 때 부상화염이 안정화 될 수 있다는 점을 제시하였다. 그러나, 두 가지 해결되지 않은 한계점이 남아 있었고, 본 연구에서는 그 답을 얻고자 하였다. 첫 번째는 안정된 부상화염높이의 결과로부터 에지화염속도를 결정할 수 없었다는 점이다. 따라서 연료제트유속과 부상높이 간의 실험적 관계를 정밀히 측정하고, 유효 슈미트 수와 기존의 상사해를 사용하는 새로운 방법을 제안하였다. 결론적으로, 부상화염 안정화에 기여하는 에지화염속도와 연료농도구배의 상관관계는 연료유속과 부상높이에 대한 간단한 실험 결과로부터 직접 추정될 수 있으며, 이 새로운 방법은 관 지름, 공기예혼합 비율 및 질소 희석 비율을 비롯한 다양한 실험 변수에 대해 검증할 수 있다. 두번째는 Sc < 0.5 일 때 안정된 부상화염이 관찰되지 않는 이유를 이론적으로 설명할 수 없다는 것이다. 이점에 대해서는 새로운 안정화 기준을 제시하여 Sc > 1 의 조건에서만 부상화염이 안정화될 수 있음을 다루고 있다. 이러한 기존의 이론연구의 한계를 극복하는 본 연구를 통해 다른 연료들에 대한 층류 비예혼합 제트의 부상화염의 특성 및 화염 안정화 메커니즘에 대한 심도있는 이해에 도움을 줄 것으로 기대된다.