오픈소스 CFD 코드를 이용한 Thickened Flame 모델 개발

Abstract

연소 현상의 고정밀도 수치 해석을 위해서는 화염을 충분히 모사할 수 있는 격자를 사용하여야 한다. 이러한 작은 크기의 격자를 사용하게 되면, 격자 수 증가로 인한 많은 계산 소요가 요구된다. 메탄에 비해 더 얇은 화염두께를 가지는 수소는 화염 내부 모사를 위해 더 작은 크기의 격자가 요구되며, 계산 소요 문제가 더욱 대두된다. 본 연구에서는 수소 연소 시뮬레이션의 정확도를 높이면서 계산 소요를 줄이기 위해 화염의 두께를 인위적으로 늘여 화염 내부에 충분한 격자 밀집도를 확보할 수 있는 thickened flame 모델을 구현하였다. 그러나 thickened flame 모델을 적용할 경우, 수소의 스트레인 율 특성이 보존되지 않는 문제가 발생한다. 본 연구에서는 새로운 두께 모델인 동적 보정 모델을 제안하여 수소 화염의 스트레인 율 특성 보존 문제를 해결하였다. 오픈소스 해석코드인 OpenFOAM을 이용하여 thickened flame 모델과 동적 보정 모델을 구현하였으며, 이를 3가지 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 먼저, 1차원 화염 시뮬레이션을 통해 thickened flame 모델이 층류화염속도를 유지하며 층류화염두께가 두께 인자에 따라 증가하는 것을 확인하였다. 분젠 화염 시뮬레이션을 통해 2, 3차원에서도 층류화염속도가 유지되며 화염의 두께가 두께 인자에 따라 증가하는 것을 확인하였다. 마지막으로, 정체 화염 시뮬레이션을 통해 동적 보정 모델을 사용하였을 때, 여러 당량비 조건에서 수소의 스트레인 율 특성이 보존됨을 확인하였다.