볼텍스와 비예혼합화염 상호작용에 관한 가시화 연구

Abstract

단일 볼텍스링을 형성초기에 점화시켜 비예혼합화염-볼텍스간 상호작용 과정을 관찰하였다. 연소 볼텍스링은 원형의 노즐을 통해 가스상의 연료를 분출시키고 노즐 선단에 유지되고 있는 잔류화염을 이용 이를 점화시키므로서 생성하였다. 미산란 가시화, 고속 쉬리렌 및 직접 사진촬영에 의한 유동장 가시화를 실시하였다. 볼텍스와의 상호작용에 의해 변형된 화염구조를 가시화하고 볼텍스 화염의 정점투과 및 성장특성을 측정하였다. 볼텍스 링의 전개 및 성장특성은 화염의 존재에 의해 크게 변경되었다. 볼텍스 링의 유선특성은 Manda(1988)에 의해 예측된 바와 같이 열방출에 의해 크게 변형되었다. 화염의 존재는 또한 링의 난류성분을 억제시키며 따라서 원주방향 불안정성의 발생을 지연시킨다. 수직하방향으로 분사된 볼텍스링 화염은 부력효과와 작은 혼입특성에 의해 음의 성장률을 보인다. 수직 상방향으로 분사된 볼텍스 화염은 후방의 물질 이주 볼텍스로 혼입되어 직경이 아주 큰 볼텍스화염으로 발달하며 스파이럴 형태의 soot ring을 형성하는 특성이 있다. 수직 상방향 및 수직하방향으로 분출되는 볼텍스 화염을 비교해 보면 부력이 혼입특성과 링의 전개특성에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 볼텍스에 의해 발생된 스트레인에 의해 화염이 소화되는 영역을 조사하였다. 비예혼합화염과 상호작용하는 볼텍스의 코아가 양론 혼합비 조건에 따라 산화제 또는 연료의 층으로 이루어진 반응코아를 형성는 것을 확인하였다. 반응코아(reacted core or reactingcore)는 본 연구에 의해 실제 화염에서 처음으로 가시화되었으며 이는 Karagozian and Manda(1986)의 해석적 연구에서 예측된 바 있다. 연소 볼텍스링의 반응거리(화염길이)를 측정하였다. Johari(1993)에 의해 burning fuel puff에서 측정된 반응거리는 레이놀드수가 증가함에 따라 감소하였으나 본 실험에서는 이와 달리 증가하는 것으로 측정되었다. 이 결과는 볼텍스에 의해 야기된 스트레인으로 인한 fuel consumption 감소가 비예혼합 난류화염길이 모델링시 중요한 인자로 고려되어야 한다는 것을 보여준다.