1. 서 론

층류 소화염 앙상블로 구성되어 있는 난류화염의 해석에 있어서 층류 소화염 모델은 부분 예혼합 화염 혹은 삼지 화염으로 확장적으로 연구되어 왔다. 층류 부상화염의 화염선단은 희박, 과농 예혼합 및 확산화염이 공존하는 삼지 화염의 구조를 가지며, 화염전파속도와 국부유동속도가 균형을 이루는 지점에 위치하게 된다. 따라서 삼지 화염의 화염 전파 속도가 여러 가지 요인에 의해 영향을 받게 되어 화염 안정화 메커니즘이 깨지게 되면 화염은 새로운 화염 안정화 위치를 요하게 되고 화염 안정화 지점이 정상 상태에 도달하지 못하는 여건에서의 화염은 진동 불안정성을 겪게 된다. 삼지 화염의 화염 전파속도는 일반적으로 혼합강도(mixture strength), 루이스 수(Lewis number), 열손실(Heat loss), 연료농도구배(fuel concentration gradient), 그리고 부력의 함수로 나타나므로 이러한 인자들 가운데 하나 이상이 변하게 되면 화염은 진동 불안정성이 나타나게 된다[1-4].

Won 등은 평상 중력 조건의 과다하게 희석된 동축류 제트 부상화염에서 나타나는 O(1Hz)의 자기 진동(self- excitation)은 부력에 기인함을 실험적으로 제안하였고 수치해석과 미소중력 시험을 통해 이를 밝힌 바 있다[6-7]. 한편 2차원 혼합층 비예혼합 화염에 대한 수치해석을 통해 화염 소화한계 근처에서 루이스 수가 큰 경우 화염 진동이 나타나며 체적 열손실이 증가할수록 화염 진동을 유발하는 임계 루이스 수가 감소함을 보인 바 있다[8-9]. 최근 부력에 의한 자기 진동과 루이스 수에 의한 자기 진동을 구분하고자 하는 본 연구 그룹의 노력들이 있었고, 층류 제트 부상화염에서는 부력에 의한 자기 진동이 루이스 수에 의한 자기 진동에 비해 훨씬 우세하게 나타나고, 실제로 부력이 루이스 수에 의한 자기 진동을 억제하는 효과가 우세하다는 것이 알려진 바 있다[10-13]. 이러한 기존 연구들을 토대로 층류 부상화염에서는 부력에 의한 진동이 실제로 다른 진동에 비해 우세하고 부력에 의한 진동이 일단 나타나기 시작하면 다른 진동들을 억제하는 효과마저 있어서 루이스 수에 의한 진동 등에 대한 연구는 미소 중력 하에서 검증이 요구되는 등 더 많은 연구들을 통해 결론이 얻어져야하는 미래 연구로 남아있다. 그러나 부력에 의한 진동도 화염대와 산화제류(oxidizer stream)와의 밀도 차이에 의해 화염 진동이 나타나는 것인지, 연료류(fuel stream)와 산화제류 사이의 밀도 차이에 의해 나타나는 것인지에 대해서는 여전히 명확히 밝혀진 바가 없다. 본 연구에서는 연료류가 공기류에 비해 밀도가 더 큰 프로판을 연료로 하는 동축류 층류 제트 부상화염에 대해 공기/질소/희석제(헬륨, 질소, 이산화탄소)의 몰분율을 조절하면서(산화제 주위류의 밀도를 조절하는 효과) 부력에 의한 진동에 대해 화염 거동을 관찰하는 연구를 수행하고자 한다.

2. 실험 및 수치해석 방법

Fig. 1은 본 연구에서 사용된 실험장치 개략도이다. 실험 장치는 유량 조절부, 노즐부, 측정부로 구성되어 있다. 내부지름 10.25 mm와 100 D의 길이를 갖는 연료 노즐을 사용하여 노즐 출구에서 완전 발달된 유동이 얻어지도록 하였다. 또한 직경 100 mm의 아크릴 버너에 일련의 메쉬 스 크린과 직경 93 mm의 허니컴을 설치하여 균일한 동축 산화제류의 속도가 얻어지도록 하였다. 외부교란을 방지하기 위해 외부 채널 직경 10 cm, 높이 40 cm인 원형 쿼츠 칸막이를 설치하였다. 연료는 99.999% 고순도 프로판에 99.999% 고순도 질소를 희석하여 사용하였으며, 산화제는 공기와 고순도 질소를, 희석제는 고순도 질소와 99.99%인 고순도 헬륨 그리고 99.99%의 고순도 이산화탄소를 각각 사용하였다. 희석제가 화염의 진동에 미치는 결과만을 보기 위해 산소가 포함된 공기의 몰분율은 고정시켰다. 헬륨이나 이산화탄소를 희석할 때는 질소 유량계를 따로 추가하여 공기의 몰분율이 바뀌지 않도록 하였다. 산화제에 사용된 공기는 온도 및 습도에 영향을 받지 않기 위해 항온 항습실 내부에 공기압축기를 설치하였다. 화염을 촬영하기 위해 카세토미터와 300 fps 촬영이 가능한 디지털VCR 카메라(SAMSUNG-HMX-S15BD)로 화염의 선단과 팁 그리고 너비를 시간에 따라 측정하였다. 또한, 화염의 화학반응을 보기 위해 OH 필터를 씌운 ICCD 카메라로 OH radical을 촬영하였다. FFT(Fast Fourier Transform)의 분석을 위해 주파수 분해 능력을 고려한 충분한 샘플링 시간(약 80 sec) 및 주파수 범위 1.5-11 Hz를 확보하였으며, 이를 Matlab기반의 프로그램으로 분석하였다.

Fig. 1.

Schematic diagram of coflow-jet burner and experimental setup.

동축류 제트 부상화염 시뮬레이션을 위해 원통 좌표(R, Z)를 기반으로 비정상 상태로 축 대칭 질량, 운동량, 화학 종 및 에너지 방정식에 대한 지배방정식을 OpenFOAM 기반 laminarSMOKE[14-16] 코드를 사용하였다. 사용된 공간적 이산화 방법 Gaussian central difference scheme을 사용하였고, Dufour 효과는 무시하였으며, 2차 확산에 대한 Soret효과를 고려하였다. 복사 열손실은 optically thin model을 이용한 복사 열유속이 사용되었다. 메쉬 크기는 화학반응 구간에서 반경 방향 및 축방향의 계산치수는 0.05 mm의 격자 크기로 계산하였다. 내경 10.25 mm의 노즐에 1 mm의 두께를 설정하고 x축을 반경 R, y축을 높이 Z로 하여 (R, Z) = (0, -0.005)인 지점에 포아쥴레(poiseuille) 유동을 주었다. 화학 메커니즘은 3 단계 전체 반응을 사용했다.

3. 결과 및 논의

3.1. 동축류에서의 질소 희석 효과

Fig. 2는 연료인 프로판에 질소를, 산화제인 동축류 공기에 질소를 희석했을 때 연료 몰분율에 따른 노즐출구속도 U_O로 나타낸 안정화 선도이다. 화염의 전반적인 거동을 파악하기 위해 연료 몰분율에 따른 노즐출구속도를 변화시켜 실험을 진행한 결과, 부력에 의한 자기 진동과 루이스 수와 부력에 의한 자기 진동 영역을 확인하였다. Van 등[13]이 부력에 의한 자기 진동이 루이스 수에 의한 자기 진동을 억제시킨다는 연구결과를 바탕으로 Fig. 2에서 자기 진동을 부력에 의한 자기 진동 화염, BDSE(Buoyancy- driven self-excitation)로 통합하여 표기하였다. 희석제를 이산화탄소로 사용했을 때도 진동의 형태가 BDSE로 나타나는 것을 실험적으로 확인하였다. 자기 진동하는 화염이 소화 한계 근처에 도달했을 때, 화염의 base가 상류로 전파할수록 화염에 들어가는 연료의 flux가 커지게 된다. 이때, 연료의 flux는 화염의 길이와 전체 연소율(burning rate)을 증가시키는데, 이로 인해 화염대에서 부력과 국소유동속도가 증가한다. 그 후, 화염대는 후류로 밀려나게 되면서 연소율의 감소로 인해 부력과 국소유동속도가 줄어들게 되고 화염대를 상류로 전파시키는 데 영향을 미친다. 따라서 부력을 유발하는 대류와 연소율의 반복적인 작용으로 화염은 진동하게 된다[6]. 이는 Van 등이 관찰한 자기 진동 영역과 상당히 유사하고, 화염이 소화한계 근처에서 루이스 수와 부력에 의한 자기 진동이 혼재된 화염거동이 동일하게 나타났다[13]. 자기 진동하는 화염이 소화한계근처에 도달했을 때 나타나는 거동을 Fig. 4(a)에 한 주기로 나타내었으며, 이를 바탕으로 질소가 희석된 동축류에 헬륨을 희석하여 산화제 주위류의 밀도를 조절하고 소화한계근처에서 부력에 의한 자기 진동화염의 거동을 관찰하였다.

Fig. 2.

The stability map as a function of nozzle exit velocity and fuel mole fraction for D = 10.25 mm, and V_CO = 9.4 cm/s.

Fig. 3.

The stability map as a function of nozzle exit velocity and density of coflow for D = 10.25 mm, and V_CO = 8 cm/s.

Fig. 4.

4. The sequence of (a) BDSE at X_He,CO = 0, (b) BDSE at X_He,CO = 0.024, and (c) CFFE at X_He,CO = 0.096.

3.2. 동축류에서의 헬륨 희석 효과

Fig. 3은 동축류에 흐르는 공기, 질소, 헬륨의 밀도 ρ_co에 따른 노즐출구속도 U_O로 나타낸 안정화선도이다. 동축류 속도를 8 cm/s로 고정시키고 헬륨만의 효과를 관찰하기 위해 공기의 몰분율 X_Air,CO를 0.88로 고정시켰다. 헬륨의 몰분율을 조절하면서 실험한 결과, 두 가지 형태의 진동 화염을 발견하였다. 부력에 의한 자기 진동 화염, BDSE(Buoyancy-driven self-excitation)와 소화한계근처에서의 전복화염, CFFE(Capsized flame near the flame extinction)로 정의하였으며, 각각 Fig. 4(b)와 (c)에 한 주기로 나타내었다. 전복화염은 상류로 전파할 때, 삼지화염의 형태가 아닌 예혼합 화염이 반전된 형태로 이동하는 특징을 가진다. Fig. 4(c)의 주요 특징을 Fig. 5에 확대하여 나타내었다. 이와 같은 양상이 나타나는 이유는 부력에 작용하는 밀도차로 설명되는데, 층류 비예혼합 부상화염에 작용하는 부력은 연소된 가스와 연소되지 않은 가스 간의 밀도차로 인한 양의 부력과 연료류와 동축류 사이의 밀도차로 인한 음의 부력으로 구분된다(화염의 진동에서 화염의 체적과 연료류의 체적이 시간에 따라 변하므로 명확한 체적 값을 고려하지 않았다). 자기 진동 화염이 후류로 밀려나 화염의 크기가 작아지면서 양의 부력이 감소할 때, 음의 부력이 연소되지 않은 가스를 상류로 당겨 화염을 노즐 근처로 위치시킨다. 노즐근처로 이동한 화염은 연료류에 의해 크기가 증가하면서 양의 부력이 증가하고 음의 부력이 감소하게 되어 다시 후류로 밀려나게 된다. 따라서 부력에 의한 자기 진동 화염의 동축류에 헬륨이 희석될수록 산화제류의 밀도가 가벼워지면서 음의 부력이 증가하게 되므로 화염이 소화한계에 가까워질 때, 예혼합 화염의 형태로 반전되어 전파한다.

Fig. 5.

The characteristics of CFFE at X_F,0 = 0.14, V_CO = 8 cm/s, X_Air,CO = 0.88, X_He,CO = 0.072, and X_N2,CO = 0.048.

연료류와 동축류 사이의 밀도차를 확인하기 위해 Mie-scattering기법을 사용하여 동축류의 유동장을 가시화하였고, 이를 Fig. 6에 나타내었다. 노즐 측 연료의 밀도와 동축류 측 헬륨의 밀도의 차이에 의해 유동장에 역 볼텍스(inverse vortex)가 생기는 것을 알 수 있다. Fig. 7(a)는 Fig. 4(a)의 부력에 의한 진동화염을, Fig. 7(b)는 Fig. 4(c)의 전복화염을 시간에 따른 화염의 팁 높이, 화염너비, 그리고 부상높이로 나타내었다. Fig. 7(a)에서 화염의 팁 높이와 화염의 너비가 같은 위상을 보이지만, Fig. 7(b)는 화염의 팁이 오픈되는 영역이 존재하고, 팁 높이와 너비의 위상이 어긋나는 것을 알 수 있다. Fig. 3에서 전복화염이 소화한계근처에서만 나타나는 것을 보아 알 수 있듯이 화염이 예혼합 화염으로 전파할 때 소화되기 쉽기 때문에 화염의 형태를 정확히 확인하기 위해 OH 필터를 사용한 ICCD 카메라로 촬영하여 화염을 분석하였다. Fig. 8은 전복화염의 OH radical을 촬영한 것이다. Fig. 8II에서 삼지화염의 형태가 아닌 예혼합 화염의 형태로 화학반응이 활발한 것을 알 수 있다.

Fig. 6.

Images of CFFE through Mie-scattering technique at X_F,0 = 0.14, V_CO = 8 cm/s, X_Air,CO = 0.88, X_He,CO = 0.072, and X_N2,CO = 0.048.

Fig. 7.

Flame dimensions of CFFE at X_F,0 = 0.14, V_CO = 8 cm/s, X_Air,CO = 0.88, X_He,CO = 0.072, and X_N2,CO = 0.048.

Fig. 8.

Images of CFFE through OH radical at X_F,0 = 0.14, V_CO = 8 cm/s, X_Air,CO = 0.88, X_He,CO = 0.072, and X_N2,CO = 0.048.

3.3. 수치해석 결과

전복화염의 메커니즘을 명확히 규명하기 위해 수치해석을 진행하였다. 연료 몰분율 X_F,0 = 0.15와 각각의 희석제들의 몰분율을 동일하게 주입하였을 때, cold flow와 reacting flow에 대한 유동과 이론 당량비선을 관찰하였으며, 헬륨이 희석되었을 때 전복화염이 나타나는 전파 과정들을 이론 당량비선의 위치와 함께 비교하였다.

3.3.1. Cold flow에서의 희석제 희석 효과

Fig. 9는 동축류 제트에 각각 이산화탄소(a), 질소(b), 헬륨(c)를 희석한 경우, cold flow에서의 유선(초록색)과 이론 당량비선(흰색)을 나타낸 결과이다. Fig. 9(a)에서 (c)로 갈수록 산화제에 대한 희석제의 분자량이 작아지므로 동축류의 밀도가 감소하기 때문에, 연료류의 분자량 44인 프로판에 대해 동축류가 상대적으로 점점 더 가벼워진다. 따라서 Fig. 9(c)에서 가장 큰 vortex의 연료류가 형성된다. 반면에 프로판과 동일한 분자량을 가지는 이산화탄소를 동축류에 희석하면 연료류와 동축류의 밀도차가 거의 없어 vortex가 형성되지 않는다. 또한, Fig. 9(a)에서 (c)로 갈수록 이론 당량비선이 노즐 출구에 가까워지는 것을 알 수 있다. 이로 인해 이산화탄소를 희석제로 사용한 Fig. 9(a)의 경우에는 화염이 진동하지 않지만, 헬륨을 희석제로 사용한 Fig. 9(c)의 경우는 화염을 노즐 출구로 당기는 음의 부력이 커져 화염이 진동할 뿐만 아니라 소화되기 쉬운 조건에 도달 하게 된다.

Fig. 9.

Cold flow diluted with (a) X_CO2,CO = 0.1, (b) X_N2,CO = 0.1, and (c) X_He,CO = 0.1 marked with streamlines (green) and stoichiometric line (white).

3.3.2. Reacting flow에서의 헬륨 희석 효과

Fig. 10은 비정상상태의 반응 유동에서 동축류 제트에 헬륨 몰분율 X_He,CO = 0.1을 희석한 결과로 화염에 대한 이론 당량비선을 흰색 실선으로 나타내었다. Fig. 10(a), (b), 그리고 (c)는 후류로 밀려난 화염에 작용하는 양의 부력의 화염대 밀도 ρ_b의 영향이 감소하여 음의 부력이 커져 화염이 노즐 출구 근처로 전파하는 것을 나타낸다. Fig. 10(b)에서 음의 부력에 의해 노즐 출구 근처로 당겨지는 동시에 예혼합 화염의 형태로 반전되는 것을 확인할 수 있다. Fig. 10(c)는 노즐 출구 근처에서 더 진행하지 못하고 반지름방향으로 전파하는 것이 실험과 동일하였다. Fig. 10(d)는 Fig. 10(a)~(c)의 과정을 겪은 화염이 노즐 출구 근처에서 양의 부력을 더 크게 받아 하류로 전파하는 과정이다. 각각의 이론 당량비선은 비예혼합 화염을 따라 형성되는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 10.

The propagating flames with X_He,CO = 0.1 (a), (b), (c) toward upstream and (d) toward downstream marked with stoichiometric line(white).

4. 결 론

프로판 연료류와 질소, 헬륨, 이산화탄소를 각각 희석제로 사용한 공기 동축류의 화염이 소화한계근처로 갔을 때 나타나는 부력에 의한 화염거동을 관찰하였다. 직경 10.25 mm의 노즐을 이용하여 질소가 희석된 프로판과 헬륨이 희석된 동축류의 부상화염의 진동에서 부력에 의한 자기진동(BDSE)와 소화한계근처에서의 전복화염(CFFE)을 발견하였다. 특히 진동하는 동안 예혼합 화염의 형태로 전환되어 전파하는 전복화염은 동축류의 희석된 헬륨으로 인해 화염대와 산화제류의 밀도차로 인한 양의 부력보다 연료류와 산화제류의 밀도차로 인한 음의 부력이 증가하여 나타나게 된다. 이를 규명하기 위해 전복화염의 거동을 Mie-scattering기법을 사용하여 관찰하였다. 희석제로 사용된 헬륨이 주입될수록 연료류와 동축류가 이루는 vortex가 커져서 연료류 밀도와 동축류 밀도의 차이로 화염의 진동이 소화한계의 극한에 도달하게 되어 전복화염이 나타나는 것을 확인하였다. 또한, 전복화염이 가지는 가장 큰 특징인 예혼합 화염의 형태를 확인하기 위해 OH 필터를 씌운 ICCD 카메라를 이용하여 화학반응이 삼지화염의 형태가 아닌 예혼합 화염의 형태로 일어나는 것을 확인하였다. 실험 결과와 비교하기 위해 openFOAM을 사용하여 수치해석을 진행하였다. 희석제에 따른 비반응 유동과 실험에서 확인한 유동을 비교하였으며, 반응 유동에서 헬륨을 희석했을 때 나타나는 전복화염도 확인하였다. 비반응 유동의 수치해석 결과에서 헬륨이 희석된 제트의 이론 당량비선은 질소나 이산화탄소가 희석됐을 때보다 노즐 출구에 더 가까이 형성되고 연료 유동이 더 큰 볼텍스를 이루는 것을 확인하였다. 비정상 상태의 반응 유동의 수치해석을 통해 예혼합 화염 형태의 전복화염이 실험과 동일하게 나타났으며, 이론 당량비선이 비예혼합 화염에 맞게 잘 따르는 것을 확인하였다.