동축류 제트 부상화염에서의 화염 불안정성

Abstract

층류 동축류 제트 부상화염에서 제트 상사성 이론으로 설명 되지 않는 노즐출구 속도 증가에 따라 감소하는 부상화염 현상과 소화영역 근처에서 나타나는 화염의 자기진동에 대한 현상을 규명하기 위해 수치해석적 그리고 실험적 연구를 수행하였다. 슈미트 수,Sc가 0.5 < Sc < 1 사이 값을 가질 경우, 노즐출구 속도 증가에 따라 감소하는 부상화염 현상을 규명하귀 위해 화염구조와 화염전파속도, 그리고 연료와 산화제측의 속도장을 수치해석적으로 비교 분석 한 결과, 노즐 출구 속도에 다라 화염전파속도는 일정하였다. 노즐출구 속도가 증가할수록 부상높이 감소 구간에서는 반경방향으로의 연료 제트 모멘텀보다 부력에 의한 대류로 유입 효과를 나타내는 리차드슨 수, Ri의 감소로 부상높이는 감소하였으며, 높은 노즐출구 속도에서는 연료 제트 모멘텀의 반경방향 속도가 지배적인 효과를 나타내며 다시 부상높이는 증가하였다. 이를 기반으로 연료 제트의 다양한 Sc 수에 대한 부상높이를 측정하였으며 크게 세가지 영역이 관찰되었다: (1) 노즐출구속도 증가에 따라 부상높이가 증가하는 영역 (2) 부상높이가 감소하는 영역 (3) 자기진동 영역. 부상높이 증가 구간은 부력으로 인한 효과로 이전연구 결과로 규명된 반면, 부상높이 감소 구간은 Sc수와 부력의 상호작용ㅇ으로 인한 국부유동속도의 변화로 나타나었다. ekdidd한 연료에 따라 임계 Sc수가 존재하였으며, 임계 Sc보다 작은 Sc 수를 가질 경우 부상높이 감소 현상이 관찰되었으며, 이보다 클 경우, 부상높이 감소구간은 나타나지 않았다. 이러한 현상은 임계 Sc 수와 Ri 수를 이용한 특성화 작업으로 잘 묘사되었다. 화염의 자기진동의 경우, Sc 수와 관계없이 연료와 산화제의 밀도차이와 관계를 가졌으며 여러 가지 연료와 희석제를 이용하여 연료와 산화제 제트의 밀도를 조정하였다. 화염의 자기진동은 미연과 기연의 밀도차로 유발되는 부력에 의한 대류보다 연료와 산화제 제트의 밀도차가 클 경우 나타나는 음의 부력효과로 인해 국부유동속도는 감소하며 화염은 상류로 전파하게 된다. 상류로 전파된 화염은 다시 양의 부력효과인 미연과 기연의 밀도차로 인해 국부유동속도의 증가로 다시 화염은 후류로 밀려나게 되는 반복적인 자기진동의 현상을 규명하였다. 부력의 효과가 지배적인 조건의 화염진동뿐만 아니라 제트 모멘텀이 지배적인 조건에서의 화염 자기진동을 관찰하기 위해 작은 노즐직경을 이용하여 부력에 의한 자기진동과 다른 거동을 보인 자기진동을 관찰하였으며, 이는 이전 연구결과인 수치해석적으로 규명한, 물질-열확산에 의한 자기진동의 거동과 유사하였다. 이를 확증하기 위한 낙하탑 실험을 통하여 미소중력조건에서의 실험을 진행한 결과, 물질-열확산에 의한 자기진동으로 유추되는 자기진동을 실험적으로 관찰하였다.

The study on laminar lifted coflow-jet flames has been carried out to investigate the peculiar lifted flame phenomena such as decreasing lifted off heights as nozzle exit velocities and flame oscillation near the extinction limit, reporting that it was successfully not described in jet similarity solution. Based on them, three types of flame behaviors were observed: (1) decreasing lifted off heights with increasing nozzle exit velocity (hereafter called decreasing-HL) , (2) increasing lifted off heights (hereafter called increasing-HL), (3) flame oscillation. The increasing-HL was due to effect of buoyancy, whereas decreasing-HL was effected by balance between Sc number and buoyant convection. Critical Sc numbers existed for varied fuels, and if the Sc number was smaller than critical Sc, the decreasing-HL was existed. Those of phenomena was well characterized using related phycial parameter with critical Sc and Richardson number. However, oscillating flame was occurred in enhancement of density variation of between fuel and oxdizer stream, regardless of the Sc number. To elucidate those of effects, density of the fuel and oxidizer was adjusted using varied fuel and diluents to coflow-oxidizer. The density of the coflow was also varied within a certain range by adding either helium or carbon dioxide to air, to study how it affected the positive and negative buoyancies at the same time. As a result, we found that the range of oscillation was well-correlated with the positive and the negative buoyancies; the former stabilized the oscillation while the latter triggered instability and became a source of the oscillation. Further measurements of the flow fields and OH radicals evidenced the important role of the negative buoyancy on the oscillation, detailing a periodic variation in the unburned flow velocity that affected the displacement of the flame.