구형예혼합화염에서 화염전파속도, 마크스타인길이, 셀불안정성

Abstract

구형예혼합화염에서 메탄/공기 혼합물에 에틸렌을 첨가 비율에 대한 화염전파속도, 마크스타인 길이, 셀 불안정성에 대해서 실험적 연구를 수행하였다. 실험은 1기압부터 8기압까지 이루어졌으며, 먼저 층류화염전파속도에 대해서 화염의 스트레치에 대한 화염전파속도에 대한 그래프를 통해서 화염전파속도의 반지름의 범위를 정의하고, 3가지 경우의 extrapolation model과 4가지 경우의 화학적인 메커니즘 기반으로 하는 PREMIX CODE를 이용하여 적절한 층류화염전파속도를 정의하였다. 또한 압력의 증가에 대해서 부력이 화염전파속도에 미치는 영향을 제거하기 위해서, 부력에 의해 영향을 받는 화염전파속도를 측정하고 특성화하였다. 에틸렌의 첨가에 의해서 층류화염전파속도는 증가하는 경향을 보였고, 압력의 증가에 대해서는 감소하는 경향을 보였다. 마크스타인 길이는 화염의 안정성과 관련된 하나의 지표로써 연료가 희박한 경우에는 에틸렌의 첨가에 의해서 증가하는 경향을 보이며, 연료가 농후한 경우와 압력의 증가에 의해서는 마크스타인 길이가 감소하는 경향을 보였다. 또한 2가지의 이론식을 바탕으로 2가지의 효과적인 루이스 수와 제도비치 수와 화염두께를 바탕으로 실험값과 비교하여, 가장 적절한 이론식을 선정하였다. 구형예혼합화염에서 셀 불안정성은 주로 열적확산 불안정성과 유체역학적 불안정성으로 인해 생기는 것으로, 본 연구에서 생성되는 셀 불안정성의 원인을 정의하였다. 열적확산 불안정성의 경우는 루이스 수와 관련된 것으로 에틸렌 첨가에 의한 루이스 수의 변화를 측정하였으나, 본 연구에서는 루이스수의 경우는 에틸렌의 첨가에 의해서 크게 변화하지 않았다. 유체역학적 불안정성은 열팽창계수, 화염두께와 관련된 불안정성으로 에틸렌의 비율 및 쳄버 내부 압력의 증가에 따라서 향상되었다. Matalon과 공동저자에 의해서 정의된 셀 불안정성의 시작에 대한 이론적 임계 화염반경식을 이용하여 실험값과 비교한 결과 연료가 희박한 경우의 혼합물과 풍부한 혼합물 모두 실험값과 일치하는 경향을 보였다.

An experimental study on laminar flame speed, Markstein length, and the onset of cellular instability was conducted by varying the equivalence ratio and ethylene/methane mixing ratio in spherically-propagating premixed flames at ambient temperature and elevated pressures up to 0.8 MPa. we define the range of radius of flame propagation rate through graph of flame propagation rate for flame stretch against laminar flame propagation rate, and premix code based on extrapolation model in 3 cases and chemical mechanism in 4 cases. The proper laminar flame propagation velocity was defined using. In addition, the flame propagation velocity affected by buoyancy was measured and characterized to eliminate the effect of buoyancy on flame propagation velocity with increasing pressure. The laminar flame propagation rate tended to increase with the addition of ethylene and decreased with increasing pressure.