조화 진동 화염의 난류 화염속도에 대한 연구

Abstract

난류 화염은 급격히 일어나는 화학반응과 난류의 무작위성이 상호작용하여 복잡한 물리적 특성을 가진다. 난류 연소현상을 분석하여 난류화염의 특성을 수치적으로 계산하기 위해서는 고정밀도의 데이터를 필요로 한다. 본 연구에서는 DNS 시뮬레이션을 통해 수소/메탄 예혼합 난류 화염의 난류 화염속도 및 난류 Markstein length를 계산하였다. 당량비 1의 수소/메탄/공기 예혼합 기체를 해석영역 내부로 유입시키고, 유입면에 위치한 화염안정기를 조화진동 시킴으로써 화염면에 링클(Wrinkle)을 발생시켰다. 난류 유동장을 유입면의 경계조건으로 적용하여 난류와 화염면 링클의 상호작용으로 발생하는 화염의 동역학적 거동을 관측하였다. 화학반응 모델로는 21가지 화학종과 84가지 화학반응식을 포함한 DRM메커니즘을 사용했다. 화염의 동적 특성인 난류 화염속도, 화염면 곡률, 그리고 난류 Markstein length는 화염면의 동적 거동을 분석함으로써 계산하였다. 난류 화염속도를 계산하기 위한 방법으로, 화염면과 화염면 상의 변수들을 앙상블 평균하였으며, G-equation을 기반으로 하여 화염면이 후류방향을 따라 일가함수(Single-valued function)라는 가정 하에 난류 화염속도와 화염면 곡률을 계산하였다. 난류강도 4%의 화염에서 난류 화염속도는 층류 화염속도 대비 10% 이상 증가하였다. 화염면의 곡률이 음인 영역(반응물에 오목한 영역)에서 난류 화염속도가 증가하는 경향을 확인하였으며, 이는 난류 화염속도와 화염면 곡률의 음의 선형관계식으로 나타나는 난류 Makrkstein length가 양수임을 의미한다. 따라서 당량비 1의 수소/메탄/공기 예혼합 화염은 열-확산적으로(Thermo-diffusively) 안정함을 알 수 있다.