역확산화염에서 부상 상태의 진동현상에 관한 연구

Abstract

현재까지 화염의 안정화 메커니즘을 이해하기 위해 부상화염에 대한 수많은 연구가 수행되어왔다. 이러한 부상 화염은 희박 예혼합화염, 과농 예혼합화염, 그리고 확산화염이 공존하는 삼지화염의 구조를 갖고 있다. 삼지화염의 특성은 화염의 안정화와 난류 화염의 소염 및 재점화를 이해하는데 중요한 역할을 하게 된다. 이에 삼지화염은 많은 연구자들에 의해 이론적, 수치 해석적 및 실험적으로 연구되고 있다. Won 등은 동축류 버너에서 프로판에 대해서 질소 희석을 통해 부상화염의 특성을 실험적인 방법으로 관찰하였다. 이를 통해 노즐에 부착 화염(attached flames)과 진동화염(oscillating lifted flames), 그리고 안정적인 부상화염(stationary lifted flames)을 발견하였으며, 안정적인 부상화염의 경우 질소 희석의 차이에 따라 제트의 발달 영역과 완전 발달된 영역에 존재하는 두 가지의 부상 특성을 규명하였다. 또한 화염의 하강구간(falling period)과 상승구간(rising period) 동안 연소율(burning rate)의 증가와 감소로 인해 부력이 주기적으로 영향을 주어 3-4.5Hz로 진동하는 화염이 관찰되었다. 게다가 일반 중력장에서 안정적인 부상화염과 진동화염에 대해 미소 중력장에서 실험을 행하였으며, 이로부터 화염의 불안정성이 부력에 기인함을 규명하였다. 한편, 역확산화염(IDF, inverse diffusion flame)은 기존의 일반 확산화염(NDF, normal diffusion flame)의 특수한 경우인 underventilated 조건의 화염으로서 연구되어 왔다. 그리고 Wu 등은 IDF에서 메탄화염의 구조와 특성으로 화염 종류를 구분하였고, 일반 확산화염과 유사성을 관찰하였다. 일반적으로 역확산화염과 일반 확산화염은 매연(soot)발생으로 인한 화염 밝기의 차이를 제외하고 수학적으로 동일하다고 알려져 있다. 그리고 노즐끝단에서의 화염구조의 차이로 인해 역확산화염은 일반 확산화염에 비해 낮은 레이놀즈수에서도 화염날림이 발생한다. 일반 확산화염과 마찬가지로 역확산화염에서도 분류 속도의 증가에 따라 노즐에 부착된 화염이 부상하여 안정적으로 존재할 것으로 예측되나, 이에 대한 연구사례는 많지 않은 실정이다. 따라서 본 연구에서는 연료로서 메탄을 사용하여 산화제와 연료의 유속에 대해 역확산화염의 부상특성을 관찰하였다. 특히 화염의 부상 후 발생하는 주기적인 화염의 진동현상에 초점을 맞춰 이러한 현상을 발생시키는 메커니즘(mechanism)을 조사하였다.