광학 측정을 통한 수소 전소 마이크로믹스 연소기 설계 검증과 열유동 특성 연구 = Study on the Optical Measurement-Based Design Validation and Thermo-Fluid Characteristics of a Hydrogen-Fueled Micromix Combustor

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 맞춤 설계된 수소 전소용 마이크로믹스 연소기의 비반응 유동 특성을 규명하기 위해 입자 영상 유속계 (Particle Image Velocimetry, PIV)기법을 이용하여 3차원적 유동 구조와 혼합 메커니즘을 실험적으로 조사하였다. PIV 측정은 연소기 내부에서 형성되는 유동장을 시각화하기 위해 XY, YZ, ZX 세 가지 평면에서 수행되었으며, 이를 통해 평균 속도장, 평균 와도장, 그리고 스트림라인을 기반으로 한 재순환 구조를 분석하였다. 본 연구에서는 운동량 유속비의 변화와 연소실 라이너의 존재 여부가 내부 유동장에 미치는 영향을 체계적으로 비교하였으며, 이를 통해 설계 변수 변화에 따른 제트 확산 거동, 와류 형성, 재순환 영역의 구조적 변화를 실험적으로 평가하였다.
실험 결과, 마이크로믹스 연료 분사기에서 분사되는 유동은 본질적으로 3차원적 특성을 나타내며, 특히 라이너가 설치된 제한 조건 (confined condition)에서는 명확한 재순환 영역이 형성되고 그 크기와 강도는 운동량 유속비 변화에 따라 일정 수준의 민감도를 보였다. 비제한 조건 (unconfined condition)에서는 제트 확산에 의해 주변 유동이 유입되는 상승 흐름이 관찰되었으며, 이는 연소 안정성과 혼합 효율에 중요한 영향을 줄 수 있는 요소임을 확인하였다. 또한 ZX 평면 분석을 통해 주 유동 외곽 영역의 유동이 내부로 유입되며 에어 게이트 중심 방향으로 수렴하는 상승 와류(ascending vortex) 구조가 존재함이 확인되었다.
본 연구의 실험적 결과는 마이크로믹스 연소기의 디자인이 단일 분사구 (unit injector)의 구조는 3차원이지만, 다수의 분사구 전체 배열은 연소기 내부에서 균일한 반응 유동장을 형성하기 위해 평면 배열 (planar array) 형태로 설계되어 왔다는 점을 고려할 때 중요한 설계적 시사점을 제공한다. 실제 가스터빈 연소기에서는 경계 조건의 비균일성으로 인해 다수의 마이크로 제트가 완벽한 균일 반응을 구현하기 어려우며, 이는 본 연구에서 관찰된 대규모 3차원 와류 구조와 재순환 거동이 주요 원인임을 제시한다.
따라서 향후 수소 전소 기반 가스터빈용 마이크로믹스 연소기 설계에서는 내부 유동장의 고유한 3차원 유동 특성을 설계 변수 선정 과정에 적극 반영해야 한다. 또한 후속 연구에서는 실제 수소 연소 조건에서의 반응 유동 PIV 측정, 적외선 열화상 기법, 광학 진단 기술을 연계하여 화염 구조, 반응 유동 혼합, 열복사 특성 등을 종합적으로 분석함으로써 차세대 저배출 수소 연소기 개발을 위한 심층적 유동 이해를 확립할 필요가 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, a custom-designed micromix hydrogen combustor was experimentally investigated to analyze its non-reacting flow characteristics and to validate the design using Particle Image Velocimetry (PIV). The micromix combustion strategy, which relies on multiple distributed micro-jet diffusion flames, requires accurate characterization of the air supply system and the internal flow structures to ensure stable operation and ultra-low NOx emission performance in hydrogen gas turbines. To accomplish this, a comprehensive experimental campaign was conducted under various operating conditions, including changes in momentum flux ratio, the presence or absence of a quartz-glass combustion liner, and measurement-plane configurations.
PIV measurements were performed on the XY, YZ, and ZX planes to visualize the three-dimensional airflow structures formed by the micromix fuel injector. Mean velocity vector fields, vorticity fields, and streamlines were extracted to examine major flow behaviors such as jet interaction, recirculation zone formation, and vortex development. The analysis revealed that, even under non-reacting air injection, the micromix injector inherently generates distinct three-dimensional flow structures. In particular, small counter-rotating vortices near the air-gate edges, large vortices near the outer boundaries, and ascending vortical motions entrained from the outer region were clearly identified. These complex structures were further influenced by the momentum flux ratio and by whether a liner was installed.
Comparative experiments demonstrated that confined conditions with a quartz liner enhanced the formation of symmetrical recirculation zones, whereas unconfined configurations showed weakened or displaced recirculation patterns. The momentum flux ratio affected the size and strength of these vortices, although the overall topology of the internal flow remained consistent. Streamline analysis confirmed that jet-to-jet interaction and local entrainment significantly contribute to macroscopic flow nonuniformity inside the combustor.
The findings of this study provide important design insights for large-scale hydrogen micromix combustors, where the arrangement, spacing, and orientation of fuel-injection holes strongly influence the three-dimensional internal flow field. The improved understanding of velocity, vorticity, and vortex-driven recirculation structures will contribute to future optimization of mixing performance, combustion stability, and low-NOx operation. Furthermore, this work establishes an experimental foundation for future investigations of reacting hydrogen flames using combined PIV, infrared thermography, and other optical diagnostics.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 １
• 1.1. 연구배경 １
• 1.2. 선행연구 ４
• 1.3. 연구목적 및 필요성 １３
• 제 2 장 실험 장치 및 광학 측정 기법 １５
• 2.1. 마이크로믹스 연소기 시스템 １５
• 2.1.1. 실험 장치 및 연료 분사기 형상 １５
• 2.1.2. 마이크로믹스 연소기 유동 구조 ２０
• 2.2. 마이크로믹스 연소기 유동 측정 방법 ２３
• 2.2.1. 입자영상유속계 이론 및 측정 시스템 구성 ２３
• 2.2.2. 실험 데이터 처리 및 유동장 가시화 ２９
• 2.2.3. 교정 및 불확도 평가 ３２
• 2.3. 주요 설계 변수 및 실험 조건 ４０
• 제 3 장 실험 결과 및 분석 ４２
• 3.1. XY, YZ, ZX 평면별 평균 벡터장 분석 ４２
• 3.2. 설계 변수 변화에 따른 유동 구조 비교 ４７
• 3.2.1. 라이너 경계 유무에 따른 유동 구조 비교 ４７
• 3.2.2. 운동량 유속비에 따른 유동 구조 비교 ５０
• 3.3. 평균 와도장을 통한 유동 특성 분석 ５３
• 3.4. 스트림라인 기반 재순환 유동 구조 분석 ５６
• 3.5. 3 차원 재순환 유동 구조 분석 ５９
• 제 4 장 결론 ６１
• Abstract ６９