전기장 인가에 따른 예혼합 수소혼소 화염의 연소 불안정성 제어 및 특성 연구 = A Study on the Control and Characteristics of Thermoacoustic Instability in Premixed Hydrogen-enriched Flames under Electric Fields

국문 초록 (Abstract)

수소는 무탄소 연료로 주목받고 있지만, 연소 불안정성이 발생하기 쉬워 이를 억제할 수 있는 방안이 필수적이다. 본 연구에서는 전기장 보조 연소 기법을 적용하여 수소/프로판/공기 예혼합 화염의 연소 불안정성을 제어하고 그 특성을 분석하였다. 실험 결과, 순수 프로판 화염에서는 최대 전압 인가 시, 약 20% 소음 저감 효과가 나타났다. 그러나 수소 혼소율이 증가할수록 이러한 저감 효과는 감소하였다. 이는 수소 화염에서 생성되는 양 이온 및 화염 두께와 연관되어 있다. 희박 조건에서 순수 프로판 화염은 강한 불안정성을 보였으나, 수소 혼소 60% 조건에서는 뚜렷한 불안정성이 관찰되지 않았다. 소음 주파수 분석 결과, 당량비, 수소 혼소율, 유속이 소음 주파수에 영향을 미쳤으 며, 전기장은 유의미한 영향을 주지 않았다. 한편, 열 방출률 및 화염 표면적 변동은 소음과 유사한 경향을 보였고, 비례 관계임을 확인하였 다. 슐리렌 이미지를 통해 전압 증가 시, 화염 유동이 반경 방향으로 확장됨을 관찰하였으며, 이는 전기장이 화염 표면적 변동을 억제함으 로써 소음을 감소시킨 결과로 해석된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 관련 연구 동향 5
• 3. 연구 목표 7
• Ⅱ. 실험 장비 및 계측 8
• 1. 실험 장비 구성 8
• 2. 예혼합 연소 시스템 9
• 3. 전기장 생성 시스템 11
• 4. 연소 불안정성 소음 측정 13
• 5. 광학 분석 시스템 17
• 6. 실험 조건 21
• 7. 불확도 분석 23
• 8. 이온종 및 화염 두께 산출 25
• Ⅲ. 실험 결과 28
• 1. 화염 거동 변화 28
• 2. 화염 진동 및 억제 메커니즘 35
• 3. 화염 표면적 변동 주파수 해석 39
• 4. Strouhal 수 및 희박 가연한계 분석 43
• 5. 연소 조건에 따른 전기장 영향 분석 47
• 6. 연소 불안정성 소음 및 열 방출률 분석 51
• 7. 연소 불안정성 소음 평가 59
• Ⅳ. 결 론 66