Study on the Effect of Central Air Injection on Flame Stability in a CH4/H2 Gas Turbine Combustor = CH4/H2 가스터빈 연소기에서 중심 공기 유량이 화염 안정성에 미치는 영향에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

수소를 친환경 연료로 활용하려는 관심이 증가함에 따라, 중심 공기 분사는 역화 억제와 NOx 저감을 위한 효과적인 방법으로 제안되어 왔다. 그러나 중심 공기 분사가 화염 날림(blow-off) 특성에 미치는 영향은 아직 충분히 규명되지 않았다. 본 연구에서는 스월 연소기 내 bluff body로 안정화된 예혼합 CH₄/H₂ 화염을 대상으로 중심 공기 유량 변화가 소염 한계에 미치는 영향을 실험 및 수치해석을 통해 체계적으로 분석하였다. 중심 공기 유량비는 주 유동 유량 대비 1%에서 15%까지 단계적으로 변화시켰으며, OH* 자발광 계측을 이용하여 각 조건에서의 화염 안정성 한계를 측정하였다. 실험 결과, 중심 공기 분사에 따른 소염 거동은 비단조적(non-monotonic) 특성을 보였다. 중심 공기 유량이 주 유동 대비 5%까지 증가할 경우 화염이 불안정해지며 조기 소염이 발생하였으나, 5–10% 구간에서는 오히려 화염 안정성이 회복되어 소염 한계가 확장되었다. 반면, 중심 공기 유량이 10%를 초과하면 화염 안정성이 다시 저하되어 소염이 발생하였다. 이러한 거동의 물리적 원인을 규명하기 위해 CFD 해석을 수행하여 bluff body 인근의 화염–유동 상호작용과 재순환 영역의 변화를 분석하였다. 분석 결과는 실제 반응 영역(practical reaction zone)을 기반으로 정의한 Damköhler 수를 통해 해석되었으며, Damköhler 수의 변화는 실험적으로 측정된 소염 한계와 정성적, 정량적으로 잘 일치하였다. 이는 중심 공기 분사가 국부 당량비, 온도, 체류 시간, 화염 부피 등을 변화시켜 화학 반응 시간 척도와 유동 시간 척도의 균형을 조절함으로써 화염 안정성에 영향을 미침을 의미한다. 본 연구 결과는 중심 공기 분사로 인해 형성되는 유동 구조와 화염 영역 간의 상호작용이 화염 안정화 및 불안정화를 모두 유발할 수 있음을 보여준다. 이는 화염 안정성을 극대화하기 위해 최적의 중심 공기 유량비가 존재함을 의미한다. 본 연구는 수소 혼소 가스터빈 연소기에서 중심 공기 분사 전략을 효과적으로 운용하기 위한 물리적 이해를 제공하는 데 기여할 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In response to the increasing interest in hydrogen as an environmentally friendly fuel, central air injection has been suggested as a method to suppress flashback and NOx emissions. However, its impact on flame blow-off is little understood. This study experimentally and numerically investigates the effects of varying the quantity of central air on the blow-off limits of premixed CH4/H2 flames stabilized by a bluff body in a swirl combustor. The central air-to-main flow ratio was systematically modified from 1% to 15%, and the corresponding flame stability limits were measured using OH* chemiluminescence imaging. The experimental results demonstrate a clear non-monotonic reliance of blow-off on central air injection. Increasing the central air flow rate up to 5% of the main flow initially destabilizes the flame and promotes early blow-off, whereas further injection in the range of 5–10% significantly enhances flame stabilization and extends the blow-off limit. Beyond this range, however, additional central air again deteriorates flame stability, leading to blow-off. To understand the underlying mechanisms, computational fluid dynamics simulations were performed to analyze flame–flow interactions and recirculation characteristics near the bluff body. The observed behavior was interpreted using a Damköhler number derived from the practical reaction zone, which captures the balance between chemical and flow time scales that control flame stability. The variation of the Damköhler number closely follows the experimentally measured blow-off trend and explains the three distinct regimes through changes in local equivalence ratio, temperature, residence time, and flame volume induced by central air injection. The results indicate that central air injection creates both stabilizing and destabilizing effects, depending on the interaction with the flame anchoring region. These findings confirm that flame–flow coupling plays a dominant role in blow-off behavior and that there is an ideal central air flow rate for keeping flames stable. The current study offers physical understanding and design-oriented recommendations for enhancing central air injection techniques in hydrogen-enriched, low-emission gas turbine combustors. The present study provides physical insight and design-relevant guidance for optimizing central air injection strategies in hydrogen-enriched, low-emission gas-turbine combustors.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents iv
• List of Tables vi
• List of Figures vii
• Nomenclature x
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Background 1
• 1.2 Central Flow 4
• 1.3 Previous Works 8
• 1.4 Research Objectives 10
• Chapter 2. Setup and Conditions 11
• 2.1 Experimental Setup and Conditions 11
• 2.2 Computational Setup and Numerical Methodology 15
• Chapter 3. Results and Discussion 21
• 3.1 Blow-off Limit and Flame Characteristics 21
• 3.2 Determination of Damköhler number 31
• 3.3 Damköhler number Evaluation 36
• Chapter 4. Conclusion 41
• Bibliography 43
• Abstract in Korean 51