층류 비예혼합 화염장의 온도 및 농도 계측에 대한 연구 = Studies on the measurement of temperature and concentration in laminar nonpremixed flames

국문 초록 (Abstract)

본 연구의 목적은 최근 연소현상 측정 연구에 많은 주목을 받고 있는 레이저 분광법을 이용하여 연소장내에 존재하는 특정 분자의 농도 및 온도 분포 측정에 관한 기초연구와 상세 화염구조에 대한 레이저 광계측 기술을 확립하는 데에 있다. 이러한 레이저를 이용한 계측기법은 고출력 엑시머 레이저의 사용, 높은 이득률(gain)과 gating시간이 빠른 ICCD 카메라 및 컴퓨터를 이용한 빠른 영상처리 기술의 접목은 연소현상을 보다 더 정확하게 관측하는 데에 많은 이점을 가지고 있다.
본 연구에서는 레이저 계측을 위하여 실험장치를 구성하였으며 연소진단을 위한 레이저기법들의 개발을 위해 몇 가지 기초실험을 통하여, 정적 연소기를 이용하여 여러 기체들의 Rayleigh cross-section과 함께 가변형 KrF 엑시머 레이저의 파장 가변범위를 실험적으로 확인하고, 예혼합 CH4/Air화염을 이용하여 파장 가변범위내의 선해리 준위인 OH의 band와 O2, Schuman-Runge band인 에 대한 LIPF신호를 측정하여 여기-방출 영상 스펙트럼도(Excitation and Emission Imaging Spectrum Map)를 결정하였고, 레이저 기법들의 기본특성을 파악한 후에 본 실험에 적용하였다.
본 연구는 층류 수소확산화염과 층류 CH4 부상화염에 대하여 광계측 실험을 수행하였다. 층류 30%H2/70%N2 제트 확산화염에 대하여 Rayleigh 산란법을 이용하여 전 유동장에 대한 2차원적 온도분포를 구하였고, 선해리 유도 형광법(LIPF)를 이용하여 화염장내의 OH와 Hot O2의 농도를 측정하였다. H2를 연료로 사용했기 때문에 단순한 화학반응으로인해 다른 신호에 의한 간섭을 최소한으로 줄일 수 있었고 앞서 수행한 기초실험결과들을 이용하여 신빙성있는 결과들을 얻을 수 있었다.
그러나 탄화수소계열인 CH4를 연료로 사용한 CH4/N2 부상화염에서는 Soot으로부터 나오는 Mie 산란 및 레이저 유도 백열광(Laser-Induced Incandescence)신호들의 간섭으로 인하여 레일리 산란을 이용한 온도분포를 측정하지는 못했으나, OH 여기라인에 대한 On-Resonance Rayleigh 산란을 이용하여 화염장내에서의 OH와 Soot의 분포를 확인할 수 있었다. LIPF신호 측정시에 넓은 파장영역에 걸쳐 나오는 LII신호특성에 의하여 LIPF신호와 Soot에의한 LII신호가 동시에 계측되었다. 또한 레이저의 여기파장에 대하여 영향을 받지않는 LII의 특성을 확인할 수 있었다. 탄화수소계열의 연료를 사용하는 화염에서의 레이저 계측을 위해서는 앞서 수행된 기초실험외에 Soot의 광학적 특성에 대한 기초실험이 필수적으로 이루어져야 함을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 고출력의 에너지를 갖는 엑시머 레이저와 고성능 ICCD 카메라를 이용함으로써 형광신호의 높은 신호 대 잡음(S/N)비로 레이저의 단일 shot에 의한 형광신호 및 영상측정이 가능함을 확인하였다. 그러나 층류 비예혼합 화염내에서 높은 S/N비를 얻기 위하여 20번의 실험결과들로부터 평균적인 온도와 농도분포를 구하였다. 이러한 레이저 계측기법들을 이용하여 연소현상을 계측했을 때 다른 실험결과들 보다 많은 유용한 정보를 제공함으로써 상세한 화염구조와 연소 메커니즘의 분석에 많은 도움이 될 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.