Numerical simulation study on ignition process of hydrogen micro-mixed diffusion combustion chamber

기술 요약: 수소 마이크로 혼합 확산 연소실의 점화 과정에 관한 수치 시뮬레이션 연구

문제 정의

"쌍탄소(dual carbon)"라는 전략적 목표 아래, 수소 연료는 항공기 엔진의 에너지 구조를 변환하는 데 있어 핵심적인 요소로 점점 더 주목받고 있다. 그러나 수소의 높은 반응성, 낮은 점화 에너지 및 넓은 점화 범위는 특히 연소실과 같은 밀폐된 공간 내에서 심각한 안전 문제를 야기한다. 이러한 환경에서의 점화는 과압(본 연구에서는 초기 압력의 5%를 초과하는 국부적 압력 상승으로 정의함) 및 잠재적 폭발의 위험을 수반한다. 마이크로 혼합 확산 연소 기술은 화염을 미세 영역으로 나누어 혼합을 개선하고 배출물을 줄이는 해결책을 제시하지만, 이러한 밀폐된 공간 내 순수 수소의 구체적인 점화 위험 및 폭발 특성에 관한 연구는 여전히 "공백 상태"에 머물러 있다. 기존 문헌은 주로 수소 도핑 연료나 비밀폐 누출 시나리오에 집중되어 있어, 다양한 분사 및 점화 전략에 따른 순수 수소 마이크로 혼합 챔버의 점화 역학에 대한 이해에는 공백이 존재한다.

연구 방법론

본 연구는 ANSYS-FLUENT 소프트웨어를 이용한 수치 시뮬레이션 접근 방식을 채택하여 수소 마이크로 혼합 확산 연소실의 점화 과정을 조사한다.

• 물리 모델: 시뮬레이션 도메인은 Cranfield 대학교의 단일 3차원 인젝터 구조를 확장한 배열을 기반으로 하며, 260mm 길이의 연소실, 70mm 테일 수렴부, 그리고 6세트의 인젝터(각각 공기 및 수소 입구 포함)로 구성된다.
• 수치 설정:
  • 알고리-즘: 압력 기반 속도 결합형(Pressure-based velocity-coupled) Coupled 알고리즘.
  • 난류 모델: 수소 연소의 정확성을 보장하기 위해 Yilmaz Harun 등의 선행 연구를 바탕으로 선정됨.
  • 연소 모델: 난류 흐로 내 화학 반응을 포착하기 위한 에디 소산 개념(Eddy Dissipation Concept, EDC).
  • 화학 반응: ÓConaire 복합 수소 반응 메커니즘 (10개 성분, 21개 반응 단계).
• 경계 조건: 당량비는 0.4로 고정된다. 입구 조건은 총 공기 온도 422 K, 압력 243.47 kPa이다. 점화원은 고온 열원(2000 K, 반경 3 mm)으로 모델링된다.
• 안전 기준: GB/T 42368-2023을 참조하여, 순간 압력비($P_r = P_m / P_{t3}$)가 1.05에 도달하거나 이를 초과할 경우 폭발이 발생한 것으로 간주한다.
• 검증: 격자 독립성은 0.2 mm, 0.3 mm, 0.5 mm의 구조적 격자를 사용하여 검증되었다. 0.3 mm 격자가 0.2 mm 격자와 일치하는 결과를 제공하면서도 정확도 요구 사항을 충족하므로 최종 선택되었다.

주요 기여 및 결과

본 연구는 서로 다른 분사-점화 타이밍(안정적 충전, 충전 종료, 절반 충전)과 서로 다른 시작 부하(전부, 1/2, 2/3 작동 조건) 하에서의 연소 및 폭발 특성을 체계적으로 분석한다.

1. 점화 타이밍 및 혼합물 균질성

• 안정적 충전 (Time A): 안정적 충전 시 화염은 비교적 매끄럽게 전파되지만 초기 단계에서 역화(backfire)가 발생한다. 과압 현상이 나타나며, 가장 높은 피크 압력($P_r = 1.185$)은 $t = 75.5$ ms에서 인젝터 ④와 ⑤의 수소 출구 근처에서 관찰되었다.
• 충전 종료 (Time B): 충전 종료 시의 점화는 농도 구배를 가진 매우 불균일한 혼합물을 생성한다. 이는 화염 분리를 초래하며 안정적 충전 시보다 현저히 높은 과압 위험을 유발한다. 최고 압력 피크는 인젝터 ①의 인젝터 파이프라인에서 $t = 194.98$ ms일 때 $P_r = 1.48$에 도달하였다.
• 절반 충전 (Time C): 이 조건은 가장 불안정한 유동장을 나타내며, 챔버의 후반부는 순수 공기로 채워져 있다. 점화가 화염 연결을 달성하지 못해 화염이 꺼지는 블로우아웃(blow out) 경향을 보인다. 과압 위험이 가장 높으며, $t = 207.47$ ms에서 피크 압력 $P_r = 1.54$를 기록했다. 본 연구는 절반 충전 시의 점화는 안전하지 않고 신뢰할 수 없다고 결론지었다.

2. 시작 부하 및 분사 전략

• 전체 작동 조건: 빈번한 역화와 함께 중간 정도의 과압 위험을 보인다.
• 1/2 작동 조건: 활성 인젝터의 수를 줄이면(하단부만 사용) 평균 온도와 반응열은 감소하지만, 유동장의 불안정성으로 인해 역설적으로 과압의 횟수와 진폭이 증가한다.
• 2/3 작동 조건: 대칭 점화 위치(점화 위치 2)를 가진 중간 4개의 인젝터를 사용하는 경우 위험이 크게 감소한다. 평균 압력 맥동 진폭은 0.64 kPa로 떨어졌으며, 인젝터 ④ 근처의 특정 기하학적 응력 집중으로 인한 단 한 번의 미미한 과압 이벤트($P_r = 1.072$)만 발생했다.

3. 최적 점화 계획

본 연구는 다음과 같은 특정 순차 점화 전략을 최적의 솔루션으로 식별하였다:

1. 두 개의 중간 수소 인젝터(③ 및 ④)만을 개방하여 안정적이고 대칭적인 화염을 형성한다.
2. 50 ms 후에 인접한 인젝터(② 및 ⑤)를 개방하여 연소를 확장한다.
   결과: 이 대칭적이고 단계적인 접근 방식은 탐지 기간 동안 역화 현상을 완전히 제거한다. 과압 이벤트($P_r \geq 1.05$)는 관찰되지 않았다. 반응열과 압력 변동은 안정적이며, 화염은 비대칭 또는 비순차적 전략에서 보이는 격렬한 진동 없이 안정적으로 전파된다.

의의 및 주장

본 논문은 중국 항공용 수소 연료 마이크로 혼합 연소실의 안전하고 신뢰할 수 있는 점화를 위한 최초의 이론적 근거를 제공하며, 이전에 탐구되지 않았던 연구 공백을 메웠다고 주장한다.

• 과압 메커리즘: 연구는 과압이 역화와 직접적인 상관관계가 있음을 명확히 한다. 과압은 역화로 인한 고온이 모서리, 코너, 인젝터 단차 및 벽면과 만날 때 발생하며, 이로 인해 압력이 축적된다.
• 균질성의 역할: 본 연구는 혼합물의 불균일성, 부적절한 점화 타이밍, 비대칭 분사 조건이 과압 빈도와 진폭을 증가시키는 주요 동인임을 입증한다.
• 실무적 권고: 저자들은 대칭 조건 하에서 수소 분사구를 줄이는 것이 과압을 완화하는 효과적인 방법이라고 결론지었다. 구체적으로, "중간 두 개를 먼저, 그 다음 확장"하는 점화 계획이 연소 불안정과 폭발 위험을 최소화하기 위한 최적의 전략으로 제안된다.

본 연구는 2/3 부하 조건에서 대칭 분사가 위험을 줄인다는 점을 강조하면서도, 두 그룹의 중간 부분을 순차적으로 점화한 후 확장하는 방식이 가장 안정적인 프로세스를 제공하며 과압 위험을 가장 낮게 유지하여, 밀폐된 마이크로 혼합 챔버 내 수소 폭발을 유발하는 조건을 효과적으로 방지한다고 강조한다.