일반적인 제트 연료를 사용하는 소규모 발전 시스템의 개발에서 고효율 달성, 안정적 운전, 그리고 크기 축소는 특히 연소기 설계와 관련하여 핵심 과제이다. 이러한 과제에 대응하기 위해, 모델 초소형 연소기의 개념, 설계 및 연소 특성에 관한 연구는 매우 바람직하다. 본 연구에서는 액체 연료 분사를 장착한 초소형 포획 와류 연소기를 제작하고, 가시광 및 [Formula: see text] 화학발광 이미징, X선 위상 대비 이미징, 입자영상유속계, 연소 효율 측정 등 다양한 측정을 통해 연소 특성을 실험적으로 조사하였다. 측정 결과 안정적인 연소는 구현되었으나, 연소 영역과 성능은 운전 조건 및 연료 종류에 따라 상당한 차이를 보였다. 액적의 체류 시간, 이동 거리 및 벽면 온도의 영향에 대한 분석은, 연소 특성의 이러한 변동이 운전 조건, 연료 물성, 벽면 온도 및 열방출 영역의 위치가 연료 액적의 증발에 미치는 복합적 영향에 잠재적으로 기인함을 지지한다.

본 연구는 혹독한 환경에서 기계적 진동과 열 부하를 포함하여 실시간 가스 진단을 위한 소형화, 설치 용이성, 견고성을 고려한 조절식 다이오드 레이저 흡수 분광 센서의 설계 개념 및 성능 검증을 제시한다. 광학 부품은 진동 및 온도 상승에 대해 센서를 소형화하고 신뢰성을 확보하도록 설계되었다. 신호 증폭 및 진동 견고성을 위해 센서 내부에 삼각형-나선 형태의 레이저 빔 경로를 구성하였다. 신호 후처리는 측정 정확도를 향상시키는 것뿐 아니라 진동에서도 센서 출력 신호를 안정적으로 만들도록 설계되었다. 센서의 복잡도를 줄이기 위해 가스 진단에는 단일 흡수선(single absorption line)을 활용하고, 단일 흡수선을 분석하여 가스 특성을 실시간으로 측정하는 절차를 적용하였다. 센서의 성능은 세 가지 시험을 통해 검증하였다: 진동 시험, 가스 특성 측정 시험, 실시간 가스 분석 시험. 진동 시험은 혹독한 환경에서 센서의 견고성을 검증하기 위해 수행하였다. 가스 특성 측정 시험은 각각 압력 범위 10–110 kPa와 온도 범위 300–500 K에 해당하는 공기 조건을 생성하는 가스 챔버를 사용하여 수행하였다. 실시간 가스 분석 시험은 유동 통로에서의 센서 사용성을 검증하기 위해 수행하였다.

일반적인 제트 연료를 사용하는 소규모 발전 시스템의 개발에서 고효율 달성, 안정적 운전, 그리고 크기 축소는 특히 연소기 설계와 관련하여 핵심 과제이다. 이러한 과제에 대응하기 위해, 모델 초소형 연소기의 개념, 설계 및 연소 특성에 관한 연구는 매우 바람직하다. 본 연구에서는 액체 연료 분사를 장착한 초소형 포획 와류 연소기를 제작하고, 가시광 및 [Formula: see text] 화학발광 이미징, X선 위상 대비 이미징, 입자영상유속계, 연소 효율 측정 등 다양한 측정을 통해 연소 특성을 실험적으로 조사하였다. 측정 결과 안정적인 연소는 구현되었으나, 연소 영역과 성능은 운전 조건 및 연료 종류에 따라 상당한 차이를 보였다. 액적의 체류 시간, 이동 거리 및 벽면 온도의 영향에 대한 분석은, 연소 특성의 이러한 변동이 운전 조건, 연료 물성, 벽면 온도 및 열방출 영역의 위치가 연료 액적의 증발에 미치는 복합적 영향에 잠재적으로 기인함을 지지한다.

본 연구는 혹독한 환경에서 기계적 진동과 열 부하를 포함하여 실시간 가스 진단을 위한 소형화, 설치 용이성, 견고성을 고려한 조절식 다이오드 레이저 흡수 분광 센서의 설계 개념 및 성능 검증을 제시한다. 광학 부품은 진동 및 온도 상승에 대해 센서를 소형화하고 신뢰성을 확보하도록 설계되었다. 신호 증폭 및 진동 견고성을 위해 센서 내부에 삼각형-나선 형태의 레이저 빔 경로를 구성하였다. 신호 후처리는 측정 정확도를 향상시키는 것뿐 아니라 진동에서도 센서 출력 신호를 안정적으로 만들도록 설계되었다. 센서의 복잡도를 줄이기 위해 가스 진단에는 단일 흡수선(single absorption line)을 활용하고, 단일 흡수선을 분석하여 가스 특성을 실시간으로 측정하는 절차를 적용하였다. 센서의 성능은 세 가지 시험을 통해 검증하였다: 진동 시험, 가스 특성 측정 시험, 실시간 가스 분석 시험. 진동 시험은 혹독한 환경에서 센서의 견고성을 검증하기 위해 수행하였다. 가스 특성 측정 시험은 각각 압력 범위 10–110 kPa와 온도 범위 300–500 K에 해당하는 공기 조건을 생성하는 가스 챔버를 사용하여 수행하였다. 실시간 가스 분석 시험은 유동 통로에서의 센서 사용성을 검증하기 위해 수행하였다.

가열된 탄소 기반 물질과 고온 공기 사이의 상호작용은 열보호 시스템의 표면으로의 열전달에 영향을 미치며, CO2와 같은 박리(ablative) 가스 종을 생성할 수 있다. 박리 가스 생성의 예측은 열유속 예측 및 열보호 시스템 설계에 결정적으로 중요하다. 본 연구에서는 뜨거운 탄소 표면과 고온 가스 사이의 가스–표면 상호작용에서 형성되는 CO2의 수밀도(number density)를 측정하는 시스템을 제시한다. 가열된 탄소 벽은 충격관(shock tube)과 표면 가열 모델을 사용하여 고온 공기에 노출한다. 탄소 벽의 표면 온도는 2색 비율(two-color ratio) 파이로미터리(pyrometry)로 측정한다. CO2의 수밀도는 가스–표면 상호작용 모델링을 포함하여 충격관 유동에 대한 수치 계산을 수행함으로써 예측한다. CO2 분자의 수밀도는 적외선 방출 분광학(infrared emission spectroscopy)으로 측정한다. 측정된 CO2 수밀도는 면적 가중 평균 표면 온도 1212 K에서 9.60 × 1023 m−3이다. 측정된 수밀도는 오차 6% 이내에서 예측값과 일치한다. 제안된 시스템은 다양한 가스–표면 상호작용 조건에서 CO2 수밀도 측정에 적용 가능하며, 박리 가스 생성의 규명과 가스–표면 상호작용에 대한 수치 연구에 활용될 수 있다.

고체연료 램제트에서 고체연료의 연소(회귀)율은 추력, 비추력 및 비행거리와 직접적으로 연관되는 핵심 성능 지표이다. 따라서 연소(회귀)율을 정확히 예측하는 것은 고체연료 램제트 추진 시스템의 설계 및 최적화에 필수적이다. 본 연구에서는 고체연료 램제트 적용을 위한 연료 과농(propellant, fuel-rich) 추진제의 연소(회귀)율과 연소 특성을 예측하기 위해 응축상 열분해와 기상 연소를 결합한 연성(coupled) 수치해석 프레임워크를 개발하였다. 연소(회귀)율은 화염으로부터의 대류 열전달과 Arrhenius형 열분해 관계를 바탕으로 계산하였다. 유입 공기 질량유속과 온도가 연료 연소(회귀) 및 연소 성능에 미치는 영향을 검토하기 위해 체계적인 분석을 수행하였다. 예측된 연소(회귀)율은 실험 데이터와의 일치도가 양호하여 제안된 모델을 검증하였다. 그 결과 국소 연소(회귀)율은 재부착 지점(reattachment point) 근처에서 최고값을 보인 뒤 하류 방향으로 점진적으로 감소하는 것으로 나타났다. 또한 공기 질량유속과 온도를 증가시키면 연소(회귀)율이 더 높아졌다. 공기 온도와 질량유속이 모두 연료 연소(회귀)율에 유의한 영향을 미친다는 점을 보여주는 연소(회귀)율 상관식을 도출하였다.

액체연료를 사용하는 가스터빈 연소기의 내부 동역학은 분무(스프레이) 물리, 난류, 연소 간의 상호작용으로 인해 복잡하다. 이러한 과정을 이해하는 데 계산 도구가 도움이 된다. 본 연구에서는 다양한 운전 조건과 형상에 대해 F-24 제트연료의 정상상태 연소 거동을 특성화하기 위해 육군 연구 연소기-소형(Army Research Combustor-small size, ARC-S1)을 위한 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 모델을 개발하였다. 고속 X선 위상 대조 이미징(high-speed X-ray phase contrast imaging)으로 측정한 고품질 액적 데이터를 분무 모델 초기화에 사용하였다. ARC-S1의 초기 설계는 트랩드 보텍스 캐비티(trapped vortex cavity) 연소기 기초로 한다. 형상의 변화를 비교하기 위해 캐비티 간 질량 교환, 연료 소모, 연소 효율과 같은 지표를 개발하였다. 특히 다양한 운전 조건에서 스월(swirl)과 캐비티 형상의 영향에 대해 조사하였다. 전반적으로 스월의 존재는 혼합을 개선할 수 있으나, 동시에 캐비티와 연소기 벽면에 필름(film) 형태로 손실되는 연료를 증가시키는 것으로 관찰된다. 캐비티 형상의 수정은 연료 소모 개선에 활용할 수 있는 온도 분포의 변화를 유도할 수 있다.

연소기를 사용하는 소규모 발전 시스템의 설계에서 고효율과 안정적 운전, 그리고 크기 절감의 달성은 핵심 과제이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 소형 연소기의 개념과 설계 및 연소 특성에 관한 연구는 매우 바람직하다. 본 연구에서는 연료 분무(연료 미립화) 분사를 갖는 소규모 포획 와류(trapped vortex) 연소기를 설계하고 연소 특성을 실험적으로 연구하였다. 화염을 가시적으로 확인하고 1차 화학 반응 영역의 공간 분포를 관찰하기 위해 가시광 및 OH* 화학발광 이미징을 수행하였다. 액체 연료의 미립화와 증발은 연소 성능에 결정적으로 중요하므로, X선 위상 대조 이미징을 이용하여 연료 분무에 대한 정성 및 정량 조사를 수행하였다. 연소 성능을 평가하기 위해 연소 효율 측정을 실시하였다. 연소기 내 연소 특성은 획득한 분무 정보, 열발생 영역 이미지, 그리고 연소 효율을 바탕으로 논의하였다. 설계된 연소기를 사용하여 안정적 연소와 우수한 연소 효율을 달성하였으나, 대기압 연소기 조건에서는 상대적으로 낮은 성능이 관찰되었다.