<그림 1. OH 자발광 및 OH 평면 레이저 유도 형광법을 이용한 군집 수소 화염의 위상 동기화 이미지>

우리 대학 항공우주공학과 김규태 교수 연구팀(연소불안정 및 레이저진단 연구실)은 안정적인 수소전소 연소기술 개발을 위해 다양한 노즐 형상에서 열-음향 불안정 연구를 수행하고 있다. 최근 본 연구팀은 군집 수소 화염에서 특징적으로 관찰되는 고진폭/고주파 연소진동 메커니즘을 실험을 통해 규명하였다.

현재 수소 전소/혼소 가스터빈 연소기술은 에너지 산업의 탄소배출량을 현격히 줄이기 위한 핵심 기술로 주목받고 있다. 하지만 수소 화염은 기존의 탄화수소 계열 연료와 비교하여 매우 다른 연소 특성으로 인해 연소기 개발 시 다양한 문제들을 유발한다. 특히 수소의 빠른 화염전파속도는 화염이 연소기 상류로 이동하는 화염역화 현상을 발생시킬 수 있으며, 이를 방지하기 위해 기존의 연소기 구조와는 다른 새로운 노즐 설계가 요구된다. 따라서 본 연구팀에서는 밀리미터 스케일의 수소/공기 제트 화염이 다발로 이루어진 군집 노즐을 설계하여 역화 현상을 성공적으로 제어하였으며, 연소 진동 계측 및 레이저 진단을 이용한 화염 구조 가시화를 통해 수소 화염의 열-음향 특성을 관찰하였다.

비교적 좁은 주파수 영역에서 진동하는 메탄 화염과는 달리, 수소 화염은 400 Hz 부터 1800 Hz 사이의 넓은 주파수 영역에서 고진폭 불안정 섭동을 나타냈으며, 더 좁은 폭의 노즐에서는 약 3 kHz 이상의 횡 방향 연소불안정 모드로 성장하는 것을 처음으로 관찰하였다. 또한 저주파에서 고주파로 이동할수록 수소 화염의 소염과 재점화 현상이 감소하였고, 가장 단순한 움직임을 통해 고주파/고진폭 섭동을 유지하는 것을 확인했다.

위 실험 결과를 바탕으로 미국의 General Electric 사와 수소터빈 반응유동 예측을 위해 고정밀 대와류수치해석 관련 공동연구를 진행하고 있으며, 후속 연구에서는 비선형 시스템 해석을 통해 수소 화염의 불안정 현상을 예측할 계획이다. 이처럼 난류 화염과 시스템 음향장의 공진 결합으로 발생하는 연소불안정 현상은 상당한 비선형 특성을 내포하고 있어 실험 데이터의 확보가 매우 중요하다. 본 연구결과는 광범위한 운전조건에서 수소 군집 화염을 거동을 실험적으로 고찰하였다는 것에 의의가 있으며, 향후 수소터빈 개발에 있어 고주파 불안정 제어를 위한 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다. 강혜빈 박사과정 학생이 제1저자로 참여한 본 연구결과는 연소/추진분야 최상위 국제학술지인 Combustion and Flame에 게재되었다. (논문명: Combustion dynamics of multi-element lean-premixed hydrogen-air flame ensemble).