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  • 탄소중립 수소전소 가스터빈 연소기 내부 반응유동의 열-음향 불안정 메커니즘에 대한 연구
  • 관리자 |
  • 2021-08-19 11:14:22|
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강혜빈

박사과정

저는 연소불안정 및 레이저진단 연구실 박사과정 강혜빈입니다. 탄소중립 수소전소 가스터빈 연소기 내부 반응유동의 열-음향 불안정 메커니즘에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 구체적으로, 희박 예혼합 군집 수소 화염의 고진폭 연소진동에 대한 계측, 고에너지 펄스 레이저를 이용한 화염 구조 가시화 및 물리학 기반의 저차 모델링을 통한 예측 및 분석을 수행합니다. 최근에는 고정밀 대와류수치해석을 위해 미국의 General Electric사와 공동연구를 진행하고 있으며, 인공지능-기계학습 이론을 이용한 예측툴 개발을 위해 홍콩과학기술대학의 Larry Li 교수 연구팀과 협업을 진행하고 있습니다.

연구소개

온실가스 감축 및 에너지 산업의 탄소중립 달성을 위해, 수소는 천연가스 기반의 연료를 대체할 수 있는 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있습니다. 하지만 안정적인 수소 가스터빈 연소기술 개발을 위해서는 역화 및 연소불안정 현상에 대한 이해가 중요합니다. 수소는 다른 탄화수소계열 연료와 비교하여  매우 빠른 화염전파속도를 가지며, 이로 인해 화염이 노즐 상류로 전파하는 역화 현상을 발생시키기도 합니다. 다른 주요 문제인 연소불안정은 시스템의 음향장과 난류 화염이 공진 결합하여 연소실 내부에 고 진폭의 압력파가 발생하는 현상입니다. 근본적으로 입구 조건에 대한 상당한 비선형 특성을 내포하고 있기 때문에 계측데이터 없이 예측하는 것이 매우 어렵습니다.
최근 저희 연구실에서는 다중노즐 배열에서 군집 수소 화염의 동적 거동과 자발불안정 현상에 대한 연구를 수행하고 있습니다. 실험 결과, 수소 화염은 기존의 메탄 연료와 달리 400 Hz 부터 1800 Hz 사이의 넓은 주파수 영역에서 불안정이 나타나는 것을 확인했습니다. 이 때 화염의 구조와 거동을 확인하기 위해 자발광 및 레이저진단 기법을 이용했습니다. 평면 레이저 유도 형광법은 수소 화염에 존재하는 OH 라디칼을 여기시켜 화염면의 상세한 구조를 정량화할 수 있으며 화염의 열 방출률을 직접적으로 이해하는데 사용될 수 있습니다. 저주파에서 고주파 영역으로 이동할수록 수소 화염의 주기적인 소염과 재점화 현상이 감소하였으며, 가장 단순한 움직임을 통해 고주파 섭동을 유지하는 것으로 나타났습니다. 고진폭 연소진동 제어를 위해 연료 스테이징 기법을 연구하고 있으며,  본 연구 결과들은 현재 진행중인 수소 가스터빈 개발을 위한 기초자료로 활용될 것으로 기대합니다.