비예혼합 대향류 화염의 축대칭 모사 - 연료농도가 화염구조에 미치는 영향 -

Axisymmetric Simulation of Nonpremixed Counterflow Flames - Effects of Fuel Concentration on Flame Structure -

연료농도에 따른 대향류 화염구조의 변화를 조사하고 수치법을 검증하기 위해, 축대칭 메탄-공기 대향류화염을 모사하였다. 변형률 $a_g=20,\;60,\;90\;s^{-1}$과 연료 중 메탄의 몰분율 $x_m=20,\;50,\;80\%$를 수치매개변수로 하여, 변형율과 연료농도에 따라 온도분포, 닥트 중심축의 온도분포와 축방향 속도의 분포를 계산하였다. 축대칭 모사는 혼합분율 연소모델을 채용한 FDS로 수행하였고, 계산결과를 구체적 화학반응을 포함한 1차원 화염코드 OPPDIF의 계산결과와 비교하였다. 본 연구에서 조사한 모든 변형율과 연료농도에서 축대칭 모사의 온도 및 축방향 속도 분포가 1차원 계산결과와 잘 일치하는 것으로 나타났다. 연료농도가 증가하면 화염의 두께와 최고온도가 증가하고 반경이 감소함을 알 수 있었다.

The axisymmetric methane-air counterflow flame was simulated to investigate changes in the flame structure due to the fuel concentration and to evaluate the numerical method. The global strain rates $a_g=20,\;60,\;90\;s^{-1}$ and the mole fractions of methane $x_m=20,\;50,\;80\%$ in the fuel stream were taken to be numerical parameters. The axisymmetric simulation was conducted by using the Fire Dynamics Simulator (FDS) which employed a mixture fraction combustion model, and the results were compared with those of OPPDIF, which is an one-dimensional flamelet code and includes detail chemical reactions. In all the cases tested, there was good agreement in the temperature and axial velocity profiles between the axisymmetric and one-dimensional simulations. It was shown that the flame thickness and peak flame temperature increase and the flame radius decreases as the fuel concentration increases.