본 연구에서는 열적 구배를 갖는 열음향 진동 환경에 Helmholtz resonator를 적용하여 연소 불안정 연구를 수행하고자 하였다. 열음향 불안정 환경은 DC power supplier를 이용한 전기적 방법으로 정량적인 열량을 공급하고 blower를 이용하여 유량을 제어하는, 특정한 공진 주파수를 갖는 수평형 Rijke tube로 구현하였다. 열음향 불환경 환경 하에서 얻어진 Helmholtz resonator 의 감쇠특성을 상온 실험 자료와 비교/분석하여 열음향 불안정 환경에서의 Helmholtz resonator의 감쇠특성을 확인하기 위한 예비 연구를 수행하였다.
수평방향의 전기히터 방식의 Rijke tube는 구조와 원리가 비교적 간단하여 열 음향 불안정 연구에 대표적으로 사용되고 있다. 본 논문은 음향공 특성연구의 일환으로 현재까지 수행하였던 상온감쇠실험과 열적 구배를 갖는 열 음향 불안정 환경과의 실험을 비교하기 위하여 연속적인 실험을 위하여 장시간에도 안정적인 Rijke Tube 제작 및 구성 방법을 제시하였다. 또한 모사된 열 음향 불안정 환경에 음향공을 장착하여 감쇠특성을 확인하여 추후 연구에 필요한 기초자료를 확보하였다.
본 연구에서는 열/음향 불안정성 환경 모사를 위하여 수평형의 Rijke tube를 설계/제작하였고, 이를 이용하여 구현하고자 하는 주파수대의 열구배를 갖는 공진현상이 발생됨을 확인하였다. Rijke tube를 이용해 열 음향 불안정 환경을 조성한 후, 음향공을 장착하여 얻어진 감쇠특성을 상온실험 자료와 비교/분석하여 열 음향 불안정 환경에서의 음향공 감쇠특성을 확인하였다. 열/유동 환경하에서의 감쇠 시간이 상온 환경에 비해 약 40% 증가함을 확인하였으며, 이로부터 음향공 설계시 열/유동 환경이 고려되어야 함을 확인하였다.
The thermal system like a combustion chamber is believed to experience a significant instability problem with vibration in case that the thermal energy or the acoustic energy are transformed into a different form through a relevant path. This study deals with a numerically- predicted, Thermoacoustic instability in a Rijke tube by using a non-linear model for a heat source. The heating part where the energy transformation occurs actively is modeled after simulating two-dimensional cylinder case with constant surface temperature, and a nonlinear model that accounts for the transfer function of magnitude- and phase-characteristics is properly implemented so as to be dependent on the pulsation strength in the tube. The heat source model is observed to result in equivalent Thermoacoustic instabilities in the Rijke tube except low flow-rate cases in which the natural convection is dominant.
열음향학적 불안정성의 동역학적 저차 모델링 기법 개발을 위해 전기적으로 가열되는 Rijke 튜브 실험 장치를 구성하고, 불안정성으로 인해 발생되는 튜브 내의 압력 진동을 측정하였다. 측정된 데이터로부터 압력 신호의 주파수 스펙트럼을 분석한 결과 3개의 주요한 진동모드를 관측할 수 있었으며 특히 첫 번째 모드 주파수는 단순한 열음향학적 해석 결과와도 거의 일치하는 것을 확인하였다. 이러한 실험 자료와 데이터 분석을 바탕으로 추후 열음향학적 불안정현상의 저차 모델링을 수행할 예정이다.
Rijke관에 놓인 나선형 가열기에 의하여 생성되는 열음향 파워를 수치해로 구하였다. 음장의 각진동수와 공기의 열확산계수에 의하여 무차원화한 가열선의 지름 d, 간격 P-d 및 유속 $U_0$가 음향 파워 생성에 미치는 영향을 구하고 고찰하였다. 가열선 간격이 충분히 클 때 무차원 유속이 $U_0{\approx}0.8$, 무차원 지름이 d.4일 때 가장 큰 열음향파워가 생성된다. 그러나 가열선 사이의 간격이 가까워지면 음향 파워 생성이 크게 증가하며 $d{\approx}2$, $P-d{\approx}3$에서 최대로 되며, 간격이 충분히 먼 경우의 최대값의 5배 이상이 될 수 있다. 최대 음향파워를 생성하는 유속은 가열선 간격에 관계없이 $U_0{\approx}0.8$일 때이다.
Song Woo-Seog;Lee Seung-Bae;Shin Dong-Shin;Na Yang
Journal of Mechanical Science and Technology
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제20권6호
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pp.905-913
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2006
The instability curve of a Rijke tube system was obtained accurately by following different paths of heat power and flow-rate for three regions and by defining its locus from the criterion based on the measured sound pressure levels. The unstable limits in the region of flow-rate lower than that at the minimal power are compared with previous data. To observe the effect of turbulence on the unstable limits, inflow turbulence was introduced by placing a bundle of circular cylinders upstream of the heating part ($50). The large-amplitude inflow fluctuation may delay the transition of the chamber acoustic mode to the unstable Bone even at a sufficient power.
Combustion instability is a common phenomenon in a ducted flame burner and is known as accompanying low frequency oscillation. This is due to the interaction between unsteady heat release rate and sound pressure field, that is, thermoacoustic feedback. In Rayleigh criterion, combustion instability is triggered when the heat addition is in phase with acoustic oscillation. A Rijke type burner with a pre-mixed flame is built for investigating the effect of Reynolds number and equivalence ratio on thermoacoustic oscillation. The results suggest that the frequency of max, oscillation is dependent on Reynolds number and equivalence ratio whereas its magnitude is not a strong function of these two parameters.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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