대전 한국과학기술원(KAIST)은 대와류 시뮬레이션을 사용하여 수소-메탄 혼합 화염의 화염 구조를 예측하기 위해 Ansys와 협력하고 있습니다.
수소는 탄소 중립성을 위한 연료로서의 우위를 확보했습니다. 활용 시점에 탄소 배출이 없기 때문에 넷 제로 이니셔티브에 매력적인 선택지입니다. 수소 연료는 일반적인 탄화수소와 비교하여 화염 속도(8배 높음), 점화 에너지 요구량(15배 낮음), 인화성 한계(4%~70%)가 더 넓은 특성을 가지고 있습니다1. 수소의 이러한 특성은 수소 및 수소 혼합 연료를 기반으로 에너지 변환 시스템을 설계하는 데 있어 기회와 도전 과제를 제공합니다.
수소의 특성으로 인해 효율성과 연소 안정성이 향상됩니다. 그러나 수소의 높은 화염 속도와 넓은 인화 한계로 인해 역화 및 기타 안전 관련 사안에 대한 중요한 문제가 발생합니다. 수소 화염의 화염 온도가 높을수록 질소산화물(NOx) 및 금속 보호에 어려움이 있습니다. 낮은 루이스 수(질량 확산율에 대한 열 확산율의 비율)로 인한 수소의 강력한 차동 확산은 연소 불안정성의 주요 관심사입니다. 차동 확산으로 인해 국소 당량비가 변하므로 화염 전면을 따라 반응 속도가 달라집니다. 따라서 역화, NOx 배출 및 연소 불안정성과 관련된 문제가 빨리 해결될수록 청정 연료인 수소의 대규모 채택도 빨라집니다.
여러 연구 그룹이 실험실 테스트 및 시뮬레이션을 사용하여 이러한 문제를 완화하는 방법을 연구하고 있습니다. 한국과학기술원(KAIST), 대전, 그리고 Ansys는 대와류 시뮬레이션(LES)을 사용하여 수소-메탄 혼합 화염의 화염 구조를 예측하기 위한 전산 유체 역학(CFD) 방법과 모범 사례를 개발하고 있습니다.
KAIST 연소불안정 및 레이저진단 연구실(CDDL)에서 수행한 연구
KAIST CDDL은 고강도 가스 터빈 연소기, 항공기 엔진 애프터버너 및 바이추진제 액체 로켓 엔진의 저주파 및 고주파 연소 불안정성을 조사하고 있습니다. 현재 연구 활동은 다음과 같습니다.
- 고주파 연소 불안정성의 촉발, 관련된 복잡한 모드 역학 및 다중 킬로헤르츠 횡방향 열음향 변동의 기계적 세부 사항.
- 암모니아/수소 기반 무탄소 가스 터빈 연소의 레이저 진단 측정 및 수치 시뮬레이션.
- 첨단 축방향 연료 단계식 연소 시스템에서 횡방향 반응 제트의 자기 여자 역학에서 비롯된 위상 특성의 상세 특성.
(a) 실험 테스트 장비, (b) 석영 창에서 연소실 보기, (c) 화염, (d) 테스트 장비의 확대 보기
수소 및 수소 혼합 연료에 대한 Ansys 시뮬레이션 방법론
이전의 대부분의 연소 모델과 모범 사례는 탄화수소 연료에 대해 수년에 걸쳐 발전했으며 풍부한 실험 데이터 소스를 통해 검증되었습니다. 수소 및 수소 혼합 연료에 대해 이러한 모델과 모범 사례를 연구하고 검증해야 합니다. Ansys CFD 팀은 다양한 연소 모델링 방법론을 평가해 왔습니다. 수소 및 수소 혼합 연료를 기반으로 반응 유동 시스템을 시뮬레이션하기 위한 새로운 모델과 모범 사례를 개발하고 있습니다. 일부 연구는 이미 지난 몇 년 동안 공개 문헌에 발표되었습니다. 관심있는 독자는 아래 참조 섹션에 언급된 블로그와 논문을 참조할 수 있습니다.
KAIST 실험 테스트 장비의 도식
KAIST와 Ansys가 협력하여 화염 특성 예측
김 교수가 이끄는 KAIST 연구 그룹은 Ansys와 협력하여 KAIST 연소불안정 및 레이저진단 연구실(CDDL)에서 생성된 고품질 수소 및 수소 혼합 테스트 데이터를 사용하여 화염 특성을 예측하고 테스트 데이터와 비교하여 이를 검증하는 CFD 모델링 방법론을 개발하고 있습니다. 이를 통해 연구 커뮤니티는 연소 시스템에 대한 자세한 정보를 얻고 미래를 위해 보다 효율적인 시스템을 설계할 수 있습니다. 파생된 모델과 모범 사례는 실험 테스트와 시뮬레이션 관점 모두에서 복잡한 산업 사례에 쉽게 배포할 수 있습니다.
이 협업을 통해 얻은 샘플 결과 중 일부는 다음과 같습니다. 사용된 접근법과 검증 작업에 대한 자세한 내용은 곧 게시될 예정입니다.
선도적인 연구원들과 협력하여, Ansys는 수소 연료의 최첨단 기술을 발전시키는 데 도움을 주고 있습니다. 자세한 내용은 수소 가치 사슬 솔루션 페이지를 참조하십시오. 6월 24일부터 28일까지 ASME Turbo Expo 2024를 방문하는 경우, 수소 시뮬레이션에 대한 당사의 솔루션에 대해 자세히 알아보려면 Ansys 부스 #305에 들러주십시오.
정성적 화염 형상 예측 및 테스트 데이터와의 비교
참고 자료
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- S. Shrivastava and I Verma, “Accelerate Hydrogen Adoption Using Simulation”, Ansys 블로그, 2023년 10월 9일, https://www.ansys.com/en-in/blog/accelerate-hydrogen-adoption-using-simulation
- Vivek Kumar, “Why the Time is Right for Hydrogen”, Ansys 블로그, 2022년 6월 27일, https://www.ansys.com/en-in/blog/why-the-time-is-right-for-hydrogen
- Verma, I, Yadav, R, Shrivastava, S, & Nakod, P., GT2022- 82583. ASME Turbo Expo 2022 회보: Turbomachinery Technical Conference and Exposition. Volume 2: Coal, Biomass, Hydrogen, and Alternative Fuels; Controls, Diagnostics, and Instrumentation; Steam Turbine. 네덜란드 로테르담 2022년 6월 13일~17일. V002T03A012. ASME, https://doi.org/10.1115/GT2022-82583
- Xia, Y, Verma, I, Nakod, P, Yadav, R, Orsino, S, & Li, S., GT2022-80733. ASME Turbo Expo 2022 회보: Turbomachinery Technical Conference and Exposition. Volume 2: Coal, Biomass, Hydrogen, and Alternative Fuels; Controls, Diagnostics, and Instrumentation; Steam Turbine. 네덜란드 로테르담 2022년 6월 13일~17일. V002T03A004. ASME, https://doi.org/10.1115/1.4055104
- Verma, I, Yadav, R, Ansari, N, Orsino, S, Li, S, & Nakod, P., GT2022- 82601. ASME Turbo Expo 2022 회보: Turbomachinery Technical Conference and Exposition. Volume 3B: Combustion, Fuels, and Emissions. 네덜란드 로테르담, https://doi.org/10.1115/GT2022-82601
