1. 서 론
기후 변화에 대응하고 온실가스 배출을 줄이며 화석연료로부터의 에너지 독립을 달성해야 할 필요성이 증대됨에 따라, 대체 에너지원에 관한 연구는 전 세계적으로 빠르게 확산되고 있다. 수 세기 동안 화석연료는 전 세계의 주요 에너지원으로 사용됐으며, 이 과정에서 이산화탄소(CO2)와 질소산화물(NOx)과 같은 다량의 온실가스가 배출되어 지구온난화를 초래해 왔다. 화석연료는 발전소, 항공 산업 및 각종 산업 공정에서 전기적 또는 기계적 에너지로 변환되는 과정에 활용되며, 이때 CO2와 NOx가 주요 배출물로 발생한다. 발전소 및 항공 산업에 사용되는 가스터빈 엔진은 일반적으로 천연가스 또는 액체 연료를 사용한다. 특히 천연가스를 연료로 사용할 경우 상당한 수준의 오염물질이 배출되며, 이에 따라 통합 가스화 복합 발전(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)에서 생성되는 합성가스(syngas)와 탄소 포집 기술의 발전과 같은 저탄소 대체 연료에 대한 수요가 증가하고 있다. 오염 물질 배출을 저감하기 위해, 연구자들은 수소와 같은 무탄소 연료와 이들의 가스터빈 산업 적용 가능성에 주목하고 있다[1,2,3,4]. 20세기 중반에는 수소가 군용 항공기의 연료로 사용된 바 있으며[5], 20세기 후반의 석유 위기는 수소 연구의 필요성을 부각시키고 그 적용 범위를 민간 분야로 확장시키는 계기가 되었다[6,7,8,9]. 21세기에 들어서면서 수소 생산 기술과 연료전지, 레독스 흐름 전지, 수소 연소기 등 다양한 응용 분야에 대한 광범위한 연구가 수행되고 있다.
발전 산업에서 통합 가스화 복합 발전(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC) 및 천연가스 복합 발전(Natural Gas Combined Cycle)은 석탄, 바이오매스, 석유 코크스(petcoke), 폐기물 등 다양한 원료를 보다 청정한 방식으로 활용하기 위한 핵심 공정으로 기능한다. 가스화 과정에서는 수소와 일산화탄소가 풍부한 합성가스(synthesis gas)가 생성된다[9]. IGCC에서는 수증기와 산소를 이용하여 원료를 가스화함으로써 합성가스 내 수소 함량을 증가시킬 수 있으며, 이를 통해 CO2 배출을 80-90% 수준까지 저감할 수 있는 것으로 보고되었다[10,11,12]. 이러한 배경에서, 탄소 배출 저감, 연소 안정성 확보, 연소 효율 향상을 목적으로 수소 혼입(hydrogen enrichment) 및 순수 수소 연료의 산업 적용 가능성에 대해 이론적·실험적 연구가 활발히 수행되어 왔다[13,14,15,16,17]. Daniele 등[13]은 합성가스 혼합물이 난류 화염 전파 속도(turbulent flame speed)에 미치는 영향을 규명하기 위한 실험 연구를 수행하였으며, 난류 화염 속도와 층류 화염 속도(laminar flame speed)의 비가 선택적 확산에 기인한 열적 효과(preferential diffusive thermal effect)와 유체역학적 효과(hydrodynamic effects)의 복합 작용에 크게 의존함을 보고하였다. Dam 등[14]은 산소 존재하에서 탄화수소 연료 화염의 안정성을 분석하였다. 분석 결과, 연료 조성 내 수소 농도, 오염물 배출 특성, 연료 분사 노즐 직경에 따라 화염 안정성이 달라짐을 제시하였다. Liu 등[15]은 고강도 난류 혼합 조건과 비예혼합 화염(non-premixed flame) 조건에서 가스터빈 적용을 고려한 산소 연소(oxyfuel combustion) 특성을 분석하였다. 해석 결과, 잔류 산소 농도와 미연소 중간생성물의 배출이 모두 낮은 조건에서도 안정적인 연소가 가능한 균형 주입 범위(balanced injection ranges)가 존재함을 보고하였다. 한편, 기존 내연기관 시스템에서 화석연료를 수소로 대체할 경우 안전성, 경제성 및 성능 측면에서 다양한 공학적 수반되는 것으로 보고됐다[17]. 이러한 과제를 완화하기 위해, 다양한 혼합비의 수소 혼입 연료(hydrogen-enriched fuel blends)에 대한 연소 및 배출 특성을 수치해석과 실험으로 분석한 연구가 활발히 수행됐다[18,19,20,21,22,23]. Patel과 Shah[18]는 스월(swirl) 유무에 따른 역확산 화염(inverse diffusion flame)에서 수소 혼입 연료의 연소 및 배출 특성을 실험적으로 분석하였다. 그 결과, 스월(swirl)은 연료와 공기의 혼합도를 향상하며, 오염물 배출 특성에도 영향을 미치는 것을 확인하였다. 또한 Tamang 등[19,21,23]은 수소 체적분율(Vol.%) 증가에 따라 단열 화염 온도 상승이 NOx 배출 증가로 이어질 수 있음을 분석하였다.
수소는 CO2 배출을 저감하거나 제거할 수 있는 큰 잠재력으로 인해 유망한 에너지원으로 간주된다. 그러나 수소의 고유한 열물성 특성으로 인해 산업용 연소 시스템에서 안정적이고 지속적으로 활용하는 데에는 여전히 기술적인 어려움이 존재한다. 특히 수소의 화염속도는 기존 연료보다 약 6-7배 높아 역화와 연소 불안정성에 더욱 취약하다[24]. 또한, 높은 단열 화염온도는 대기 중 질소의 해리를 촉진하고 NOx 생성에 유리한 조건을 제공한다. 따라서 수소 기반 에너지 전환 시스템에서 안정적인 연소와 저NOx 배출을 달성하기 위해서는 비예혼합 micromix 연소모델의 개발이 필요하다. Wang 등[25]은 희박 예혼합 수소 연소 조건에서 발생하는 역화 운전성 문제를 분석하기 위해 수치해석 연구를 수행하였다. 이를 위해 화염 안정성을 확보하고 역화 발생 경향을 억제할 수 있는 수소 공급 구조로서 micromix형 인젝터 구성을 도입하였다. York 등[26]은 안정적인 수소 연소와 저NOx 배출을 달성하기 위해 다중 튜브 micro-mixing 개념을 적용한 수소 연소기를 개발하였다. 연구 결과, 제안된 설계는 화염 유지 성능을 향상시키는 데 기여하였으나, 연소기 내부에서 완전한 예혼합이 이루어지지 않아 상대적으로 높은 NOx 배출 특성을 나타내었다. 또한, 본 연구는 특정 연소기 형상 및 운전 조건을 대상으로 수행되었기 때문에, 그 결과를 다른 수소 연소 시스템에 직접 일반화하는 데에는 한계가 있다.
따라서 수소-탄화수소 혼합연료의 활용만으로는 배출가스를 완전히 제거하는 데 한계가 있어, 순수 수소 연소기술에 관한 연구가 지속적으로 요구되고 있다. 아울러 수소 에너지를 안정적으로 연소 에너지로 전환하기 위해서는 이에 적합한 연소기술의 확보 또한 필수적이다. 본 연구에서는 마이크로믹스 연소기를 활용하여 수소 연소 특성을 수치해석적으로 분석하고자 한다. 또한 수소 연소의 안정성 확보와 열적 NOx(thermal NOx) 배출 저감을 동시에 달성할 수 있는 연소 조건을 규명하는 것을 목적으로 한다. 특히 수소 연소는 높은 단열 화염 온도로 인해 NOx 배출 증가의 한계를 지니므로, 연소 가스의 체류 시간을 단축하고 혼합 특성을 제어할 수 있는 마이크로믹스 연소 개념의 적용 가능성을 정량적으로 평가하고자 한다. 본 연구에서는 Shear stress transport k-ω, Standard k-ε, realizable k-ε, Reynolds Stress Model 등의 난류모델과 finite-rate/eddy-dissipation 연소 모델을 적용하여, 연소가스 유동 특성, 화염 온도 분포, 그리고 NOx 배출 특성을 예측하고 비교·분석하고자 한다. 또한 다양한 당량비 조건에서 마이크로믹스 연소의 안정성과 NOx 배출 특성의 변화를 정량적으로 평가하고자 한다.
2. 수치 모델 및 해석 방법
2.1 마이크로믹스 연소기 모델
수소는 다른 연료와 열물성치(Thermophysical properties)가 상이하여 연소 과정에서 연소 불안정성이 증가하고, 조건에 따라 NOx 배출이 증가할 수 있다. 특히 수소는 낮은 밀도와 높은 화염 전파 속도를 가지므로, 기존 연소 시스템에서는 역화(flashback) 발생 위험이 커진다. 이러한 문제를 완화하기 위한 대안으로 마이크로믹스 연소기 기술이 제안되어 왔다[27,28]. 본 연구에서는 단일 노즐(single-nozzle) 구성을 대상으로 수소 연소 및 배출물 특성을 수치적으로 분석하고자 하였다. Fig. 1은 수치해석을 수행하기 위해 설계된 마이크로믹스 연소 모델의 3차원 연소기 형상을 나타낸다[28,32]. 연소기 모델은 역화(flashback) 문제를 완화하기 위해 비예혼합(non-premixed) 연소 원리를 적용하여 설계되었다. 이에 따라 설계된 연소기의 반응 영역은 산화제 주입구와 수소 연료 주입구가 각각 분리된 구조로 구성되어 있다. 공기 유입부는 완전 발달 유동(full flow development)을 확보하기 위해 Lair inlet를 23.5 mm로 연장하였다. 또한 점선으로 표시된 영역은 연소기 모델 내 공기 가이드 패널(air guiding panel)의 확대도를 나타낸다. 마이크로혼합 연소 모델에서 공기 유동은 공기 가이드 패널에 의해 가속된다. 공기 가이드 패널의 폭 WAGH 는 수소 분사 홀 직경의 두 배로 설정하였다. 반면, 가이드 패널의 높이 HAGH 는 2.9 mm로 설정하였다. 공기와 연료의 혼합을 효과적으로 향상시키기 위해 혼합 거리 Dm은 4.5821 mm로 설정하였다. 수소 인젝터의 지름은 로 정의하였으며, 그 값은 0.84 mm로 설정하였다. Lcombustion은 계산 모델에서 연소 영역의 길이를 의미하며, 100 mm로 설정하였습니다.
2.2 수치해석 방법 및 경계 조건
본 연구에서는 상용 수치해석 코드인 Ansys Fluent 25R2를 사용하여 수치 시뮬레이션을 수행하였다. 연소 가스와 공기-연료 혼합물의 유동은 레이놀즈 평균 나비에-스토크스(Reynolds-averaged Navier-Stokes, RANS) 방법을 이용하여 해석하였다. RANS 기법은 Direct Numerical Simulation 및 Large Eddy Simulation에 비해 계산 비용이 상대적으로 낮으면서도 공학적 적용에 충분한 정확도를 제공하는 것으로 알려져 있다. 이러한 이유로 RANS 방법은 다양한 공학적 유동 해석 분야에서 널리 활용되고 있다. 연소 및 배출물의 특성은 연소 및 혼합 현상에 크게 의존하므로, 본 연구에서는 Standard k-ε, Realizable k-ε, Shear stress transport k-ω, 및 Reynolds stress model을 포함한 다양한 난류 모델을 적용하여 그 성능을 비교 분석하고자 하였다. 연소 화염 온도 분포 및 배기가스 배출 특성을 정량적으로 분석·평가하기 위해 finite-rate/eddy-dissipation 연소 모델을 적용하였다. 또한, NOx 배출 특성 평가를 위해 열적 thermal NOx 모델을 사용하여 수치해석을 수행하였다. Thermal NOx 모델의 상세 반응 메커니즘은 참고문헌[29,30]에 제시되어 있으므로, 본 논문에서는 중복 설명을 생략하였다.
안정적인 연소를 위해서는 연료와 산화제의 혼합비를 적절히 설정하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 연소기 출력 조건을 나타내는 에너지 밀도(energy density, ED)를 기준으로 수소의 유량을 산정하였다. 마이크로믹스 연소기는 ED = 8 MW/m2.bar 조건에서 운전하도록 설정하였다. ED의 수학적 정의는 다음과 같다.
여기서 Eref.는 Aref.(연소기 출구의 기준 면적)을 기반으로 정의된 단일 노즐 마이크로믹스 연소기의 기준 열에너지(reference thermal energy)를 의미 하나다.
여기서 , , 는 각각 수소 연료의 밀도, 저위발열량(lower heating value), 체적유량(volumetric flow rate)을 나타낸다.
일정한 열출력을 만족하도록 공기 및 연료 유량은 당량비(equivalence ratio, ER)를 기준으로 이론적으로 산정하였다. 공기 존재하에서 수소 연료의 일반 반응식을 이용하면 공기 대 연료의 화학양론 질량비(stoichiometric mass ratio)를 계산할 수 있다[19]. 실제 운전 조건에서의 공기 및 연료 질량유량은 ER 변화에 따라 결정하였다. 공기 및 연료의 유입 경계 조건은 각각 질량유량 입구(mass flow inlet)로 설정하였으며, 유입 온도는 공기 560 K, 수소 연료 298.15 K로 지정하였다. 배기가스 출구에는 압력 출구(pressure outlet) 경계 조건을 적용하였다. 모든 벽면은 점착(no-slip) 조건으로 설정하였고, 상부·하부 및 양측 벽면에는 대칭(symmetric) 조건을 적용하였다. 모든 시뮬레이션은 대기압 조건에서 수행하였다.
2.3 격자 설계 및 독립성 검증
마이크로믹스 연소기 모델의 격자는 Ansys Fluent Meshing 25R2 상용 수치 코드를 이용하여 생성하였다. 연료 노즐 구간에서는 격자 해상도를 향상시키기 위해 국부 격자 크기(local mesh size)를 적용하여 격자를 세분화하였다. 연소기 모델의 표면은 global mesh 구조를 이용하여 이산화하였다. 벽면이 유동에 미치는 영향을 정확히 반영하기 위해 벽면 근처 첫 격자 높이는 y+ < 1 조건을 만족하도록 설정하였다. 계산 영역의 체적 격자는 poly-hexcore 메쉬 기법을 적용하여 생성하였다.
격자 밀도는 수치해석 결과에 영향을 미치는 주요 요인 중 하나이다. 이에 따라 본 연구에서는 격자 민감도(Grid sensitivity) 평가를 위해 총 격자 수가 약 1.1-3.1 million(셀) 범위인 세 가지 조건을 고려하였다. Fig. 2는 서로 다른 격자 밀도에서 수행한 격자 독립성(Grid independence) 검증 결과를 나타낸다. 격자 민감도 평가는 Standard k-ε 난류 모델과 당량비(ER) 0.4 조건에서 수행하였다. 혼합 거리(Mixing distance) 종점부터 유동 방향으로 90 mm 구간에 대해 x축 중심선(central line)을 설정하고, 해당 선을 따른 온도 분포를 평가 지표로 사용하였다. 격자 수가 1.1 million에서 2.1 million 및 3.1 million으로 증가함에 따라 온도 변동 강도가 완만히 증가하는 경향을 보였다. 특히 x축 4.5-15.5 mm 구간에서 미세한 편차가 관찰되었다. 이러한 편차를 보다 명확하게 비교 분석하기 위해, 확대도와 grid line을 추가하여 Fig. 2에 제시하였다. 그러나 2.1 million과 3.1 million 격자 조건은 중심선 전 구간에서 온도 분포가 거의 동일하게 나타났다. 따라서 본 연구에서는 2.1 million 격자를 적정 격자 밀도로 선정하였다.
3. 결과 및 토의
연소실 내부의 유동 특성은 연료와 산화제의 분포 및 상호작용을 지배하며, 이는 화염면의 위치, 열 방출 특성, 그리고 연소 과정에서의 오염물질 배출에 직접적인 영향을 미친다. 본 연구에서는 finite-rate/eddy-dissipation 연소 모델을 적용하여, 다양한 난류 모델 조건에서 연소실 중심 평면에서의 유동 특성을 정량적으로 평가·분석하고자 한다. Fig. 3은 연소기 중심 평면에서의 유선 분포를 난류 모델 조건 변화에 대해 비교한 해석 결과를 나타낸다. 해석 결과, 산화제(공기) 유동은 air guide(HAGP)를 통과하면서 가속되며, 혼합 구간(mixing distance)에서 연료와 혼합되는 과정에서 air guide 전방에 내부 와류(inner vortex)와 전단층(shear layer)이 형성되고, 수소 주입 구간 전방에는 외부 와류(outer vortex)가 형성되는 것이 관찰되었다. Realizable k-ε 난류 모델을 적용한 경우, 상대적으로 높은 속도 크기와 함께 내부 및 외부 와류의 규모가 가장 크게 형성되는 것이 확인된다. 그다음으로는 Reynolds stress model, Shear stress transport k-ω, 그리고 Standard k-ε 모델 순으로 와류 강도와 속도 크기가 감소하는 경향을 보인다. 이러한 결과는 Realizable k-ε 및 Reynolds stress model이 국부 변형률과 회전율에 따라 와류 점성 계수(eddy-viscosity coefficient)를 효과적으로 조절함으로써, 박리된 전단층에서 과도한 난류 확산을 억제하기 때문으로 해석된다. 그 결과 재순환 영역 내 각운동량 보존이 강화되며, 더 큰 와류 구조와 높은 국부 속도 크기가 형성된다. 반면 Shear stress transport k-ω 모델은 전단응력 제한자(shear-stress limiter)를 통해 박리 거동과 벽면 근접 유동을 비교적 정확하게 포착하지만, 자유 전단층에서의 난류 혼합이 증가함에 따라 와류 구조가 다소 확산되는 특성을 보인다. 이로 인해 각운동량 보존이 상대적으로 감소하며, 최대 속도는 Realizable k-ε 및 Reynolds stress model에 비해 낮게 예측되었다. 한편 Standard k-ε 모델은 고정된 와류점성 기반의 등방성 난류 가정을 적용하므로, 박리 유동에서 운동량을 과도하게 확산시키는 경향이 있다. 이로 인해 전단층의 확산이 가속되고, 전단층에서 형성된 와류 구조의 공간적 조직성과 유지성이 약화되며, 결과적으로 더 낮은 속도 크기와 더 작은 와류 규모가 형성되는 것으로 분석된다. 이러한 와류 구조의 차이는 난류 모델 간 유동 특성을 설명하는 중요한 지표이며, 나아가 혼합 특성, 반응가스의 체류 특성, 그리고 고온 영역의 공간적 분포 및 체적분율에도 직접적인 영향을 미칠 수 있는 것으로 예측할 수 있다.
단일 노즐 마이크로믹스 연소기에서 다양한 난류 모델을 적용하여 계산한 수소 연소 화염의 온도 분포 결과를 Fig. 4에 제시하였다. 해석 결과, 화염 온도장은 전단층(shear layer) 영역을 따라 하류 방향으로 발달하는 경향을 보였다. 이는 혼합 거리 구간에서 연료-산화제 혼합이 강화되면서 와류 쌍(vortex pair)이 형성되고, 이러한 유동 구조가 화염 안정화 및 고온 영역의 공간적 분포 형성에 영향을 미친 결과로 해석된다. Fig. 4의 해석 결과를 바탕으로 난류 모델에 따른 온도 분포의 차이를 비교한 결과, 전단층에서 형성되는 와류 쌍(vortex pair)이 고온 화염 영역의 위치와 확산 범위를 결정하는 주요 요인으로 확인되었다. 또한, 와류의 규모가 상대적으로 작은 조건에서는 국부 혼합 및 냉각 효과가 약화되면서 고온 화염 영역이 확대되고 최대 화염 온도가 증가하는 경향이 관찰되었다. 이는 산화제 유동의 분포 및 혼합 특성이 난류 모델에 따라 달라지기 때문이며, 그 결과 와류 쌍의 형성 위치와 크기, 전단층 특성이 변화하여 온도장 분포에도 차이가 나타난다.
Fig. 5는 연소기 중심선(centerline)을 기준으로 축 방향 온도 분포를 정량적으로 비교·분석하기 위해 제시하였다. 중심선 좌표에서 ‘0’은 혼합 거리(mixing distance) 종료 지점으로 정의하였으며, 이후 출구까지의 거리 방향으로 온도 변화를 평가하였다. 해석 결과, 전단층에서 연소된 고온 가스가 중심선 인근으로 유입되면서 중심선 온도는 초기 산화제 온도 대비 급격히 상승하여 최대 약 2500K에 도달하는 것으로 나타났다. 이후 하류 방향으로 진행할수록 연소 가스가 주변 와류에 의해 점차 냉각되며, 온도 분포가 보다 균일해지는 경향을 보였다. 불꽃 화염의 최대 온도는 Standard k-ε, Realizable k-ε, Shear stress transport k-ω, Reynolds stress model 순으로 높게 예측되었다. 또한, 하류 약 30 mm 지점까지는 모델 간 온도 편차가 비교적 크게 나타났으나, 그 이후에는 온도 분포가 수렴하여 모델 간 차이가 제한적인 것으로 분석되었다. 수렴 구간에서의 대표 온도는 약 1766.15 K 수준으로 확인되었다.
수소 연료는 탄소를 포함하지 않는 화학적 조성을 가지므로 에너지 전환 측면에서 환경친화적인 연료로 널리 인식되고 있다. 그러나 연소 기반 에너지 전환 과정에서는 높은 단열 화염 온도로 인해 상당량의 질소산화물(NOx)이 생성될 수 있다. NOx 배출은 지구온난화에 기여할 뿐만 아니라 인체의 호흡기 시스템에 부정적인 영향을 미치는 등, 환경 및 인체 건강에 심각한 유해성을 초래한다. 따라서 다양한 운전 조건 또는 마이크로믹스 연소실 설계를 통해 NOx 배출 특성을 체계적으로 평가하고 이를 저감하는 것은 환경 보호 및 기후 변화 완화를 위해 매우 중요한 과제이다. Fig. 6은 수소 연소 해석에서 화염 온도로 인해 생성되는 NO의 분자 방출률(molecular emission rate)을 비교하여 나타낸 해석 결과이다. Fig. 4 및 Fig. 5에서 확인할 수 있듯이, 화염의 고온 영역이 형성되는 위치에서 NO 생성률이 높게 나타난다. 난류 모델의 특성에 따라 와류의 강도와 크기, 그리고 전단층의 형성이 달라지며, 이에 따른 연소 화염 분포의 차이가 Figs. 3 및 4에서 확인되었다. 이러한 유동 및 화염 특성의 차이에 대응하여, Standard k-ω 난류 모델을 적용한 경우 NO 배출량이 가장 크게 예측되었다. 반면, Shear stress transport k-ω 모델과 Reynolds stress model에서는 Standard k-ω 모델에 비해 상대적으로 낮은 NO 생성량이 관찰되었다. 그중에서도 Realizable k-ε 난류 모델을 적용한 경우 NO 배출량이 가장 낮게 예측되는 것으로 분석되었다. 이러한 와류 구조의 차이는 난류 모델 간 유동 특성을 설명하는 중요한 지표이지만, 최종적인 NOx 배출 경향을 단독으로 설명하는 충분조건으로 보기는 어렵다. 실제 thermal NOx 생성은 전단층에서의 혼합 특성, 고온 영역의 공간적 분포 및 반응 가스의 체류 특성과 함께 종합적으로 해석될 필요가 있다.
Fig. 7은 다양한 난류 모델과 당량비 조건에 따른 마이크로믹스 연소기의 출구면 면적평균(area-averaged) NOx 배출량을 정량적으로 비교·분석한 결과를 나타낸다. 본 연구에서는 NOx 생성량을 기존 연구 논문[31]에서 제시된 계산식을 활용하여 산정하였다. 수치해석 결과, 당량비가 증가할수록 NOx 배출량이 전반적으로 증가하는 경향이 확인되었으며, 이는 연소 가스의 유동 특성 및 온도 분포 변화에 기인한 결과로 해석된다. 이에 따라 낮은 당량비 조건에서는 thermal NOx가 1 미만으로 매우 낮게 예측됐지만, 높은 당량비 조건에서는 최대 55.04 수준까지 증가하는 것으로 관찰되었다. 한편, thermal NOx 배출량은 적용된 난류 모델에 따라 상당한 차이를 보였다. Standard k-ε 모델을 적용한 경우, 모든 당량비 조건에서 가장 높은 NOx 배출량이 계산되었다. 그다음으로 Shear stress transport k-ω 모델과 Reynolds stress model은 전반적으로 유사한 수준의 NOx 배출량을 나타냈다. 특히 Reynolds stress model을 적용한 경우, ER = 0.3 및 0.47에서는 각각 약 9.3%와 1.74% 높은 NOx 배출이 계산됐지만, ER = 0.37 및 0.395 조건에서는 각각 약 6.94%와 3.61% 낮은 NOx 배출이 예측되었다. 또한, Realizable k-ε 모델은 모든 당량비 조건에서 비교적 가장 낮은 NOx 배출량을 계산되었다. 특히 가장 높은 당량비 조건에서 Realizable k-ε 모델을 적용한 결과, Standard k-ε, Shear stress transport k-ω, 그리고 Reynolds stress model에 비해 각각 약 8.24배, 2.41배, 2.46배 낮은 NOx 배출량이 나타났다. Realizable k-ε 모델은 ER ≤ 0.4 조건에서 실험 결과와 거의 일치하여 높은 예측 정확도를 보였다[32]. 그러나 ER = 0.47 조건에서는 예측값이 실험값과 비교하여 약 2배 수준의 차이를 나타냈다. 이는 유동 및 연소 특성의 차이에 기인한 결과로 해석될 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 수치해석을 통해 난류 모델 적용에 따른 마이크로믹스 연소기의 유동 및 연소 특성과 Thermal NOx 배출 예측 결과를 비교·분석하였다. 마이크로믹스 연소기에서는 가속된 산화제 유동에 의해 공기-연료 혼합 영역에서 전단층과 내부/외부 와류 구조가 형성되었으며, 이러한 유동 구조가 화염 온도 분포의 형성 및 발달에 유의미한 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 난류 모델별로는 Realizable k-ε 적용 시 국부 속도 크기가 가장 높고 와류 구조가 가장 뚜렷하게 나타났으며, Reynolds stress model, Shear stress transport k-ω, Standard k-ε 순으로 와류 강도와 속도 크기가 감소하는 경향을 보였다. 또한, Standard k-ε 적용 조건에서는 혼합 및 냉각 효과가 상대적으로 약화되면서 중심선 온도가 최대 약 2500K까지 상승하는 것으로 예측되었다. 열적 NOx 예측은 난류 모델에 따라 큰 차이를 보였으며, Standard k-ε 모델은 가장 높은 NOx를, realizable k-ε 모델은 가장 낮은 NOx를 예측하는 경향이 관찰되었다. 특히 realizable k-ε 모델의 예측값은 실험 결과와 비교적 잘 일치하였다. 따라서 마이크로믹스 연소기에서 난류 모델 선택은 와류-전단층 구조, 온도장, 그리고 NOx 배출 경향을 유의미하게 변화시키므로, 연소 안정성 및 배출 특성 평가에서 난류 모델은 핵심 불확실성 요인으로 고려되어야 한다.
