1. 서 론

데토네이션은 격렬한 연소 반응으로, 화염 전파 속도가 음속을 초과하여 형성되는 현상이다. 데토네이션 파는 화염면과 충격파를 동반하며, 연소 과정에서 압력을 급격히 상승시킨다. 이러한 특성은 추진기관에 적용될 수 있는 잠재력을 지니며[1], 기존 열기관 대비 높은 열효율을 기대할 수 있다. 일반적인 항공용 추진기관은 Brayton 사이클을 기반으로 하며, 연소 과정은 정압 조건에서 이루어진다. 그러나 정압 연소 과정을 데토네이션 기반 연소로 대체할 경우, 연소 과정 중 압력이 상승하게 되므로 Brayton 사이클 대비 약 10~20% 높은 열효율을 달성할 수 있는 것으로 보고되고 있다. 데토네이션을 이상적인 열기관으로 활용하기 위한 개념으로는 Brayton 사이클을 개선한 Humphrey 사이클과 Fickett–Jacobs 사이클이 제안되어 왔으며, 이를 실제 열기관으로 구현하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다[2,3]. 데토네이션을 이용하여 추진력을 얻는 가장 기본적인 개념은 연료/산화제 혼합기를 일정 주기로 연소시켜 압력을 반복적으로 상승시키는 형태의 펄스 데토네이션 엔진(Pulse Detonation Engine, PDE)이다[4,5]. 이후 데토네이션 주기를 더욱 증가시켜 높은 압력을 연속적으로 유지하기 위한 대안으로, 도넛 또는 링 형상의 연소실에서 데토네이션 파를 원주 방향으로 회전시키는 회전 데토네이션 엔진(Rotating Detonation Engine, RDE)이 제안되었다[6,7].

RDE의 핵심은 연소실 내부에서 데토네이션 파를 안정적으로 형성하고 유지하는 것이며, 이를 위해 초기 점화 및 데토네이션 전이(deflagration-to-detonation transition, DDT) 과정은 매우 중요한 역할을 수행한다. 특히 고주기 운전 조건에서 반복적이고 안정적인 데토네이션 형성을 위해서는 단순한 점화가 아닌, 충분한 강도의 압력파를 생성하여 주 연소실로 전달할 수 있는 점화 장치가 요구된다.

이러한 목적을 위해 pre-detonator가 점화 장치로 활용된다. Pre-detonator는 스파크 점화를 통해 초기 화염을 형성하되, 그 역할은 단순 연소 개시를 넘어 주 연소실에서 데토네이션 전이를 유도할 수 있는 압력 조건을 형성하는 데 있다. 따라서 pre-detonator 내부에서 발생하는 초기 화염 발달, 압력 상승, 반사 압력파(reflected pressure wave) 형성 및 2차 점화 현상은 전체 점화 특성과 전이 거동에 직접적인 영향을 미칠 수 있다.

예혼합 메탄-산소 화염에서 당량비는 층류 연소 속도(laminar burning velocity), 열방출률, 화염 두께 및 화염 불안정성에 중요한 영향을 미치는 인자이다. 일반적으로 당량비가 증가하면 연소 속도와 열방출률이 증가하며, 이에 따라 화염 전파 특성과 압력 상승 거동 또한 변화한다. 그러나 이러한 경향은 주로 개방 조건 또는 일정 압력 조건에서의 자유 전파 화염을 기반으로 한 결과이다. Pre-detonator 내부와 같이 제한된 공간 조건에서의 예혼합 화염(confined premixed flame)은 급격한 압력 상승과 벽면 반사가 반복적으로 발생하는 환경에 놓이게 되며, 자유 화염과는 상이한 거동을 나타낼 가능성이 존재한다.

예혼합 화염의 전파 과정에서 화염면 주름 형성(flame wrinkling)은 수력학적 불안정성(hydrodynamic instability), 특히 다리우스–랑다우 불안정성(Darrieus–Landau instability)에 의해 발생할 수 있다. 연소 전후의 밀도 차이는 화염면의 미소 교란을 증폭시키는 요인으로 작용하며, 연소 속도가 증가할수록 이러한 불안정성은 강화될 수 있다. 또한 압력 구배(pressure gradient)와 비정상 유동은 화염면에 추가적인 교란을 유발할 수 있다. 제한된 공간 내에서는 연소에 따른 체적 팽창과 벽면 반사 효과가 결합되어 압력파가 형성되고, 화염면과 압력파 사이의 상호작용(shock–flame interaction)이 발생할 수 있다. 이러한 상호작용은 화염면의 국부적 가속 및 곡률 증가를 유발하여 화염 표면적을 확대시키고, 전역 열방출률(global heat release rate)을 증가시킬 가능성이 있다. 특히 초기 점화 직후 압력 상승률이 빠르게 증가하는 조건에서는 화염 전면에 작용하는 압력 변동이 화염 주름을 증폭시키는 요인으로 작용할 수 있다.

그럼에도 불구하고 기존 연구는 주로 DDT 이후의 압력 특성이나 데토네이션 형성 여부에 초점을 맞추고 있으며, 당량비 변화가 pre-detonator 내부의 초기 화염 구조 및 압력 상승 거동에 미치는 영향을 정성적으로 분석한 연구는 제한적이다. 특히 화염 주름 형성과 압력 상승률, 그리고 화염 체류시간(flame residence time) 사이의 상관관계를 제한된 공간 조건에서 체계적으로 논의한 연구는 부족하다.

따라서 본 연구에서는 pre-detonator 내부에서 메탄-산소 혼합기의 당량비를 변화시키며 초기 점화 특성을 초고속 가시화와 동압 계측을 통해 분석하였다. 이를 통해 당량비 변화가 초기 화염 주름 형성, 압력 상승률, 반사파와의 상호작용, 그리고 화염 체류시간에 미치는 영향을 종합적으로 분석하고, 제한된 공간 조건에서의 점화 메커니즘을 정성적으로 제시하고자 한다.

2. 실험 설계 및 장치

Pre-detonator의 특성을 알아보기 위한 장치는 Fig. 1과 같다. 해당 장치는 Gil 등[8,9]이 pre-detonator의 DDT 특성을 연구하기 위하여 사용하였던 장치로, 연소관의 형상을 변경하여 blockage ratio에 따른 데토네이션 천이 특성을 보았다. 해당 장치는 연소실과 후단의 DDT 장치로 이루어져 있다. 1번은 질소 가스가 유입되는 purge 라인이며, 2번과 3번은 각각 산화제와 연료가 주입되는 위치다. 4번은 점화 플러그가 위치한 지점이며, 5번은 연료/산화제 혼합기체가 충전되는 예혼합실이다. 연소관의 길이는 250 mm이며, 10 mm인 정사각 단면이다. 6번은 DDT 장치로 6개의 턱이 있으며 연소 반응물이 가속되며 데토네이션으로 발달하도록 난류를 발생시킨다. 7번은 동압계의 위치를 나타내며 실험의 목적에 따라 속도 및 압력을 측정하며 입력된 압력 및 순간적인 압력 변화를 통해 속도와 Von-Neumann-spike를 측정한다. 각 동압계의 위치는 A, B, C로 명시하였으며, 각각 채널 입구로부터 80 mm, 180 mm, 230 mm 떨어져있다. 본 실험에서 A 동압계는 5번의 연소실 및 점화 특성에 따른 압력을 파악하는데 사용되었고, 데토네이션 파의 속도 및 천이 유무의 파악을 B와 C 동압계를 사용하였다. DDT 장치는 일정한 단면을 가진 (constant, blockage ratio = 0.5)형태의 DDT 장치를 사용하였다. 이때 사용한 동압계는 PCB piezoelectric (models 113A24 and 111A24)을 사용하였으며 sampling rate는 1 M/s이다.

Fig. 1.

Schematic of pre-detonator device[9].

해당 장치의 한쪽 벽면은 폴리카보네이트(polycarbonate)로 투명하게 제작되어 고속 카메라를 통해 내부 유동을 가시화가 가능하도록 하였다. 본 실험에서는 데토네이션을 발생시키기 위한 4번의 점화 플러그와 5번의 예혼합실의 유동을 가시화를 통하여 데토네이션 천이시 발생하는 충격파와 그에 따른 반사파가 미치는 영향을 보고자 하였다.

실험에 사용된 연료는 메탄(CH4)를 산화제는 (O2)를 사용하였다. 메탄은 가장 기본적인 탄화수소계열 연료로 점화 특성을 관측하기에 적합하다. 또한 점화 및 연소시 발생하는 복사열이 혼합률, 당량비, 온도, 압력에 따라 관측하기 용이하다. Table 1은 실험 조건을 나열하였다. 산소 유량을 0.2 g/s으로 고정하고 메탄 유량을 0.05 g/s 만큼 증가시켰다. 이에 따른 메탄/산소 당량비는 0.4에서 2.0이다. 메탄 및 산소의 유량은 MFC를 통해 제어되었으며, 산소는 Bronkhorst사의 CORIFLOW m-15를 사용하고 메탄은 OMEGA 사의 FMA-2607A-I를 사용하였다. Labview와 NI사의 DAQ를 사용하여 시퀀스 제어 및 데이터를 획득하였다. 실험 장치의 작동 시퀀스는 연료와 산화제를 6초 동안 장치내부로 공급하고, 6초가 되는 시점에 점화 플러그를 작동시킨다. 점화 플러그는 0.5초 동안 작동하고 연소는 종료되며, 이후 약 5초 동안 1번 홀로 질소가 유입되어 장치 내부를 퍼지한다.

초고속 카메라를 사용하여 화염가시화를 진행하였으며 Phantom사의 VEO 710를 사용하여 초당 100,000 frame의 이미지를 획득하였다. 이때 촬영된 이미지 간격은 10 μs가 된다. 노출 시간은 6.62 μs로 설정하였으며 렌즈의 경우 50 mm f/1.4 Nikon 단렌즈를 사용하여 밝은 조리개 값을 확보하였다. 획득된 이미지는 Matlab등을 활용하여 잘 관측되지 않는 어두운 영역의 경우 RGB값의 픽셀 대조를 통해 이미지 보정이 이루어졌다. 이를 통해 점화 영역을 가시화하여 정성적으로 분석하였다.

3. 실험 결과

Pre-detonator 내부의 점화 과정은 시간 순서에 따라 초기 점화, 2차 점화(재점화), 그리고 배기 단계로 구분할 수 있다. Fig. 2는 초고속 카메라로 촬영한 점화 초기 단계의 시간별 이미지를 나타내며, 좌측은 영상 처리 과정에서 gain 값을 조정하여 화염 형상을 강조한 결과이고, 우측은 당량비에 따른 화염 주름 형성 정도를 비교한 것이다. 점화 플러그에서 발생한 스파크에 의해 혼합기가 점화되면 화염은 출구 방향과 연소실 내부 방향으로 동시에 전파된다. 초기 점화 직후 구간은 광도가 낮아 직접적인 관측이 어려우므로, 본 연구에서는 영상의 gain을 보정하여 화염 전면을 명확히 식별하였다. 시간 경과에 따라 화염 전면은 점차 주름진 형상을 나타내며, 이러한 화염 주름 형성 정도는 당량비에 따라 차이를 보였다. 희박 조건에서는 화염 전면이 비교적 매끄러운 형태로 유지되었으나, 당량비가 증가함에 따라 화염면의 불규칙성이 증가하고 주름 형성이 뚜렷하게 나타났다. 이는 단순한 시각적 차이를 넘어 구조적 변화로 해석될 수 있다. 당량비 증가에 따라 층류 연소 속도와 열방출률이 증가하면 단위 시간당 에너지 방출량이 증가하고, 이에 따른 압력 상승률이 커지게 된다. 제한된 공간 조건에서 압력 상승률 증가는 화염 전면에 작용하는 압력 구배를 증폭시키며, 이는 화염면 교란을 확대시키는 요인으로 작용할 수 있다.

Fig. 2.

Ultra-high-speed camera images of the initial ignition of the pre-detonator over time and enhance constrast using image processing (left), and flame wrinkling with equivalence ratio (right).

출구 방향으로 전파된 화염은 DDT 장치를 통과하면서 급격한 압력 상승을 동반하며 데토네이션으로 천이된다. 이 과정에서 형성된 압력파 또는 충격파는 유동의 반대 방향으로 전파되어 연소실 내부로 반사된다.

Fig. 3과 반사 충격파에 의해 유도된 2차 점화(재점화) 현상을, Fig. 4는 연소가스가 장치를 빠져나가는 것을 가시화한 것이다. 점화 후 약 460 μs 경과 시점에서 출구 방향에서 형성된 강한 압력파가 연소실 내부로 반사되며, 이 반사파에 의해 미연가스가 압축되어 2차 연소가 발생한다. 이때 혼합기는 강한 복사열과 붉은 화염을 동반하며 연소되고, 고복사 영역은 시간에 따라 후방으로 이동하는 양상을 보인다.

Fig. 3.

Visualization of secondary ignition (re-ignition) induced by reflected shock waves.

Fig. 4.

Exhaust flow evolution after combustion.

이와 동시에 순간적인 유동 역류 현상이 관측되며, 이는 전단의 압력이 후방 압력보다 급격히 증가하면서 압력 구배가 역전되었기 때문으로 해석 된다. 데토네이션 엔진이 추진기관으로 적용되기 위해서는 상류 압력이 후방 압력보다 지속적으로 높게 유지되어야 하지만, 데토네이션 과정에서 발생하는 순간적인 고압은 유동 역류를 유발할 수 있다.

Fig. 5는 당량비 0.5(희박)와 1.5(농후) 조건에서 A 및 C 동압계 위치에서 측정된 압력 신호를 비교한 결과를 나타낸다. 일반적으로 데토네이션이 형성되면 Von-Neumann spike는 시간에 따라 하류 방향 동압계에서 순차적으로 관측된다.

Fig. 5.

Pressure at A and C sensors and flame residence time.

당량비 0.5의 경우 A 동압계에서 측정된 압력이 비교적 오랜 시간 유지되며, 압력이 단조 감소하지 않고 시간에 따라 증가 또는 감소하는 구간이 존재한다. 이후 C 동압계에서 Von-Neumann spike가 관측되었으나, 데토네이션파가 이미 해당 구간을 통과했음에도 불구하고 압력 변화가 지속되는 특성이 나타났다. 이는 Fig. 3에서 관찰된 바와 같이 반사파에 의해 미연가스가 2차 점화되면서 추가적인 압력 상승이 발생한 결과로 해석된다. 반면, 당량비 1.5 조건에서는 C 동압계에서 정형화된 Von-Neumann spike가 비교적 명확하게 형성되었으며, 희박 조건 대비 압력 유지 구간이 짧게 나타났다. 이는 높은 당량비에서 연소 속도와 열방출률이 증가하여 반응 시간이 단축되었기 때문으로 판단된다. 또한 C-J 데토네이션 조건에 가까운 경우, 압력파 강도가 증가하여 최대 압력이 높게 측정되었으며, 이는 연소 반응시간을 더욱 단축시키는 방향으로 작용한다.

주목해야할 결과로, 두 조건 모두에서 A 동압계 위치에서는 명확한 Von-Neumann spike가 형성되지 않았다. 이는 점화 직후 구간에서는 아직 완전한 데토네이션 구조가 형성되지 않았음을 의미한다. 그러나 당량비가 높은 조건에서는 DDT 이후 유동이 빠르게 데토네이션으로 발달하며, C 동압계 위치에서 비교적 정형화된 Von-Neumann spike가 관측되었다. 이 경우 반사 압력파에 의해 연소실 내부에서 2차 점화가 발생하더라도, 이미 형성된 데토네이션 파의 전파 거동에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 이는 초기 점화 단계에서 충분히 강한 압력 상승이 형성되어 유동이 안정적인 데토네이션으로 전이된 이후에는, 연소실 내부에서 발생하는 2차 점화 또는 재점화가 전이 과정 자체를 지배하기보다 국부적인 압력 변동을 유발하는 수준에 그친다는 것을 시사한다. 즉, 데토네이션으로의 전이가 완료된 이후에는 반사파에 의해 유도된 추가 연소가 전체 전이 거동을 크게 변화시키지 않는 것으로 해석할 수 있다.

Fig. 6은 당량비에 따른 최대 압력과 화염 체류시간의 상관관계를 나타낸다. 화염 체류시간은 A 동압계에서 압력이 급격히 상승하는 시점을 시작으로, 이후 압력이 감소하기 직전까지의 시간으로 정의하였다. 또한 C 동압계에서 측정된 데토네이션 최대 압력을 함께 도시하였다.

Fig. 6.

The relationship between equivalence ratio and flame residence time.

희박 조건(당량비< 1)에서는 최대 압력이 상대적으로 낮게 나타났으며, 화염 체류시간은 상대적으로 길게 측정되었다. 당량비 0.4 조건에서 화염 체류시간은 약 700 μs 수준으로 나타났으며, 당량비가 1에 가까워질수록 250 μs 이하로 급격히 감소하였다. 이후 당량비가 1을 초과하는 구간에서는 화염 체류시간이 약 210 μs 수준에서 거의 일정하게 유지되었다. 이러한 경향은 초기 화염 구조 변화와 밀접하게 연관된 것으로 해석된다. 당량비 증가에 따른 화염 주름 증가는 화염면의 확대를 의미하며, 이는 전역 열방출률 증가로 이어질 수 있다. 열방출률 증가는 압력 상승률을 증가시키고, 이는 연소 속도를 촉진하여 연소 영역 내 유동 체류시간을 단축시키는 방향으로 작용한다. 그러나 당량비가 일정 수준 이상에 도달하면 연소 속도 증가 효과가 점차 포화되며, 압력 상승률 또한 유사한 수준으로 수렴하는 경향을 보인다. 이로 인해 화염 체류시간 역시 일정 범위 내에서 유지되는 것으로 판단된다. 즉, 체류시간 감소는 당량비 증가에 따른 반응속도 증가의 직접적인 결과라기보다, 화염 구조 변화와 압력 상승 거동이 결합된 결과로 이해될 수 있다.

4. 결 론 및 고찰

본 연구에서는 pre-detonator 내부에서 메탄-산소 혼합기의 당량비 변화가 초기 점화 특성 및 화염 거동에 미치는 영향을 초고속 가시화 및 동압 계측을 통해 분석하였다. 실험 결과, 당량비 증가에 따라 초기 화염면의 주름이 뚜렷하게 증가하는 경향이 관찰되었으며, 이는 제한된 환경에서의 압력 상승률 증가 및 반사파–화염 상호작용과 연관된 현상으로 해석되었다.

당량비가 증가함에 따라 연소 속도 및 열방출률이 증가하고, 이에 따른 압력 상승률 증가가 화염 전면의 교란을 증폭시키며 화염 표면적을 확대시키는 것으로 판단된다. 이러한 화염 구조 변화는 전역 열방출률 증가로 이어지고, 결과적으로 유동 가속을 촉진하여 화염 체류시간을 단축시키는 경향을 나타냈다. 희박 조건에서는 상대적으로 긴 체류시간이 관찰되었으나, 당량비가 1 이상인 구간에서는 체류시간 감소가 포화되는 경향을 보였다. 또한 DDT 장치 통과 과정에서 형성된 압력파와 반사파는 초기 화염 구조에 영향을 미치며, 압축 강도가 충분히 확보된 조건에서는 반사파에 의한 2차 점화의 상대적 기여도는 제한적인 것으로 판단된다. 이는 제한된 공간 조건에서의 예혼합 화염 환경(confined pre-detonator)에서 압력 상승 거동이 점화 특성 및 전이 거동에 지배적인 인자로 작용함을 시사한다.

종합하면, 본 연구는 당량비 변화가 초기 화염 불안정성, 압력 상승률, 그리고 유동 가속을 매개로 화염 체류시간에 영향을 미친다는 정성적 상관관계를 제시하였다. 이러한 결과는 pre-detonator 설계 및 운전 조건 최적화를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 향후 화염 주름 형상의 정량적 평가 및 반사 충격파 특성에 대한 추가 연구를 통해 보다 정밀한 점화 메커니즘 분석이 가능할 것으로 기대되며, 본 실험에 사용된 장치의 특성인 예혼합실의 free-volume이 미치는 영향을 추가적인 계측을 통해 보다 상세한 분석이 가능할 것으로 판단된다.