KR20110137322A - 화염 블로-오프 결정을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

화염 블로-오프 결정을 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 화염 블로-오프 조건을 결정하기 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 이 방법은 다양한 연소 시스템에 대한 희박 블로-오프 조건을 결정하는 효율적이고 신뢰할 수 있는 도구를 제공한다. 화염 유지 영역 내의 국부화된 특성을 활용함으로써, 사용자는 연소장치 내의 미세한 입상으로 화염 블로-오프의 가능성을 평가할 수 있다. 화염 블로-오프 결정은 연소장치 영역 내의 블로-오프 가능 셀의 윤곽을 제공하는 출력 대표값의 도움으로 실시될 수 있다.

Description

화염 블로-오프 결정을 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR FLAME BLOW-OFF DETERMINATION}
관련 특허출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2009년 2월 25일자로 출원된 미국 가출원 61/155,441호의 우선권을 주장하며, 상기 문헌은 모든 목적으로 그 전체가 본원에 참조로 포함된다.
본 발명은 연소 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 연소 시스템에서 정확한 화염 블로-오프 결정(flame blow-off determination)을 제공하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 배경기술 부분은 특허청구범위에 기재된 본 발명에 대한 배경기술 또는 그 맥락을 제공하기 위한 것이다. 여기의 설명은 추구할 수 있는 개념을 포함할 수 있지만, 반드시 이전에 상상 또는 추구된 바 있는 것일 필요는 없다. 따라서, 본 명세서에서 별다른 지시가 없는 한, 본 배경기술 부분에 기재된 사항은 본 출원의 상세한 설명 및 특허청구범위에 대한 종래기술이 아니며, 본 부분에 포함됨으로써 종래기술로 인정되지 않는다.
연소 시스템의 설계는 복잡한 기하학, 난류 패턴, 열전달 및 연소 관련 화학과 같은 여러 인자의 해결책 및 깊은 지식을 요구하는 복합적인 과정이다. 안전하고 효율적인 연소 시스템을 설계하기 위해서는 연소 공정의 다양한 양태를 정확하게 감시 및 제어하는 것이 중요하다. 특히, 환경 오염물질의 감시 및 예측은 최신의 연소장치의 설계에서 매우 중요하게 되었다. 이러한 오염물질은 질소 산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 및 미연소된 탄화수소(UHC)를 포함할 수 있으며, 이들은 엄격한 배출 환경 규정에 놓여있다.
NOx, CO, CO2, UHC 및 다른 오염물질의 방출을 억제하기 위한 많은 최신의 가스 터빈 연소장치에 의해 채택된 전략들 중 하나는 엄격하게 제어된 연료/공기 비율로 동작하는 것이다. 특히, 연료가 매우 희박한 예혼합 화염(very fuel-lean premixed flame)(즉, 건식 저방출 기술)을 이용하는 시스템이 종종 활용된다. 이러한 시스템의 목표는 희박 블로-오프(LBO) 한계 미만으로 진행하지 않으면서 최대한 희박하게 예혼합 화염을 만드는 것이다. LBO는 그 지점을 넘어서는 경우 연료-공기 혼합물이 더 이상 가연성이 아닌 지점이다. 따라서, LBO 부근에서 작동시키기 위한 요구사항은 화염 불안정성 또는 소멸의 바람직하지 않은 결과에 반해 균형을 이루어야 한다. 실제로, 연료 희박 예혼합 화염은 주위 환경에 매우 민감하며, 이로 인해 LBO 조건을 예측 및 감시하기 위해서는 환경 및 연료 조성의 변화를 효율적이고 정확하게 평가할 수 있는 것이 유리하다. 또한, '기회' 연료의 인기가 증가함에 따라, 엔진 설계자들은 다양한 연소 엔진과 관련된 작동성, 효율 및 방출물에 대한 대안 연료의 충격을 확인할 것이 일상적으로 요구될 수 있다.
본 발명의 방법 및 시스템은 연소 시스템의 넓은 범위에서 화염 블로-오프 조건의 정확하고 확실한 결정을 가능하게 한다. 본 발명의 일 양태는 상기 연소장치 내의 영역으로부터 복수의 셀을 선정하는 단계와, 상기 복수의 셀 각각과 관련된 상세 유동 역학 및 상세 연소 화학에 따라 복수의 댐코올러 수(Damkoehler numbers)를 취득하는 단계와, 상기 댐코올러 수와 관련된 출력 대표값(representation)을 제공하는 단계와, 상기 출력 대표값에 따라 화염 블로-오프 조건을 결정하는 단계를 포함하는 연소장치의 화염 블로-오프 조건을 결정하기 위한 방법에 관한 것이다.
본원에서 사용되는 "결정(determination)" 이란 확인, 계산, 연산, 측정, 감지 및/또는 이들의 조합을 지칭할 수 있다. 결정은 특정 파라미터 및/또는 조건의 존재 또는 부재를 평가하기 위해 실시될 수 있다. 예를 들어, 결정은 화염 블로-오프 조건의 존재 또는 부재를 평가하기 위해 실시될 수 있다.
본원에서 사용되는 "화염 블로-오프"란 연소 시스템의 정적 불안정 한계를 지칭하며, 이는 그 범위를 넘어서면 화염이 연소장치 내의 지정된 위치에 놓이지 못하는 한계를 지칭할 수 있다.
본원에서 사용되는 "연소장치"란 연료-산화제 혼합물의 연소가 발생하는 챔버 또는 구역, 구성요소를 지칭할 수 있다. 연소장치는 연소중인 연료-공기 혼합물을 수용 및 제어하며, 예컨대 가스 터빈, 램제트 또는 펄스제트 엔진의 일부일 수 있다.
본원에서 사용되는 "선정(selecting)"이란 연소장치의 일 영역으로부터의 하나 이상의 셀의 수동 또는 자동 선정을 지칭할 수 있다. 선정은 사용자의 고유 재량으로 사용자에 의하거나 또는 선정 기준에 기반하여 실시될 수 있다. 추가적으로, 또는 대안적으로, 선정은 소프트웨어, 하드웨어 또는 펌웨어 구성요소를 통해 자동으로 실행될 수 있다. 선정은 무작위적 또는 의사 무작위적(pseudo-random) 선정을 제공하는 샘플링 방법에 따라서 및/또는 균일 확률, 가우스 확률 분포 등과 같은 사전규정된 확률 분포에 따라 또한 수행될 수 있다.
본원에서 사용되는 "셀"이란 연소장치의 영역 내의 요소를 지칭한다. 예를 들어, 셀은 대략 입방 밀리미터 내지 입방 센티미터와 등가인 체적을 나타낼 수 있다. 연소장치의 일 영역은 화염 블로-오프 조건의 결정을 허용하는데 필요한 만큼 많거나 적은 수의 셀을 포함할 수 있다.
본원에서 사용되는 "영역"이란 연소장치의 구역 또는 체적을 지칭할 수 있다. 영역은 복수의 셀을 포함할 수 있다. 연소장치는 사용자에 의해 및/또는 소프트웨어, 하드웨어 또는 펌웨어 구성요소를 통해 자동으로 선정된 하나 이상의 영역을 포함할 수 있다.
본원에서 사용되는 "댐코올러 수(Damkoehler number)"란 화학 반응 시간척도(timescale)를 연소 시스템에서 일어나는 다른 현상과 연관시키기 위해 사용되는 무차원 수이다. 이는 독일 화학자 게르하르트 담쾰러(Gerhard Damkoehler, 1908-1944)의 이름을 딴 것이다. 예를 들어, 담코올러 수는 체류 시간에 대한 화학 반응속도 시간의 비를 나타낼 수 있는데, 화학 반응속도 시간은 연소장치의 특정 영역의 조건하에서 연소관련 화학 반응이 일어나는데 요구되는 시간을 나타내며 체류 시간은 유동하는 기체 분자가 그 특정 영역 내에 잔류하는 평균 시간을 나타낸다.
본원에서 사용되는 "상세 연소 화학(detailed combustion chemistry)"이란 열 또는 열 및 빛 양자 모두의 생산에 수반되는 연료와 산화제 사이의 화학 반응의 복합적인 순서를 지칭한다.
본원에서 사용되는 "상세 유동 역학(detailed flow dynamics)"이란 유동하는 물질들의 복합적인 역학을 지칭한다. 상세 유동 역학은 예컨대 기체 및 액체의 유동과 관련된 문제들을 해결 및 분석하기 위해 수치 해석 및 알고리즘을 활용하는 전산 유체역학(CFD)을 사용하여 결정될 수 있다. 이러한 분석을 수행함에 있어, 연소장치의 복합적인 표면에 대한 액체 및 기체의 상호작용을 시뮬레이션하는데 필요한 수백만 개의 연산을 수행하기 위해 컴퓨터가 사용될 수 있다.
본원에서 사용되는 "출력 대표값(output representation)"은 사용자에게 인식되는 출력을 지칭할 수 있고, 예컨대 화염 블로-오프 조건을 평가하는데 활용될 수 있다. 예를 들어, 출력 대표값은 복수의 2차원 또는 3차원 플롯, 윤곽(contour) 또는 다이어그램을 포함할 수 있다. 출력 대표값은 하나 이상의 파라미터 및 이러한 파라미터들과 관련된 값의 범위를 식별할 수 있도록 컬러 코딩되거나, 또는 구조화될 수 있다. 이러한 파라미터는 화염 블로-오프 조건을 생성하는 것과 관련된, 예컨대 댐코올러 수, 임계 댐코올러 수 및/또는 확률을 포함할 수 있다. 출력 대표값은 컴퓨터 모니터 또는 텔레비전과 같은 전자 디스플레이에 현시될 수 있거나, 또는 종이와 같은 매체에 인쇄될 수 있다. 출력 대표값은 읽기 전용 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM), 컴팩트 디스크(CD), 디지털 다기능 디스크(DVD) 등과 같은 실재하는 컴퓨터 판독가능 매체에 또한 저장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하나 이상의 상기 셀은 샘플링 방법에 의해 선정되고, 다른 실시예의 경우는 고려될 셀의 최대 개수가 사용자 설정 파라미터이다.
본원에서 사용되는 "샘플링"이란 하나 이상의 샘플을 선정하는 것을 지칭하며, 이는 샘플의 일부 또는 전부의 선정을 포함할 수 있다. 샘플링은 사용자에 의해 수동으로, 또는 소프트웨어, 하드웨어 또는 펌웨어 요소를 사용하여 자동으로 실시될 수 있다. 샘플링은 통계적 정의에 따라 및/또는 균일 확률, 가우스 확률 분포 등과 같은 샘플링 확률 분포에 따라 실시될 수 있다. 샘플링은 샘플의 무작위적 또는 의사-무작위적 선정을 또한 생성할 수 있다. 대안적으로, 또는 추가적으로, 샘플링은 사용자의 재량(discretion)에 기초하여, 및/또는 구체적인 기준에 따라 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 적어도 하나의 셀은 상기 연소장치 내의 적어도 하나의 화염 및 예비-화염 영역으로부터 선정된다.
본원에서 사용되는 "화염 영역"이란 화염이 존재하는 연소장치의 구역을 지칭한다.
본원에서 사용되는 "예비-화염 영역"이란 화염 영역 앞, 또는 화염 영역으로부터 하류에 위치된 연소장치의 구역을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 예비-화염 영역은 화염 영역보다 연료 및/또는 산화제 입구에 더 가까운 위치에 위치될 수 있다.
일 실시예에서, 화염 및 예비-화염 영역은 사용자에 의해 설정될 수 있지만, 다른 실시예의 경우에는 화염 및 예비-화염 영역이 전산 유체역학(CFD) 연산에 따라 결정된다.
본원에서 사용되는 "전산 유체역학(Computational Fluid Dynamics)"이란 기체 및 액체의 유동에 수반되는 문제를 해결 및 분석하기 위해 수치해석적 방법 및 알고리즘을 사용하는 것을 지칭한다. 이러한 분석을 수행하는 경우, 연소장치의 복합적인 표면들과 유체 및 기체의 상호작용을 시뮬레이션하는데 필요한 수백만 개의 연산을 수행하기 위해 컴퓨터가 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 댐코올러 수 각각은 화학반응 시간을 각각의 셀과 관련된 잔류 시간으로 나눔으로써 취득된다. 다른 실시예에서, 잔류 시간은 셀과 관련된 적어도 하나의 평균 유동 잔류-시간값 또는 난류 시간척도값에 따라 선정된다.
본원에서 사용되는 "평균 유동 잔류-시간값"이란 유동 잔류 시간과 관련된 수학적 평균(mean) 또는 평균값(average value)을 지칭한다. 예를 들어, 평균 유동 잔류-시간값은 셀 길이를 혼합물 유동의 평균 속도의 배수로 나눔으로써 취득될 수 있다.
본원에서 사용되는 "난류 시간척도값"이란 난류가 고려될 때 취득되는 유동 시간척도의 값을 지칭한다. 난류 시간척도의 값은 예컨대 CFD 연산으로부터 취득될 수 있다.
본원에서 사용되는 "난류" 또는 "난류성"이란 혼돈적(chaotic), 추계적(stochastic) 특성 변화를 특징으로 하는 유체 레짐(fluid regime)을 지칭할 수 있다. 이는 낮은 모멘텀 확산, 높은 모멘텀 대류, 및 공간 및 시간에서의 압력 및 속도의 신속한 변화를 포함할 수 있다. 난류는 서로 다른 많은 길이 척도의 에디(eddies)의 형성을 야기할 수 있다. 에디란 유체가 장애물을 지나 유동할 때 형성되는 역류 및 유체 또는 기체/유체 혼합물의 소용돌이(swirling)를 지칭할 수 있다. 이동하는 유체는 대상물의 하류측에서 하류-유동 유체가 전혀 없는 공간을 형성할 수 있다. 장애물 뒤의 유체가 공동 안으로 유동하면, 장애물의 각 모서리에서 유체의 소용돌이가 형성되고, 그 다음 장애물의 후방을 향해 상류측으로 유동하는 장애물 후방의 유체의 짧은 역류가 뒤따른다.
다른 실시예에서, 잔류 시간은 평균 유동 잔류 시간값 및 난류 시간척도값의 최소값으로 선정된다. 본 발명의 또 다른 실시예의 경우, 평균 유동 잔류값은 셀의 체적을 셀과 관련된 유동 단면적으로 나눔으로써 취득된다.
본원에서 사용되는 "유동 단면적"이란 유동에 이용될 수 있는 면적을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 유동 단면적은 연소장치의 영역 내에서 셀과 관련된 최소 유동 면적을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 난류 시간척도값은 셀과 관련된 난류 운동 에너지 및 소산 함수(dissipation function)에 따라 취득된다.
본원에서 사용되는 "난류 운동 에너지"란 난류 내의 에디와 관련된 단위 질량당 평균 운동 에너지를 지칭할 수 있다. 운동 에너지는 물체의 운동으로 인한 에너지이며, 정지 상태로부터 현재 속도까지 소정 질량체를 가속하는데 필요한 일로써 정의된다.
본원에서 사용되는 "소산 함수"란 셀과 관련된 난류성 소산을 지칭할 수 있다. K-엡실론 모델(K-epsilon model)은 가장 통상적인 난류 모델 중 하나이다. 제1 변수인 K는 난류 운동 에너지이며, 제2 변수인 엡실론은 난류성 소산이다. 예를 들어, 엡실론은 난류의 규모를 결정할 수 있는 반면, K는 난류의 에너지를 결정할 수 있다.
다른 실시예에서, 화학반응 시간은 센서블 엔탈피(sensible enthalpy)의 변화량을 셀과 관련된 열 방출량으로 나눔으로써 취득된다.
본원에서 사용되는 "센서블 엔탈피"란 어느 온도 상태로부터 다른 온도 상태로의 유체, 기체, 또는 그 혼합물을 취하기 위해 요구되는 에너지를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 센서블 엔탈피는 25℃인 유체의 온도를 다른 온도(T)로 변화시키는데 필요한 에너지로써 계산될 수 있다.
본원에서 사용되는 "열 방출량(heat release rate)"이란 열이 방출되는 비율을 지칭한다. 예를 들어, 열 방출량은 주울/초, 또는 와트로 표현, 계산 또는 측정될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 결정 단계는 임계 댐코올러 수에 따라 실시된다. 일 실시예에서, 임계 댐코올러 수는 1이고, 다른 실시예의 경우에는 임계 댐코올러 수가 사용자 설정값이다.
본원에서 사용되는 "임계 댐코올러 수"란 특별한 중요성을 갖는 댐코올러 수와 관련된 값을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 임계 댐코올러 수는 화염 블로-오프 조건의 개시(onset)를 나타낼 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 출력 대표값은 각각의 셀과 관련된 댐코올러 수들의 윤곽을 포함한다.
본원에서 사용되는 "윤곽(contour)"이란 수치 또는 값의 2차원 또는 3차원 맵(map)상의 일정한 값을 갖는 지점을 지칭할 수 있다. 윤곽은 동일 값의 지점과 만나는 맵상의 윤곽선, 또는 맵을 포함하는 이러한 선들의 집합을 지칭할 수도 있다. 윤곽선은 맵상에서 곡선 또는 직선일 수 있다. 윤곽의 형상은 관찰자가 파라미터의 상대적 기울기를 유추하여 특정 장소에서의 파라미터를 짐작하는 것을 허용할 수 있다.
다른 실시예에서, 출력 대표값은 임계 댐코올러 수보다 큰 댐코올러 수를 갖는 셀을 포함한다. 또 다른 실시예의 경우, 출력 대표값은 셀 레벨 입상(cell-level granularity)으로 화염 블로-오프를 발생시키는 것과 관련된 가능성 측정치를 포함한다.
본원에서 사용되는 "가능성 측정치(likelihood measure)"란 값 또는 발생(occurrence)과 관련된 확률 또는 통계적 양을 지칭할 수 있다. 가능성 측정치는 예컨대 결과의 발생이 얼마나 일어날 수 있는지를 정량화할 수 있다. 가능성 측정치는 이산값(discrete value) 또는 옵션에 의해 표현될 수 있다. 예를 들어, 가능성 측정치는 영 또는 일(또는 '아니오' 또는 '예'), 또는 상한과 하한 사이의 임의의 이산 또는 정량화 가능한 값일 수 있다. 가능성 측정치는 값 또는 옵션의 연속적인 범위를 또한 포함할 수 있다. 가능성 측정치는 다른 파라미터 및/또는 변수의 함수로써 표현될 수도 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 출력 대표값은 잔류 및 화학반응 시간을 포함하며, 또 다른 실시예의 경우에는 출력 대표값이 영역 내의 화염 안정성을 평가하는데 사용된다.
본원에서 사용되는 "화염 안정성(flame stability)"이란 그 안에서 화염이 안정 및/또는 유지될 수 있는 정도를 지칭할 수 있다. 화염 안정성은 예컨대 연소장치의 영역 내에서 셀과 관련된 댐코올러 수를 측정함으로써 평가될 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 연소장치 내의 영역으로부터 복수의 셀을 선정하기 위한 컴퓨터 코드와, 복수의 셀 각각과 관련된 상세 유동 역학 및 상세 연소 화학에 따라 복수의 댐코올러 수를 취득하기 위한 컴퓨터 코드와, 댐코올러 수와 관련된 출력 대표값을 제공하기 위한 컴퓨터 코드와, 출력 대표값에 따라 화염 블로-오프 조건을 결정하기 위한 컴퓨터 코드를 포함하는 컴퓨터 판독가능 매체에 구현된 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것이다.
본원에서 사용되는 "컴퓨터 프로그램 제품"이란 자립 또는 네트워킹 환경에서 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 코드와 같은 컴퓨터 실행가능 명령을 포함하는 컴퓨터 프로그램을 지칭할 수 있지만, 이것으로 제한되는 것은 아니다.
본원에서 사용되는 "컴퓨터 판독가능 매체"란 컴퓨터를 사용하여 접근(예컨대, 읽기, 쓰기, 수정, 또는 삭제)될 수 있는 정보 및/또는 명령을 보유하는데 적합한 비일시적 및 비전달성 매체를 지칭할 수 있다. 컴퓨터 판독가능 매체는 읽기 전용 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM), 컴팩트 디스크(CD), 디지털 다기능 디스크(DVD) 등을 포함하는 제거형 또는 비제거형 저장 장치를 포함할 수 있지만, 이것으로 제한되는 것은 아니다.
본원에서 사용되는 "프로그램 코드"란 독립적으로 실행가능하거나, 더 큰 프로그램 모듈의 일부이거나, 또는 복수의 프로그램 모듈을 포함할 수 있는 컴퓨터 실행가능 명령을 지칭할 수 있다. 프로그램 모듈은 특정 작업을 수행하거나 특정 앱스트랙트 데이터 유형을 실행하는 루틴, 프로그램, 오브젝트, 콤포넌트, 데이터 구조 등을 포함할 수 있다. 컴퓨터 실행가능 명령, 관련 데이터 구조, 및 프로그램 모듈은 프로그램 코드의 예시를 나타낸다.
본 발명의 다른 양태로써, 연소장치의 화염 블로-오프 조건을 결정하기 위한 시스템이 개시되며, 이는 연소장치 내의 화염 유지 가능 영역을 지시하는 정보를 수신하는 단계와, 영역으로부터 복수의 셀을 선정하는 단계와, 복수의 셀 각각과 관련된 상세 유동 역학 및 상세 연소 화학에 따라 복수의 댐코올러 수를 취득하는 단계와, 댐코올러 수와 관련된 출력 대표값을 제공하는 단계와, 출력 대표값에 따라 화염 블로-오프 조건을 결정하는 단계를 포함한다.
첨부 도면과 함께 고려될 때, 본 발명의 다양한 실시예의 이러한 그리고 다른 장점 및 특징은 그 작동의 방식 및 최적화와 함께 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 실시예들이 첨부 도면을 참조로 설명된다.
도 1은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 블록도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 블록도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 댐코올러 수를 나타내는 그래프(plot)를 도시한다.
제한을 위한 것이 아니라 설명을 위한 것인 이하의 설명에서, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 상세 및 설명이 제공된다. 그러나 본 발명이 이러한 상세 및 설명을 벗어나지 않는 다른 실시예로 실시될 수 있음은 본 기술분야의 통상의 기술자에게 자명할 것이다.
블로-오프는 연소 시스템의 정적 불안정 한계이며, 이는 그 범위를 넘어서면 화염 실패가 연소장치 내의 지정된 위치에 기반하는 한계를 지칭한다. 블로-오프는 반응에 의해 생성된 열이 더 이상 연료-공기 혼합물의 유동을 점화할 수 있을 만큼 충분하지 않을 때 종종 발생한다. 제어되지 않은 연소 시스템의 경우, 통상적으로 화학 반응 시간이 역학적 혼합 시간에 비해 훨씬 빠르기 때문에, 연소는 연소장치 내에서 발생하는 혼합의 정도에 의해 제한된다. 그러나, 화염 온도가 감소함에 따라, 화학 반응 시간은 제한 인자가 되는 지점까지 느려져서, 화염 블로-오프 조건을 잠재적으로 야기한다. 화염 블로-오프의 평가는 수학식 (1)에 의해 표현되는 무차원 댐코올러 수(Da)를 사용하여 실시될 수 있다.
Figure pct00001
수학식 (1)
수학식 (1)에서, τchem은 특정 영역의 조건하에서 연소 관련 화학 반응이 일어나는데 필요한 시간을 나타내는 화학 반응 속도론적 시간(kinetic time)이며, τres는 유동하는 가스 분자가 특정 영역 내에 잔류하는 평균 시간을 나타내는 잔류 시간이다. 이와 같이, 댐코올러 수는 관심 영역에서 화염의 물리적 특성을 나타낸다. 예를 들어, 1에 가까운 댐코올러 수는 화염 블로-오프 조건에 가까운 영역을 지시한다. 화학반응 시간이 잔류 시간보다 길다면(즉, Da가 1보다 클 때), 미연소 연료-공기 혼합물이 착화되기 전에 영역을 떠나는 경향이 있기 때문에, 블로-오프가 더욱 발생하기 쉽다. 댐코올러 수는 블로-오프 경향에 대한 연료 변화의 영향을 합리적으로 포착하는 것으로 밝혀졌다. 그러나 임계 댐코올러 수는 연소장치마다 다를 수 있다.
댐코올러 수를 사용하는 것과 관련된 주요 과제는 다양한 연소장치 영역과 관련된 적절한 화학반응 시간 및 잔류 시간을 식별하는 것이다. 예혼합된 층상 화염(laminar flame)에 대한 화학반응 시간을 계산하기 위한 한 방법은 식 (2)를 사용하여 실시될 수 있는데,
Figure pct00002
수학식 (2)
여기서, SL 및α는 층상 화염 속도 및 혼합물의 열확산율을 나타낸다. '확산율'과 '열 전도율'은 서로 비례하기 때문에, 화학반응 시간을 계산하기 위해서는 2가지 엔티티(entity) 중 하나가 식 (2)에 사용될 수 있다는 점을 유의해야 한다. 식 (2)는 단일 입구 및 균일한 연료 대 산화제 혼합물을 구비한 연소장치와 관련된 화학반응 시간에 대한 합리적 추정치를 제공할 수 있지만, 이는 비균일 입구 등가 비율을 구비한 연소장치 또는 서로 다른 연료 조성의 여러 입구를 구비한 연소장치에는 매우 적합하지 않을 수 있다. 잔류 시간을 계산하기 위한 현재의 방법은 이와 유사하게 최신의 연소장치 내의 유동 역학을 지나치게 단순화하는 경향이 있다.
블로-오프는 본질적으로 국부적 현상이기 때문에, 화염 블로-오프 조건의 더욱 정확한 평가를 이루기 위해서는 연소 시스템의 화학 및 유동 필드 모두의 상세한 분석이 고려되어야 한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 댐코올러 수의 정확하고 신뢰성 있는 결정을 위한 방법은 연료 혼합물의 유동 및 열화학 특성 및 상세한 연소 속도론(kinetics)을 국부화된 방식으로 활용함으로써 달성될 수 있다. 이렇게, 전반적인 화학반응 시간 및 잔류 시간을 찾아 사용하려는 시도 대신에, 이러한 값들은 국부적으로 획득되고 적용되며, 이로 인해 실제적인 연소 시스템과 관련된 평균 유동, 난류, 및 연료 혼합물의 공간적 변화가 설명된다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 방법 및 시스템은 연소 거동을 정확하게 추정하기 위해 상세 연소 화학 계산과 조화되는 개별 셀에 대해 수행되는 전산 유체역학(CFD) 분석을 활용한다. 화염 블로-오프 조건은 난류 효과에 매우 민감하기 때문에, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 방법은 각각의 셀에 대해 수행된 CFD 계산으로부터의 난류 파라미터를 순조롭게 활용할 수 있다. 또한, 블로-오프는 대부분의 연소장치 유동 필드에 대한 문제가 아니기 때문에, 블로-오프 결정은 화염 안정화 영역, 및 어느 정도는 연료/공기 입구를 향하는 예비 화염 영역으로 한정되는 것이 유리하다.
도 1은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 화염 블로-오프 조건의 결정을 위한 블록도이다. 화염 블로-오프 결정은 연소장치의 화염 유지 영역의 연소 구역으로부터 "고온의" CFD 셀을 선정하는 것에 의해 개시된다(단계 100). 예시적 실시예에서, 구역은 연소장치의 규모에 따라 5백만 내지 천만 개의 셀을 포함할 수 있으며, 이로 인해 셀은 대략 입방 밀리미터 내지 입방 센티미터와 등가인 체적을 나타낼 수 있다. 선정된 고온 또는 연소중인 셀은, 예컨대 축소 화학반응(reduced chemistry), 에디 브레이크-업(eddy break-up) 모델과 같은 믹스-이즈-번드(mix-is-burned) 연소 모델, 플레임렛 모델, 또는 원스텝 신속 화학반응 모델(one-step fast chemistry model)을 사용하여 취득될 수 있다. 이러한 방법들 각각은 화학반응 표현의 정확성과 엄격하게 타협한다. 예를 들어, 플레임렛 CFD 모델은 연소와 관련된 화학반응과 유체역학을 분리함으로써 모델을 단순화한다. 따라서, 연소장치와 관련된 복합적인 유체역학 계산이 유지되면서, 화학반응은 분리되어 계산되고 화학반응을 유체역학에 연관시키는 모든 특성은 통상적으로 검색표(lookup table)를 통해 저장 및 검색된다. 이러한 방식으로, 계산에 필요한 시간이 줄어든다. 그러나 이러한 접근법에 의해 예상된 화학적 정보의 정확성은 또한 상당이 감소한다. 다른 방법들은 화학반응 표현을 더욱 급격하게 단순화한다. 원스텝 또는 멀티스텝(통상적으로 2 내지 8 단계) 축소된 화학반응 모델은 기본 반응 단계 및 착화가 발생할지를 결정하거나 화염을 안정화하는데 수반되는 미량의(trace) 라디칼종을 모두 포함하지 않는다. 따라서, 이 방법들은 화염 안정 현상을 예측할 수 없다. 믹스-이즈-번드 모델은 연료와 산화제 사이의 난류성 혼합의 정도만이 화염이 빠져나가는지 여부를 결정하며 속도론적 영향을 완전히 무시하는 것으로 가정하는 점에서 더욱 단순하다. 전술한 모델에 따라 초기에 선정된 연소중인 셀은 선정된 구역 내의 실제 조건을 정확하게 나타내지 않을 수 있으며, 그렇더라도 예측된 화염 구역은 안정한 희박 화염이 사실상 연소장치에 존재하는 경우에 화염이 진정되는 근사 영역에 대응한다. 따라서, 개시점으로써 이러한 시뮬레이션을 사용하는 것이 합리적이다. 상세한 화학반응 솔루션을 사용하는 이후의 화염 블로-오프 분석은 궁극적으로 이상적인 화염이 특정 영역에 존속될 수 있는지 여부를 밝혀낸다. 축소된 화학반응 CFD 접근법은 화염 구역으로 유입되는 신선한 연료-공기 혼합물의 속도, 온도, 및 조성의 합리적인 추정을 제공하는데, 이는 화염 블로-오프, 이들은 전부 상세한 화학반응 시뮬레이션에 필요한 것이다.
화염 구역의 식별은 '화염'의 사전 결정된 및/또는 사용자 결정된 정의에 따라 달성될 수 있다. 화염 정의는 예컨대 CFD 예측, 온도에 대한 국부 셀 값, 온도 구배(즉, 기하학적 좌표계에 대해 온도가 변화하는 국부적 비율), 연료/산화제/연소 생성물 질량 분율(즉, 연료/산화물 또는 CO2, H2O 등과 같은 다른 종의 셀-국부 질량 기반의 농도 분율), 또는 혼합물 분율/진행값에 따라 CFD 솔루션으로부터 유도될 수 있다. 혼합물 분율은 연료 스트림으로부터 유래한 원소 질량 분율로 정의된다. 이는 종종 국부(셀) 연료 질량과 총 입구 산화제 질량 분율 사이의 차이를 총 연료 입구 질량 분율과 총 입구 산화제 질량 분율 사이의 차이로 나눈 비율로 계산된다. 연료 혼합물 분율은 CFD 시뮬레이션에서 연소의 정도를 추적하는데 사용되는 통상적인 파라미터이다. 추가로, 주 유동 방향과 거의 가깝게 정렬된 축 및 연료를 나타내는 종의 지식이 요구될 수 있다. 예시적 일 실시예에서, '풍상(upwind)' 화염은 지배적인 유동 방향으로 정렬된 축의 선택에 의해 정의되는 바와 같이, 다음의 특성들, 즉 셀의 속도 벡터에 대한 강한 마이너스 온도 구배, 셀의 속도 벡터에 대한 강한 플러스 연료 구배, 및 연소장치 기하학적 형상의 최초 50% 내의 위치(즉, 연소장치의 "풍상" 반부 또는 입구에 가장 가깝고 배출구로부터 가장 먼 연소장치의 반부) 중에서 하나 이상을 공유하는 셀들을 포함하는 것으로 정의될 수 있다. 다른 예시적 일 실시예에서, '풍하(downwind)' 화염은 지배적인 유동 방향으로 정렬된 축의 선택에 의해 정의되는 바와 같이, 다음의 특성들, 즉 셀의 속도 벡터에 대한 강한 플러스 온도 구배, 셀의 속도 벡터에 대한 강한 마이너스 연료 구배, 및 연소장치 기하학적 형상의 최초 50% 내의 위치 중에서 하나 이상을 공유하는 셀들을 포함하는 것으로 정의될 수 있다. 다른 예시적 실시예에서, '풍상-앤드-풍하' 화염은 풍상 및 풍하 화염 유형 양자 모두의 특징을 단일 화염으로 통합하는 것으로 정의될 수 있다. 추가적으로, 또는 대안적으로, 사용자는 전술한 조건 및/또는 추가적인 기준의 조합을 사용하여 화염을 정의하는 사용자 고유의 방법을 정의할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 초기 고온 셀의 선정시에, 선정된 셀에 대한 유동 잔류 시간이 결정될 수 있다(단계 102). 이 결정은 예컨대 2개의 서로 다른 유체역학 과정에 따라 이루어질 수 있다. 하나의 방법에서, 평균 유동 잔류 시간은 예컨대 셀 길이를 (예컨대, 셀의 중심에서) 평균 속도의 크기로 나누는 것으로 정의될 수 있다. 속도값은 셀과 관련된 CFD 결과로부터 취득될 수 있고, 셀 길이는 예컨대 셀 체적을 셀과 관련된 유동 단면적으로 나누는 것으로 취득될 수 있다. 난류와 관련된 다른 방법에서, 잔류 시간은 CFD 솔루션으로부터 취득되는 난류 운동 에너지(k) 및 소산 함수(ε)로부터 큰 에디 턴오버 시간값 또는 스칼라 혼합 시간값으로 취득될 수 있다. 에디 턴오버 시간 및 스칼라 혼합 시간은 CFD 시뮬레이션에 사용되는 난류 모델에 따라 CFD 계산된 난류 파라미터와 관련된 시간척도이다. 에디 턴오버 시간은 통상적으로 예컨대 종방향 통합 길이를 난류성 운동 에너지의 제곱근으로 나누는 것으로 정의된다(예컨대, Rodney O. Fox, "Computational Models for Turbulent Reacting Flows", Cambridge University Press, 2003, p.38 참조). k 및 ε에 대한 값은 셀과 관련된 CFD 결과로부터 또한 취득된다. 예시적 일 실시예에서, 전술한 방법들 모두에 따라 잔류 시간이 취득되고, 셀에 대한 특성 유동 잔류 시간은 2가지 값 중에서 더 작은 것으로 선정된다. 다른 예시적 실시예에서, 두가지 값 모두가 유지되어 화염 블로-오프 조건의 계산이 실행될 수 있다. 이러한 시나리오에서, 사용자는 각각 잔류 시간을 취득하는 서로 다른 방법과 관련된 블로-오프 조건의 2가지 선택을 제시받을 수 있다.
도 1의 단계(104)에 도시된 바와 같이, 후속 단계는 선정된 셀에 대한 화학반응 시간을 결정하는 단계를 수반한다. 본 발명의 예시적 실시예에 따라 화학반응 시간을 결정하는 블록도가 도 2에 추가로 도시된다. 먼저, 셀에 대한 모든 순 유입 플럭스를 설명하기 위해, 선정된 셀 상에서 일련의 정상 상태, 단열 계산이 수행된다(단계 200). 대략적으로, 셀은 에너지 및 질량 균형 방정식이 CFD 유동 솔루션으로부터 취득된 정보에 기초하여 셀을 통한 질량의 일부 순 유동으로 해결되는 교반식 반응기로 취급될 수 있다. 단계(200)는 가장 양호한 열 및 물질 전달 시나리오(즉, 화염 안정성에 유리한)에서 셀의 상세한 열화학적 상태를 결정하기 위해 수행된다. 단계(200)의 종료시에, 상세한 기체 조성 및 '참' 셀 온도는 상세한 연소 속도론을 이용하여 정상상태 셀 계산으로부터 취득된다. 단계(202)에서, 평균 열 방출량(Q)은 상세한 화학반응 시뮬레이션으로부터 온도 및 종 조성을 사용하여 취득된다. 단계(204)에서, 상세한 화학반응 상태와 완전 연소 상태 사이의 센서블 엔탈피 차이(델타_H)는 셀에 대한 적절한 화학반응 시간을 결정하기 위해 계산 및 사용된다(단계 204). 화학반응 시간의 계산은 식 (3)에 따라 실시될 수 있으며,
Figure pct00003
수학식 (3)
여기서, Q는 열 방출량이며, ΔHmixture는 정상상태 계산에 대한 센서블 엔탈피 변화량이다. 센서블 엔탈피는 어느 온도 상태로부터 다른 온도 상태로의 유체, 기체, 또는 그 혼합물을 취하기 위에 요구되는 에너지를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 센서블 엔탈피는 25℃인 유체의 온도를 다른 온도(T)로 변화시키는데 필요한 에너지로써 계산될 수 있다. 센서블 엔탈피 변화량은 셀 계산으로부터 취득된 현재의 정상상태 기체 혼합물과 가용 연료-산화제 혼합물에 대한 완전 연소 사이의 센서블 엔탈피의 차이이다. 센서블 엔탈피 변화량은 어느 온도로부터 다른 온도로의 기체의 조성을 취하는 것과 관련된 엔탈피만으로 정의되며, 조성의 변화에 있어서 일 세트의 분자의 다른 분자로의 화학적 변환과 관련된 엔탈피는 배제된다. 반면에, 열 방출량은 화학반응 속도론으로 인한 엔탈피 방출을 나타낸다. 열 방출량은 열이 방출되는 비율을 지칭한다. 예를 들어, 열 방출량은 주울/초, 또는 와트로 표현, 계산 또는 측정될 수 있다. 셀이 화학적으로 비활성일 때(즉, 열 방출량이 거의 영일 때), τchem은 매우 커지고(즉, 거의 무한대), 이로 인해 이와 관련된 큰 댐코올러 수를 수용하고 적절하게 설명하기 위한 조치가 취해져야 한다는 점을 유의하여야 한다.
다시 도 1을 참조하면, 화학반응 시간의 결정은 잔류 시간의 결정 후에 발생하는 것으로 도시되어 있다는 점을 유의하여야 한다. 그러나 이러한 단계들은 동시에, 또는 역순으로 실행될 수 있다는 점을 이해하여야 한다. 잔류 및 화학반응 시간이 일단 취득되면, 셀과 관련된 댐코올러 수가 식 (1)에 따라 연산될 수 있다(단계 106). 그 다음, 유사한 계산을 위해 추가적인 셀이 고려되어야 하는지가 결정된다(단계 108). 만일 그 대답이 예라면, 후속 셀이 선정되고(단계 112), 새로 선정된 셀에 대해 단계(102 내지 108)가 반복된다. 예시적인 실시예에서, 고려될 셀의 개수는 사용자 설정 파라미터이다. 따라서, 예컨대 단계(102 내지 108)를 포함하는 루프의 각 반복(iteration)에 있어서, 카운터는 처리된 셀의 총 개수의 트랙을 유지할 것이다. 다른 예시적 실시예에서, 선정된 화염을 포함하는 모든 셀이 분석될 수 있다. 일단 적절한 개수의 셀이 처리되면, 댐코올러 수에 대응하는 출력 대표값이 생성될 수 있다(단계 110).
본 발명의 예시적 실시예에 따르면, 후속 셀을 선택하는 단계(단계 112)는 적절한 샘플링 방법에 의해 달성될 수 있다. 샘플링 기술은 지정된 영역(즉, 화염 또는 예비 화염 구역) 내의 모든 셀을 처리하는 단계 또는 사용자에 의해 특정된 모든 셀을 처리하는 단계를 단순히 포함할 수 있다. 대안적으로, 셀 선정 과정은 특정 관심 구역 내의 셀의 서브셋을 샘플링하는 단계를 포함할 수 있다. 샘플링은 (개수 및 위치 모두의 관점에서) 선정된 샘플이 관심 영역의 유효한 대표값을 확실히 제공하도록 적절한 통계적 샘플링 기술에 따라 실시될 수 있다. 예시적 실시예에서, 구역 내에서 셀의 무작위적 샘플링이 실시될 수 있다.
도 1의 단계(106)에 따라 취득된 댐코올러 수는 목표 구역 내의 하나 이상의 위치에서 화염 블로-오프 조건의 가능성을 평가하는데 사용될 수 있다. 이를 위해, 임계 Da값이 화염 블로-오프의 개시를 지정하도록 정의될 수 있다. 예를 들어, 임계값은 잔류 시간과 화학반응 시간이 동일한 조건을 나타내기 위해 1로 설정될 수 있다. 그러나 임계 Da값은 상세 연소 화학반응 또는 실험적 관찰로부터 얻어진 결과에 따라 다른 값으로 설정될 수 있다.
도 1의 단계(110)에서 생성된 출력 결과는 개별 셀과 관련된 표로 작성된 값(tabulated value)과 같은 계산된 댐코올러 수의 대표값, 또는 2차원 또는 3차원 그래프에 제공된 국부 댐코올러 수의 윤곽을 포함할 수 있다. 예시적 출력 대표값의 경우, 개별 셀은 그들의 댐코올러 수에 따라 서로 다른 색상(또는 색상의 음영)을 사용하여 표현될 수 있다. 출력 결과는 계산된 Da값과 임계 Da값 사이의 비교에 기초하여 또한 제공될 수 있다. 예를 들어, 하나의 대표값은 임계 Da값보다 더 큰 댐코올러 수를 갖는 셀만을 포함할 수 있고, 이는 LBO가 더 일어나기 쉬운 지점(locality)을 지정한다. 추가적으로, 또는 대안적으로, 셀-레벨 입상(예컨대, 선형 또는 로그 스케일)으로 LBO 임계 조건을 충족하거나 충족하지 않는 셀을 지정하기 위해, 출력 대표값은 2진수 지시기(binary indicator)를 포함할 수 있다. 다른 예시적 출력 대표값의 경우, 셀 잔류 시간 및 화학반응 시간과 같은 추가 파라미터가 출력 대표값의 일부로 생성될 수 있다. 댐코올러 수가 없는 위치는 처리를 위해 선정되지 않은 셀을 지시하기 위해 또한 표시(tag)될 수 있다.
댐코올러 수 및 관련 파라미터의 분포, 위치 및 위상(topology)을 검토함으로써, 화염 코어 위치, 화염의 강도, 및 블로-오프의 가능성이 셀-레벨 입상으로 평가될 수 있다. 예를 들어, 안정한 화염은 일차적으로 화염 구역의 주변에 위치한 블로-오프 셀을 포함할 수 있다. 따라서, LBO 출력 대표값이 화염 코어 내의 상당한 개수의 블로-오프 셀을 지시한다면, 화염은 희박 블로-오프 한계로 또는 그에 가까운 것으로 간주될 수 있다. 도 3은 댐코올러 수의 공간적 분포 및 값을 나타내는 3차원 도면이다. 도 3의 검토를 통해, 블로-오프가 일어날 가능성이 더 많은 영역(즉, 댐코올러 수가 1보다 큰 경우) 및 더 적은 영역(즉, 댐코올러 수가 1 미만인 경우)은 물론, 화염 블로-오프에 가까운 (즉, 댐코올러 수가 1에 가까운 경우) 셀의 위치 및 분포가 드러난다.
본원에 설명된 다양한 실시예들은, 일 실시예에서 네트워크 환경에서 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 코드와 같은 컴퓨터 실행가능 명령을 포함하여 컴퓨터 판독가능 매체에 구현된 컴퓨터 프로그램 제품에 의해 실행될 수 있는 단계 또는 처리 방법의 일반적인 맥락으로 설명되었다. 컴퓨터 판독가능 매체는 읽기 전용 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM), 컴팩트 디스크(CD), 디지털 다기능 디스크(DVD) 등을 포함하는 제거형 또는 비제거형 저장 장치를 포함할 수 있지만, 이것으로 제한되는 것은 아니다. 일반적으로, 프로그램 모듈은 특정 작업을 수행하거나 특정 앱스트랙트 데이터 유형을 실행하는 루틴, 프로그램, 오브젝트, 콤포넌트, 데이터 구조 등을 포함할 수 있다. 컴퓨터 실행가능 명령, 관련 데이터 구조, 및 프로그램 모듈은 본원에 개시된 방법의 단계들을 실행하기 위한 프로그램 코드의 예시를 나타낸다. 이러한 실행가능 명령 또는 관련 데이터 구조의 특정 순서는 이러한 단계 또는 처리에서 설명된 기능을 수행하기 위한 해당 행위의 예시를 나타낸다.
실시예들의 전술한 설명은 도시 및 설명의 목적으로 제공되었다. 전술한 설명은 완전한 것으로, 또는 본 발명의 실시예를 개시된 바로 그 형태로 제한하려는 의도가 아니며, 개조 및 변형은 전술한 교시의 맥락에서 가능하며 다양한 실시예의 실시로부터 습득될 수 있다. 본원에서 논의된 실시예들은 다양한 실시예의 본질 및 원리, 및 본 기술분야의 통상의 기술자가 고려할 수 있는 특정 용도에 알맞도록 다양하게 개조하여 활용할 수 있는 실제 적용례 및 본 발명의 다양한 실시형태를 설명하기 위해 선택 및 설명되었다. 본원에 설명된 실시예들의 특징은 방법, 장치, 모듈, 시스템, 및 컴퓨터 프로그램 제품의 모든 가능한 조합으로 결합될 수 있다.

Claims (22)

  1. 연소장치의 화염 블로-오프 조건을 결정하기 위한 방법이며,
    상기 연소장치 내의 영역으로부터 복수의 셀을 선정하는 단계와,
    상기 복수의 셀 각각과 관련된 상세 유동 역학 및 상세 연소 화학에 따라 복수의 댐코올러 수를 취득하는 단계와,
    상기 댐코올러 수와 관련된 출력 대표값을 제공하는 단계와,
    상기 출력 대표값에 따라 화염 블로-오프 조건을 결정하는 단계를 포함하는
    화염 블로-오프 조건 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 상기 셀은 샘플링 방법에 의해 선정되는
    화염 블로-오프 조건 결정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    고려될 셀의 최대 개수는 사용자 설정 파라미터인
    화염 블로-오프 조건 결정 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 셀 중 적어도 하나는 상기 연소장치 내의 화염 및 예비 화염 구역 중 적어도 하나로부터 선정되는
    화염 블로-오프 조건 결정 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 화염 및 예비 화염 구역은 사용자에 의해 설정되는
    화염 블로-오프 조건 결정 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 화염 및 예비 화염 구역은 전산 유체역학(CFD) 연산에 따라 결정되는
    화염 블로-오프 조건 결정 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 댐코올러 수 각각은 화학반응 시간을 각각의 셀과 관련된 잔류 시간으로 나눔으로써 취득되는
    화염 블로-오프 조건 결정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 잔류 시간은 셀과 관련된 난류 잔류 시간척도값 또는 평균 유동 잔류 시간값 중 적어도 하나에 따라 선정되는
    화염 블로-오프 조건 결정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 잔류 시간은 상기 난류 시간척도값 및 상기 평균 유동 잔류 시간값이 최소가 되도록 선정되는
    화염 블로-오프 조건 결정 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 평균 유동 잔류 시간값은 상기 셀의 체적을 상기 셀과 관련된 유동 단면적으로 나눔으로써 취득되는
    화염 블로-오프 조건 결정 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 난류 잔류 시간척도값은 상기 셀과 관련된 난류 운동 에너지 및 소산 함수에 따라 취득되는
    화염 블로-오프 조건 결정 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 화학반응 시간은 센서블 엔탈피의 변화량을 상기 셀과 관련된 열 방출량으로 나눔으로써 취득되는
    화염 블로-오프 조건 결정 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 결정 단계는 임계 댐코올러 수에 따라 실시되는
    화염 블로-오프 조건 결정 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 임계 댐코올러 수는 1인
    화염 블로-오프 조건 결정 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 임계 댐코올러 수는 사용자 설정값인
    화염 블로-오프 조건 결정 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 출력 대표값은 각각의 셀과 관련된 댐코올러 수들의 윤곽을 포함하는
    화염 블로-오프 조건 결정 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 출력 대표값은 임계 댐코올러 수보다 큰 댐코올러 수를 갖는 셀을 포함하는
    화염 블로-오프 조건 결정 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 출력 대표값은 셀 레벨 입상으로 화염 블로-오프를 발생시키는 것과 관련된 가능성 측정치를 포함하는
    화염 블로-오프 조건 결정 방법.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 출력 대표값은 잔류 및 화학반응 시간을 포함하는
    화염 블로-오프 조건 결정 방법.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 출력 대표값은 상기 영역 내의 화염 안정성을 평가하는데 사용되는
    화염 블로-오프 조건 결정 방법.
  21. 컴퓨터 판독가능 매체에 구현된 컴퓨터 프로그램 제품이며,
    상기 연소장치 내의 영역으로부터 복수의 셀을 선정하기 위한 컴퓨터 코드와,
    상기 복수의 셀 각각과 관련된 상세 유동 역학 및 상세 연소 화학에 따라 복수의 댐코올러 수를 취득하기 위한 컴퓨터 코드와,
    상기 댐코올러 수와 관련된 출력 대표값을 제공하기 위한 컴퓨터 코드와,
    상기 출력 대표값에 따라 화염 블로-오프 조건을 결정하기 위한 컴퓨터 코드를 포함하는
    컴퓨터 프로그램 제품.
  22. 연소장치의 화염 블로-오프 조건을 결정하기 위한 시스템이며,
    상기 연소장치 내의 화염 유지 가능 영역을 지시하는 정보를 수신하는 단계와,
    상기 영역으로부터 복수의 셀을 선정하는 단계와,
    상기 복수의 셀 각각과 관련된 상세 유동 역학 및 상세 연소 화학에 따라 복수의 댐코올러 수를 취득하는 단계와,
    상기 댐코올러 수와 관련된 출력 대표값을 제공하는 단계와,
    상기 출력 대표값에 따라 화염 블로-오프 조건을 결정하는 단계를 포함하는
    화염 블로-오프 조건 결정 시스템.
KR1020117022275A 2009-02-25 2010-02-24 화염 블로-오프 결정을 위한 시스템 및 방법 KR101676509B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130219896A1 (en) * 2012-02-23 2013-08-29 General Electric Company Flame holding boundary control
US11914930B1 (en) * 2012-09-12 2024-02-27 Combustion Science & Engineering, Inc. Computationally efficient reduced kinetics methodologies for jet fuels
US11248536B2 (en) 2016-06-20 2022-02-15 General Electric Company Systems and methods for flame holding avoidance in gas turbine combustors
CN109741674A (zh) * 2019-03-13 2019-05-10 中国计量大学 一种火灾模拟装置设计方法及系统
US11393151B2 (en) * 2020-03-31 2022-07-19 Unity Technologies Sf Method for simulating combustion in digital imagery with equilibrium and non-equilibrium conditions

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5254368A (en) * 1987-11-02 1993-10-19 University Of Michigan Periodic chemical processing system
US6663997B2 (en) * 2000-12-22 2003-12-16 Ballard Power Systems Inc. Oxidant flow field for solid polymer electrolyte fuel cell
JP2007524065A (ja) * 2004-01-12 2007-08-23 コンバスチョン・サイエンス・アンド・エンジニアリング・インコーポレイテッド 火炎の安定化と制御のためのシステムと方法
US7337057B2 (en) * 2004-05-28 2008-02-26 General Electric Company Methods and apparatus for predicting and/or for avoiding lean blow-outs
US20080273572A1 (en) * 2006-06-02 2008-11-06 James Madison University Thermal detector for chemical or biological agents

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A Damkohler number description of local extinction in turbulent methane jet diffusion flames, P.Koutmous ,1998.09.08. *
Combustion Fourth Edition, Irvin Glassman외 1인, 2008 *
Investigation of the effects of hydrogen addition on lean extinction in a swirl stabilized combustor, P.Strakey외 2인, 2007 *

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