3-D 연소분석방법에서 연소 반응은 Mixture fraction PDF 모델과 난류 모델을 고려하고 복사모델은 Discrete Ordinate를 이용하며, 20,000\(\mathrm{J}\)가정용 펠릿보일러를 사용하고 Gas, Water, Frame의 물질로 정의하여 모델링 후 해의 수렴성과 정확한 해석결과 및 해석 속도를 결정하는 중요한 특성을 가지는 격자를 생성하여 시뮬레이션하였으며, 정상상태에서의 연소현상의 분석을 위해 각 순환수와 부하의 열교환기 입출력 온도 차이 \( 0.1^{\circ} \mathrm{C} \)이내를 정상상태라 보고 입력조건을 변화시켜 실험하고, 모든 실험간 데이터 로거와 가스분석기를 이용하여 1초 간격으로 데이터를 기록하였다.
<h2>2.3 3-D 연소분석방법</h2> <p>고체연료의 연소는 난류 비예혼합화염이며 불균일반응 (Heterogeneous Reaction)이다. 불균일반응이란 다른 물리적 상태로 존재하는 화학종이 연루되는 반응, 즉 가스-액체 또는 가스-고체사이의 반응을 뜻한다. 따라서 연소 반응은 보존 스칼라(Conserved Scalar)개념에 바탕을 둔 Mixture fraction PDF 모델과 난류 모델(Standard \( \mathrm{k}-\varepsilon)\) 을 고려하였으며, 복사모델은 복사열전달 방정식 (Radiative transfer equation, RTE)을 바탕으로 세워진 Discrete Ordinate를 이용하였다.</p> <h3>1) 시뮬레이션 방법</h3> <p>연소실 모델의 3차원 설계에는 Workbench(16.1 ANASYS Inc, USA) 및 \( \mathrm{CAD}(2012 \) AutoDesk Inc, USA)를 이용하였으며 연소해석에는 FLUENT(16.1, ANASYS Inc, USA) 를 사용하였다. 시뮬레이션은 실제 사용되고 있는 \( 20,000 \mathrm{~J} \)급의 가정용 펠릿보일러가 사용되었으며, 분석을 위하여 Gas, Water, Frame의 3가지 물질로 정의하여 모델링 후 격자를 생성하였다.</p> <h3>2) 격자생성</h3> <p>생성하는 격자의 품질은 해의 수렴성과 정확한 해석결과 그리고 해석 속도를 결정하는 매우 중요한 특성이다. 격자의 비틀림을 나타내는 왜도(Skewness)는 질이 나쁠수록 0 에 가깝고 질이 좋은 격자일수록 1 에 가깝다. 특히 직교품질(Orthogonal Quality)은 \(0.01\)보다 커야하며 평균값은 \( 0.2 \) 보다 높아야 한다. 분석에 이용된 형상은 보일러와 동일한 기하학(Geometry) 구조를 가지고 있으며 총 \(165,995\) 의 노드와 \(638,406\) 개의 격자로 왜도 평균값 \( 0.3968 \), 직교품질 평균값 \( 0.7255 \) 이다(Fig. 3).</p> <h1>3. 실험방법</h1> <p>본 실험은 정상상태에서의 연소현상에 대하여 분석하기 위하여 실시하였다. Fig. 4의 보일러를 살펴보면 우측상단의 배풍기가 공기를 밀어내면 1 차 공기는 버너 하단, 2 차 공기는 버너상부의 연료투입구에서 동시에 공급된다. 이후 버너 주변 및 상단에서 분해연소가 일어나며 연소실을 중심으로 표면연소가 발생한다. 그 뒤 연소 가스는 연관을 통하여 2 차 열 교환을 통해 열전달 후 배출된다. 이때 보일러 내부순환수의 온도 측정을 위해 \( \mathrm{K} \)-type열전대를 보일러입, 출구와 열교환기의 입, 출구 각각 4 개소에 설치하였으며 입력 공기의 습도 및 온도를 측정하였다. 각 순환수와 부하의 열교환기 입출력 온도 차이가 \( 0.1^{\circ} \mathrm{C} \) 이내를 만족할 때 정상상태라 판단하여 입력조건을 변화시켜 실험을 진행하였으며, 모든 실험간 데이터 로거(GL800, Graphtech, Japan)와 가스분석기(OPTIMA 7, MRU, Germany)를 이용하여 1초 간격으로 데이터를 기록하였다.</p>