층류 화염 이론은 연소공학에서 가장 기초분야로써 오랜 역사를 가지고 있다. 기본적인 연소 모델을 개발하는데 적용될 뿐만 아니라 난류 화염 및 엔진 연소와 같은 실용적인 연소 분야에서도 층류 화염 이론은 활발히 다루어져 왔다. 특히, 난류 화염의 해석 및 모델 개발에 있어 주로 층류 화염 이론을 적용한 통계학적인 접근방식이나 실험에 의존해 왔다. 그럼에도 불구하여 층류 화염 이론은 여전히 불명확한 부분이 존재하고 있다. 최근에는 ‘마이크로 연소’ 분야로써 좁은 연소공간 내부에서의 화염간의 상호작용에 대한 관심이 증가하고 있다.
본 학위 논문에서는 제한된 공간 내부에서의 층류 화염의 구조 천이와 거동 특성에 대해 살펴보고자 한다. 이를 위해, 연소 공학 연구에 있어 대표적으로 제안되는 대향류 (opposed flow) 연소기와 혼합층 (mixing layer) 연소기의 두 가지 형태의 연소기가 설계되었다. 비록 연소기의 기본 특성은 기존과 유사하지만, 좁은 공간에서 이러한 연소기를 활용한 연구는 현저히 부족하다. 따라서 본 연구를 통해 기존 연구와의 유사성 및 좁은 공간 내부에서만 관찰되는 특징적인 연소 특성에 대해 살펴볼 수 있을 것으로 기대된다.
먼저, 대향류 연소기를 이용하여 메탄과 프로판을 이용하여 신장율 (strain rate), 연료희석비율, 채널 간격 등을 변화하여 비예혼합화염과 부분예혼합화염 조건에서 실험을 수행하였다. 그 결과, 넓은 범위의 신장율 조건에서 화염이 안정화되었으며, 화염 소멸 형태로 고신장율 소멸, 저신장율 소멸, 희석에 의한 소멸의 3가지 형태의 소멸특성을 확인할 수 있었다. 고신장율 소멸은 연소기의 제한된 형상을 고려하여 수정된 신장율을 이용하여 특성화할 수 있었으며, 저신장율 소멸은 dead space를 통한 열손실에 의한 소염 (quenching)이론을 이용하여 설명할 수 있었다. 특히 저신장율 조건에서는 소멸 직전 비예혼합화염 및 부분 예혼합화염 조건에서 화염 진동을 동반하였다. 마지막으로 희석에 의한 소멸은 온도 감소효과가 반영된 수정된 전체 반응률 (modified global reaction rate)을 적용하여 그 특성을 설명할 수 있었다.
두번째로, 혼합층 연소기에서는 메탄과 프로판을 이용하여 부분예혼합조건에서의 화염구조 천이 현상에 대해 보다 자세히 살펴보았다. 주로 연료의 농도 구배와 연료희석비율 및 외부 분위기 온도(< 600 K)를 조절하여 실험을 수해하였다. 대표적인 결과로써 가연한계 근처에서 닫힌 형태의 화염 구조를 확인하였다. 이러한 구조는 상류와 하류 구조로 구분되었는데, 상류 구조는 전반적인 화염의 거동 (화염 전파속도, 가연한계에 의한 화염 폭 변화 및 농도 구배에 따른 확산화염 강도 변화)이 기존의 에지화염이론에 의해 지배되었다. 하지만 하류 구조는 고온 분위기에서의 연소특성을 나타내는 ‘마일드 연소’ 영역으로 고온의 기연가스와 주변의 미연가스에 의해 지배되는 공간으로 상류구조와 차별된다. 이러한 마일드 연소 영역에서는 미연가스와 기연가스의 확산특성이 화염 안정화에 큰 영향을 끼칠 것으로 판단되었다. 여기서 중요한 점은 이러한 닫힌 형태의 화염구조가 연료의 본질적인 특성을 반영하고 있다는 점이다. 즉, 연료마다 자신의 근원적인 화염구조를 가지고 있으며, 여러 외부 조건에 의해 다양한 형태로 화염 구조를 변화시킨다는 것이다. 이러한 과정은 자연에서 식물의 씨앗에서부터 다양한 형태로 자라나는 것과 유사하다. 따라서 이러한 닫힌 형태의 화염 구조를 ‘flame seed’라 명명하였으며, 이는 기존 연소 이론과 마일드 연소 이론을 이어주는 교량의 역할을 담당하며, 그 의미는 상당히 중요하다.

In the long history of the combustion studies, laminar flame theories have been the basis of the combustion theories. Actually, it is known that such intense turbulent flames in a practical engine have laminar flame structures in their local characteristics. Some of turbulent combustion theories have been constructed based on statistics of laminar flame theories or their experimental results. Nevertheless, the laminar flame theories have not been clearly concluded yet. Recently, many researchers have been interested in the relationship between laminar flame structures in small combustion spaces under the name of ‘mesoscale combustion.’
In this dissertation, characteristic behaviors and structural transitions of laminar flames in mesoscale channels were investigated. The results were classified into two parts based on burner types. One is an opposed flow (or counter flow) burner and the other is a mixing layer burner. It is notable that these two types of burners have been generally used in combustion studies, and a great amount of results have been reported. Nevertheless, these burners have not been employed so much in the mesoscale combustion studies. Therefore, it was expected that mesoscale combustion phenomena in this study can be compared with the previous results, and it help to distinguish some unique characteristics of mesoscale combustion.
First, in the opposed flow burner, flame stabilization characteristics and flame behaviors of methane and propane were investigated for non-premixed flames and partially premixed flames. Main experimental parameters were strain rate, fuel dilution ratio, and channel gap scale. In the case of partially premixed flames, equivalence ratios of the mixtures from both sides were also controlled. Flames could be stabilized within wide ranges of strain rates (0.9-150 s-1) and dilution ratios (~ 80% nitrogen at the fuel side). The flame extinction limits were classified into three types and their mechanisms were investigated: a higher-strain-rate (HSR) extinction limit, a lower-strain-rate (LSR) extinction limit, and a fuel-dilution-ratio (FDR) extinction limit. The HSR extinction limits in mesoscale channels could be explained with a modified strain rate. The LSR extinction limits could be explained by employing a premixed quenching theory in which the heat loss through the dead space near the wall was considered as a major extinction mechanism. At near the LSR extinction limits, flame oscillation phenomena was observed at both non-premixed and partially premixed conditions. Finally, the variations of the extinction limits with the FDR could be explained with a modified global reaction rate, species concentration, and thermal thickness.
Second, in the mixing layer burner, the structural transitions of partially premixed flames (or edge flames) of methane and propane were examined. Main experimental parameter was fuel concentration gradient, fuel dilution ratio (< 70 % by volume in fuel), and temperature (< 600 K) of the mixture. As a result, an interesting flame structure could be observed when the fuel concentration gradient and other experimental conditions were suitable. This flame structure is basically a closed shape. In more detail, a diffusion flame branch is enclosed by two premixed flame branches in lean and rich sides. The structure of the closed flame was broken down into two regimes of a front part and a rear part. The front part was thought to be concerned with ordinary combustion, and theories of the ‘edge flame’ could be applied regarding to flame propagation and flammability limits of fuel. On the contrary, the rear part was thought to be concerned with the ‘mild combustion’ that describes weak flame at high temperature. It is because the rear part is affected by the burned gases from the front part: i.e., fuel concentration is small and mixture temperature is high. The diffusion characteristics of burned or unburned mixture could be one of key mechanisms for flame stabilization at downstream. The most important fact is that this closed flame structure could reflect intrinsic fuel characteristics: i.e., every fuel has an originally different flame structure and it develops to various flame structures as if every seed in nature has an originally different figure and grows to various shapes. Thus the flame structure was named ‘flame seed,’ and it has many important meanings that can be a bridge between ordinary combustion and mild combustion.