차수저감 모델을 통한 연소 공정의 최적설계 및 제어 : Optimal design and control of combustors using a reduced-order model
- 발행기관 서강대학교 대학원
- 지도교수 박흥목
- 발행년도 2008
- 학위수여년월 2008. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 화공생명공학과
- 식별자(기타) 000000108419
- 본문언어 한국어
목차
에너지 변환공정의 대부분은 연소공정을 통하여 이루어지는데 연소는 복잡한 물리적 과정과 화학적 과정의 상호작용으로 일어나며 일반적으로 발열 산화반응으로 정의할 수 있으나 열, 물질 및 운동량의 전달과 같은 물리적 과정이 대부분의 실제 연소공정에서 매우 중요한 역할을 한다. 연소공정은 크게 세 가지 요소로 이루어 지는데 첫째, 유동패턴과 이에 의해 결정되는 대류 열전달과 대류 물질전달 둘째, 복사 열전달 셋째, 화학반응속도이다.
이러한 연소로에 나 대기오염물질의 배출을 저감시킬 목적으로 최적설계나 제어기법을 엄밀하게 적용하기 위해서는 연소로에 대한 정확한 모델이 필요하다. 하지만 연소공정의 지배방정식은 Navier-Stokes식, integro-differential equation의 형태를 취하고 복사전달방정식, 수십 개의 화학반응식으로 연결된 수십 개의 화학종에 대한 대류 확산식이며 이들을 실시간으로 푸는 것은 현재의 전산기 성능으로는 불가능하다. 따라서 연소로에 엄밀한 최적설계 및 최적제어의 기법을 적용하기 위해서는 짧은 연산시간을 내에 정확한 결과를 주는 차수저감 모델이 필수적이다. 따라서 이번연구에서는 본연구실에서 개발한 KLG법을 적용하여 연소로에 대한 효율적인 차수저감 모델을 개발하고자 한다.
목차
In the present investigation, we have derived a reduced-order model for a combustor. First, the combustor is modelled such that the gas flow is modelled by means of the low Mach number approximation which eliminates acoustic modes systematically from the flow computation. In addition, the radiative heat transfer, which is important in the modelling of high temperature system, is taken care of the radiative transfer equation and the detailed mechanism of chemical kinetics for the combustor reaction is also fully considered. The mathematical model, composed of more than ten partial differential equations, is then reduced to a low dimensional model consisting of ordinary differential equation by means of the Karhunen-Love Galerkin (KLG) procedure. Since the reduced-order model constructed using the KLG procedure consumes CPU time only one thousandth of that of the ten partial differential equations, we can adopt the Kalman filtering technique and the optimal feedback control strategy to the combustor without difficulty. The present technique is expected to be exploited in the design of new combustors and in the improvement of the performance of various combustors under operation.
