항공용 가스터빈엔진 연소실에서 배출되는 연소 가스 농도 변화에 관한 수치해석 = Numerical Analysis of Combustion Gas Emission Characteristics in an Aircraft Gas Turbine Combustor

국문 초록 (Abstract)

항공용 가스터빈엔진 연소실에서 배출되는 연소 가스 농도 변화에 관한 수치해석
본 논문은 항공용 가스터빈엔진 연소실의 연소 및 배출가스 특성을 효율적으로 예측하기 위하여 CFD 기반 Equivalent Reactor Network(ERN) 해석 기법을 적용한 연구이다. 실제 연소실 내부의 복잡한 3차원 유동과 상세 화학 반응을 직접 해석하는 경우 막대한 계산 비용이 요구되므로, 본 연구에서는 FLUENT–ENERGICO–CHEMKIN 연계 해석 프레임워크를 구축하여 3차원 유동장을 1차원 반응 네트워크로 축약하고 배출 특성을 정량적으로 분석하였다.
실제 항공용 가스터빈엔진 연소실 형상과 운전 조건을 반영한 3차원 CFD 해석을 수행하고, 격자 독립성 및 수렴성 검증을 통해 기준 모델을 선정하였다. 해당 CFD 결과를 바탕으로 PSR과 PFR로 구성된 ERN을 생성하고, CHEMKIN과 연계하여 Jet-A surrogate 연료 기반의 상세 화학 반응 해석을 수행하였다. 계산된 EINOx는 ICAO 실험 데이터와 비교하여 양호한 일치를 보였으며, 이를 통해 제안된 ERN의 타당성을 확인하였다.
또한 연소실 입구 압력, 온도 및 공연비 변화에 대한 parametric study를 통해 운전 조건 변화가 배출 특성에 미치는 영향을 분석하였고, 고온 영역에서는 Zeldovich 기작에 의한 thermal NO 생성이 지배적임을 확인하였다. 본 연구에서 제시한 ERN 기반 해석 기법은 항공용 가스터빈엔진 연소실 설계 및 배출 저감 전략 수립을 위한 효율적인 해석 도구로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Numerical Analysis of Combustion Gas Emission Characteristics in an Aircraft Gas Turbine Combustor
This dissertation presents a CFD-based Equivalent Reactor Network (ERN) approach for efficient prediction of combustion and emission characteristics in an aircraft gas turbine combustor. Since direct simulation of three-dimensional reacting flows with detailed chemical kinetics requires substantial computational cost, a coupled FLUENT–ENERGICO–CHEMKIN framework is developed to reduce the three-dimensional flow field to a one-dimensional reactor network for quantitative emission analysis. A three-dimensional CFD model reflecting the actual combustor geometry and operating conditions was established and validated through grid independence and convergence tests. Based on the CFD results, an ERN consisting of perfectly stirred reactors (PSRs) and a plug flow reactor (PFR) was constructed using ENERGICO and coupled with CHEMKIN for detailed chemical kinetic calculations employing a Jet-A surrogate fuel mechanism. The predicted NOx emission indices showed good agreement with ICAO experimental data, confirming the validity of the proposed ERN. Parametric studies on inlet pressure, temperature, and equivalence ratio were conducted to evaluate their effects on emission characteristics. The results indicate that thermal NO formation via the Zeldovich mechanism dominates NOx production under high-temperature conditions. The proposed ERN-based approach provides a computationally efficient analysis tool for gas turbine combustor design and emission reduction strategies.

목차 (Table of Contents)

• 기호설명(Nomenclature)
• 표목록(List of Table)
• 그림목록(List of Figure)
• 제 1 장 서론
• 1.1 연구 배경
• 1.1.1 기후변화 문제와 국제사회 대응
• 1.1.2 항공 산업이 환경 오염에 미치는 영향
• 1.1.3 대기오염물질의 분류 및 항공부문의 배출 특성
• 1.1.4 국제규제와 정책 흐름
• 1.1.5 국내 항공운항 및 배출 현황
• 1.2 선행 연구
• 1.2.1 항공기 배출가스 연구 동향
• 1.2.2 연소실 실험 연구
• 1.2.3 CFD(수치해석) 연구
• 1.3 연구 필요성과 한계
• 1.4 연구 목적 및 수치해석 절차
• 제 2 장 항공기 연소실 구조
• 2.1 항공기 연소실 실제 구조
• 2.1.1 항공기의 개요와 추진기관
• 2.1.2 가스터빈엔진 및 연소실의 분류
• 2.1.3 연구대상 선정
• 2.2 수치해석을 위한 연소실 모델링
• 2.2.1 연소실 기본 치수 및 형상
• 2.2.2 연소실 주요 구성 요소
• 2.3 연소실 입구 조건 및 경계조건
• 2.3.1 공기 조건
• 2.3.2 연료 질량유량
• 2.3.3 공기 질량유량
• 2.4 공기 배분 및 공연비 산정
• 2.4.1 1차 연소 영역(1st flame area)
• 2.4.2 2차 연소 영역(Post-flame area)
• 제 3 장 항공용 연료인 Jet-A의 상세 반응 메커니즘
• 3.1. 항공용 연료
• 3.2. 항공용 연료의 Surrogate fuel
• 3.3 Jet-A Surrogate Mechanism
• 3.3.1 POSF10325 detailed surrogate mechanism
• 3.3.2 S66 short surrogate mechanism
• 3.4. Mechanism 연소 특성
• 3.4.1 평형 반응 기반 단열 화염 온도
• 3.4.2 비예혼합 확산화염 특성
• 3.5 질소 반응 메커니즘(N-subset) 결합 전략
• 제 4 장 FLUENT를 이용한 수치해석
• 4.1 지배방정식(Governing Equations)
• 4.2 Meshing 모델 및 격자 생성 방법
• 4.3 FLUENT 수치해석
• 4.4 FLUENT 수치해석 결과 및 기준격자 선정
• 4.4.1 격자 독립성 검증
• 4.4.2 출구 온도 비교 (Outlet Temperature Comparison)
• 4.4.3 질량보존 검증 (Mass Balance Verification)
• 4.4.4 화학종 보존 검증 (Species Conservation Validation)
• 4.4.5 기준 격자 선정
• 제 5 장 ENERGICO를 이용한 수치해석
• 5.1 ENERGICO 개념 및 ERN 접근법의 배경
• 5.2 ERN 해석에 적용된 반응 메커니즘
• 5.3 ERN 생성 절차
• 제 6 장 CHEMKIN 네트워크 해석
• 6.1 CHEMKIN 개요
• 6.2 반응 메커니즘 구성 및 축소 기법
• 6.3 배출지수 계산식
• 6.4 네트워크 검증
• 6.5 NOx 메커니즘 비교
• 6.6 온도·압력 변화에 따른 수치 분석
• 6.7 압축비(OPR) 변화에 따른 배출 특성
• 6.8 1st flame area 당량비 변화에 따른 배출 특성
• 제 7 장 결론
• 참고문헌
• Abstract