가스발생기용 동축 와류형 분사기에 대한 연구

윤원재(Wonjae Yoon),이봄(Bom Lee),안규복(Kyubok Ahn) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.12

액체로켓엔진 가스발생기에서 사용되는 동축 와류형 분사기의 분무특성에 대한 연구를 수행하기 위해 리세스 길이 및 분사기의 회전방향이 co-swirl과 counter-swirl로 다른 총 8개의 분사기를 제작하여 수류실험을 수행하였다. 본 연구는 가스발생기 분사기에서 유량비가 변할 때 이에 따른 분무특성이 어떻게 영향 받는지 알아보기 위해 수행되었으며 분사조건 및 리세스 길이에 따른 분무각, 유량계수의 변화를 연구하였다. 실험결과 단일분사일 경우 연소실용 분사기와 유사하게 분무각이나 유량계수 모두 리세스 길이, 스월 방향에 따른 영향이 없는 것으로 나타났지만 혼합분사일 경우 질량유량 비에 따라 분무각과 유량계수 모두 변하는 것을 관측할 수 있었다. In order to investigate the effects of recess length and swirl direction of the bi-swirl injector for the gas generator, eight bi-swirl injectors, which had different recess length and co-swirl/counter-swirl direction between inner close-type swirl and outer open-type swirl injector, were designed and manufactured. The spray angle and discharge coefficient of the bi-swirl injectors were investigated by changing the injection mode such as single injection and bi-injection. From the experimental data, it was found that the spray angle increased as the injection pressure increased during single injection regardless of recess length and swirl direction, similarly to the data of bi-swirl injectors for a thrust chamber. In the bi-injection’s case, the mass ratio of the inner swirl injector to the outer swirl injector affected the spray angle and discharge coefficient.

와동 플랩 삼각날개를 이용한 관내 와류 발생장치 설계 및 수치해석

김명호(Myung-Ho Kim) 한국항공우주학회 2007 韓國航空宇宙學會誌 Vol.35 No.9

본 연구에서는 압력 왜곡과 유동각 왜곡을 모사하기 위하여 삼각날개를 이용한 와류 발생장치를 설계하였다. 삼각날개는 목표한 와류코어 위치와 압력왜곡율(DC90), 와류각을 만족하기 위해 후퇴각 65˚를 사용하였으며, 와류의 분포 영역을 넓히기 위해 삼각날개 전단면에 45˚ 와동 플랩을 적용하였다. 제작된 와류 발생장치는 시뮬레이션 덕트를 적용한 유동 왜곡 시험에서 전압력 왜곡율의 설계 요구조건을 만족하였으며, 시험 결과로부터 검증 된 전산유체해석 결과를 이용하여 와류코어 위치와 와류각의 목표 성능을 확인하였다. In this study, a swirl generator using delta wing was developed in order to simulate total pressure distortion and flow angle distortion. The delta wing was used for 65°-degree sweep back angle to satisfy the design performance for vortex core position, total pressure distortion(DC90) and swirl angle. To extend the swirling flow area, a 45°-degree vortex flap have applied to the delta wing. The swirl generator satisfied the design requirement of distortion coefficient in the flow distortion test to be applied to the simulation duct, and the performances of distortion for vortex core position and swirl angle using CFD(computational fluid dynamics) analysis results that was verified by flow distortion test results.

유동방향에 따른 동축 와류형 분사기의 분무특성 연구

윤원재(Wonjae Yoon),안규복(Kyubok Ahn),김현웅(Hyun Wung Kim),방정석(Jeong Seok Bang) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.5

유동 방향이 서로 반대인 동축 와류형 분사기에 대한 실험적인 연구를 수행했다. 일반적으로 액체로켓엔진에 사용되는 동축 와류형 분사기는 두 분사기가 같은 방향으로 회전하여 그에 따른 두 유체의 상호작용으로 인해 분무특성이 나타나게 된다. 이 연구에서는 서로 반대되는 유동방향이, 분무각과 유량계수와 같은 분무특성에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위해 역방향 동축 와류형 분사기를 설계, 제작한 뒤 수류실험을 진행했다. 분무각과 유량계수 모두 두 유체가 분사기 내부에서 혼합될 때 유동방향에 따른 영향을 받았다. 두 유체를 함께 분사하는 혼합분사에서, 내부 혼합영역에서 분무각은 O/F비의 증가 따라 크게 감소하였다. 유량계수 역시 O/F비가 증가함에 따라 바깥쪽 분사기의 유량계수가 단일 분사일때의 유량계수보다 감소함을 확인할 수 있었다. 이 결과를 통해 동축 와류형 분사기의 유동방향 역시 분무특성에 큰 영향을 줌을 확인할 수 있었다. An experimental study of bi-counter swirl injector was performed to investigate the spray characteristics such as spray angle and discharge coefficient in this study. Generally bi-swirl injector which is a special type injector for a liquid rocket engine is manufactured co-swirl direction but this study focused on the reverse flow direction of each swirl injectors. Both spray angle and discharge coefficient affected by the interaction of crashed two fluids in tip mixing and internal mixing region. Spray angle was greatly decreased in bi-injection as O/F ratio increase, and discharge coefficient of outer injector decreased by O/F ratio in tip and internal mixing region compared to solo injection. From the results, it was found that fluid direction was affected on the spray characteristics of bi-swirl injector.

와류 세기에 따른 케로신/공기 화염의 자발광 특성에 연구

이현재(Hyeonjae Lee),서성현(Seonghyeon Seo) 한국추진공학회 2014 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.12

본 논문은 와류의 영향이 케로신 화염에 미치는 영향을 파악하기 위해 수행된 실험 연구이다. 케로신은 한국형 발사체에 적용되는 액체연료이다. 화염에서 발생하는 화학발광 중 OH<SUP>*</SUP>, CH<SUP>*</SUP>, C₂<SUP>*</SUP>을 활용하여 화염의 특성을 비교하였으며, 화염의 직접적인 이미지와 자발광 이미지를 활용하여 화염의 구조를 파악했다. 와류의 가장 큰 영향은 연료와 공기의 혼합을 촉진하여 화염의 구조와 특성에 영향을 미치는 것으로 확인했다. 와류의 영향으로 CH<SUP>*</SUP>과 C₂<SUP>*</SUP> 화학발광 스펙트럼이 민감하게 반응하며, CH<SUP>*</SUP> 자발광 스펙트럼은 화염의 상류에서 크게 발생한다. The present experimental study includes the swirl intensity effects on emission spectra of kerosene/air flames. Kerosene(Jet A-1) has been widely used in the Korea Satellite Launch Vehicle. OH<SUP>*</SUP>, CH<SUP>*</SUP> and C₂<SUP>*</SUP> of chemiluminescence emissions were applied to understanding of flame characteristics. Flame structures were analyzed using the direct image and spontaneous emission spectra. The swirl intensity have a decisive effect on mixing of air and fuel. CH<SUP>*</SUP> and C₂<SUP>*</SUP> radicals were affected by swirl intensity effect. CH<SUP>*</SUP> emission spectra were concentrated in upstream of flame.

단일공급 스월 혼합챔버 내의 와류유동에 대한 실험적 연구

김형민(Hyungmin Kim),윤웅섭(Woongsup Yoon) 한국추진공학회 2011 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.11

금속분말을 연소시키기 위한 스월 연소기 설계의 기초단계로써 단일 접선 공급유로를 갖는 스월 혼합챔버를 제작하고 Paticle Image Velocimetry(PIV)를 사용하여 스월 혼합챔버의 내부 유동장 측정실험을 수행하였다. 상온의 공기를 작동유체로 사용하였으며 접선 공급유량이 증가하는 경우의 스월 혼합챔버 내 축방향 및 접선방향 성분 속도를 획득하였다. 측정된 유동장을 바탕으로 스월유동과 역압력 구배로 인해 발생하는 외부 유입유동간의 혼합특성을 평가 하였다. Swirling flows inside a swirl mixing chamber are investigated for simple configuration where swirl is produced by a tangential entry type swirl generator. The flow downstream of the swirl generator has been quantified by measurements two velocity components and their corresponding mean values along axial and radial direction using Particle Image Velocimetry(PIV). The mass flow rate of the tangential entry is increased in order to study their effect on the flow field. From the measurement profile of velocity and vorticity, flow mixing characteristics in a swirl mixing chamber are evaluated.

急擴大管內에서 亂流旋回流動의 熱傳達에 관한 硏究

권기린(Ki-Rin. Kwon),허종철(Jong-Chul Huh) 한국해양공학회 1996 韓國海洋工學會誌 Vol.10 No.3

Many studies of heat transfer on the swirling flow or unswirled flow in a abrupt pipe expansion are widely carried out. The mechanism is not fully found evidently due to the instabilities of flow in a sudden change of the shape and appearance of turbulent shear layers in a recirculation region and secondary vortex near the corner.<br/> The purpose of this study is to obtain data through an experimental study of the swirling flow and heat transfer downstream of an abrupt expansion in a circular pipe with uniform heat flux.<br/> Experiments were carried out for the turbulent flow and heat transfer downstream of an abrupt circular pipe expansion. The uniform heat flux condition was imposed to the downstream of the abrupt expansion by using an electrically heated pipe. Experimental data are presented for local heat transfer rates and local axial velocities in the tube downstream of an abrupt 3:1 & 2:1 expansion.<br/> Air was used as the working fluid. In the upstream tube, the Reynolds number was varied from 60,000 to 120,000 and the swirl number range (based on the swirl chamber geometry, i.e. L/d ratio) in which the experiments were conducted were L/d=0, 8 and 16.<br/> Axial velocity increased rapidly at r/R=0.35 in the abrupt concentric expansion turbulent flow through the test tube in unswirled flow. It showed that with increasing axial distance the highest axial velocities move toward the tube wall in the case of the swirling flow abrupt expansion.<br/> A uniform wall heat flux boundary condition was employed, which resulted in wall-to-bulk temperatures ranging from 24℃ to 71℃. In swirling flow, the wall temperature showed a greater increase at L/d=16 than any other L/d. The bulk temperature showed a minimum value at the pipe inlet, it also exhibited a linear increase with axial distance along the pipe.<br/> As swirl intensity increased, the location of peak Nu numbers was observed to shift from 4 to 1 step heights downstream of the expansion.<br/> This upstream movement of the maximum Nusselt number was accompanied by an increase in its magnitude from 2.2 to 8.8 times larger than fully developed tube flow values.

케로신/액체산소 동축 와류형 분사기에 대한 수치해석 모델 고찰

김성구(Seong-Ku Kim),최환석(Hwan-Seok Choi) 한국추진공학회 2010 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.11

본 연구는 케로신과 액체산소를 추진제로 사용하는 동축 와류형 분사기를 해석하기 위해 체계적인 물리 모델링을 수행하였다. 먼저 초임계 압력 조건에서 나타나는 실제유체의 열역학 및 전달 물성치를 계산할 수 있는 서브루틴 라이브러리를 구축하였으며, 층류 화염편 해석 코드와 연동하여 케로신 난류 연소장의 국소화염구조를 해석하였다. 설계 목적에 맞는 계산 효율성을 확보하기 위해 동축 와류형 분사기는 RANS 기반의 2차원 축대칭 선회 유동으로 해석하였으며, 실험 결과가 존재하는 비연소 동축선회 제트 유동을 통해 예측정확도를 검증하였다. 실제 고압 연소를 수반하는 동축 와류형 분사기의 경우, 기존의 RANS 모델은 급격한 밀도 구배가 수반되는 선회 막 유동의 혼합층에서 과도한 난류확산을 야기하였으며, 난류모델의 수정을 위해 보다 심도 있는 연구가 필요할 것으로 판단되었다. The present study has been motivated by the development of a reliable numerical methodology for simulation of kerosene/LOx coaxial swirl injectors. To deal with thermodynamic non-ideality and anomalies of transport properties pronounced at supercritical pressures, a set of subroutine libraries has been constructed based on the cubic equations of state, and applied to an existing flamelet analysis code. For computational efficiency, two-dimensional axisymmetric RANS formulation with swirl was adopted and validated successfully against an isothermal coaxial swirling jet. For the actual problem with high pressure combustion, however, numerical results show that the RANS models yield excessive production of turbulence probably due to high density gradient magnitude in the vicinity of mixing layer of swirling film flow, and imply strongly further improvement of the turbulence models.

분사조건에 따른 동축 와류형 분사기의 유량계수 특성 연구

윤원재(Wonjae Yoon),안규복(Kyubok Ahn),김현웅(Hyun Wung Kim),방정석(Jeong Seok Bang) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.5

동축 와류형 분사기는 바깥쪽과 안쪽에 각각 와류형 분사기가 결합되어 있는 특수한 형태의 분사기로 액체로켓엔진을 위해 사용된다. 와류형 분사기의 다양한 분무특성 중 유량계수에 대한 이해는 정확한 유량을 분사해야 하는 로켓 연소실 환경에서 매우 중요하다. 이 연구에서 사용된 분사기는 open-type 분사기가 바깥쪽에, closed-type 분사기가 안쪽에 위치하는 형태를 사용하였고, 분사기의 형상과 분무조건의 변화에 따른 유량계수 특성을 연구하기 위해 5개의 서로 다른 리세스 길이를 가진 동축 와류형 분사기를 사용하였다. 단독분사일 경우 각 분사기의 유량계수는 분사압력이나 O/F 비에 무관하게 일정하였지만 혼합분사일 경우 리세스 길이가 커서 분사기 내부에서 두 유체가 혼합될 경우 바깥쪽 분사기의 유량계수는 O/F 비가 증가함에 따라 감소하였다. Bi-swirl injector which consist of open-type and closed-type swirl injector for outer and inner injector respectively is a special type of injector for a liquid rocket engine. For stable operation of the rocket engine, understanding the spray characteristic especially discharge coefficient is very important. In this study, the discharge coefficient of bi-swirl injector was investigated by the injection condition and recess length. Five bi-swirl injectors which have different recess length were designed and manufactured. Discharge coefficient of each injectors was constant by the pressure drop and O/F ratio in solo injection but discharge coefficient of outer injector was decreased as O/F ratio was increased in internal mixing region.

케로신 와류화염의 화학발광 연구

이진영(Jinyoung Lee),이현재(Hyeonjae Lee),서성현(Seonghyeon Seo) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.5

본 논문은 케로신 화염의 자발광 특성과 와류의 세기에 따른 화학발광의 특성을 파악하는 연구이다. 화염의 자발광 특성을 파악하는데 분광기를 사용하여 계측하고, 와류의 세기에 따른 특성을 파악하기 위해 세 가지의 스월러를 이용하였다. 자발광 스펙트럼에서 OH<SUP>*</SUP>, CH<SUP>*</SUP>, C₂<SUP>*</SUP>을 이용하여 연소 특성을 파악하였다. 화학발광에서 두드러지는 특징은 와류의 세기 따라 각 레디컬의 세기가 증가하였고, 그 중 C₂<SUP>*</SUP>의 세기가 가장 민감하게 반응하였다. 당량비 고정에서 와류의 세기예 다른 화염 특성의 변화가 거의 없는 것으로 나타났다. The present study focuses on the identification of the characteristics of chemiluminescence due to the strength of the kerosene of the emission spectra along with flow characteristics such as swirl. A spectrometer is used to measure te emission spectra characteristics of flames. Three different types of swirlers have been employed to observe variations of flame spectra, characteristics associated with swirl intensity. The chemiluminescence intensities form OH<SUP>*</SUP>, CH<SUP>*</SUP> and C₂<SUP>*</SUP> are used to determine the combustion characteristics. One thing noteworthy about chemiluminescence characteristics is that along with the swirl intensity, the respective radical chemiluminescence intensities increase. Also, C₂<SUP>*</SUP> intensity is the most sensitive one. Changes of the swirl intensity lead to little variations in flame characteristics when an equivalent ratio stays constant.

외부혼합 와류분사기를 장착한 액체로켓엔진용 축소형 연소기 개발

한영민(Yeoung Min Han),김승한(Seung Han Kim),서성현(Seonghyeon Seo),이광진(Kwang Jin Lee),김종규(Jong Gyu Kim),설우석(Woo Seok Seol) 한국항공우주학회 2004 韓國航空宇宙學會誌 Vol.32 No.10

본 논문에서는 와류분사기를 가진 액체로켓엔진용 축소형 연소기의 설계/제작/시험에 대해 기술하였다. 와류분사기는 내부에 액체산소 외부에 케로신을 공급하여 노즐 외부에서 혼합하는 구조를 가지고 있다. 축소형 연소기는 분사기 헤드, 삭마 냉각방식의 내열재연소실 그리고 물냉각 노즐로 구성되어 있다. 분사기 헤드는 18개의 주 분사기, 하나의 중앙 분사기, 연료 메니폴드, 산화제 메니폴드 그리고 추진제 분배기 등으로 구성되어 있다. 축소형 연소기 제작 후 수류시험 및 점화시험을 거쳐 설계점 및 탈설계점에서의 연소시험을 성공적으로 수행하였다. 연소시험결과 분사기 차압은 수류시험시의 값과 비슷하였고 연소효율은 목표치보다 높게 나왔으며, 정상연소시 동압의 진폭은 규격조건을 만족하였고 고주파 연소 불안정은 발생하지 않았다. The procedure of design and manufacture of sub-scale combustor using bipropellant swirl injector with external mixing for a liquid rocket engine are described. The results of cold flow test, ignition test and combustion test of the sub-scale combustor are also given in this paper. The sub-scale combustor uses liquid oxygen(LOx) and kerosene as propellants and has a injector head, an ablative material combustor wall and a water cooled nozzle. The injector head has Lax manifold, fuel manifold, fire face plate, one center swirl injector and 18 main swirl injectors. The cold flow, ignition and combustion tests were successfully performed without damage of combustor. Results of hot firing tests show that combustion efficiency meets the target of design and operations of start and stop cyclogram are stable and high frequency combustion instability does not occur.