가연성 기체 혼합물에서 복잡한 구조에 따른 화염 가속 모델링

곽민철(Min-cheol Gwak),여재익(Jai-ick Yoh) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集B Vol.36 No.3

본 연구는 가연성 기체로서 에틸렌-공기 혼합물로 채워져 있는 관에서 장애물과 굽은 관에 의한 지형적 효과에 따라 변화하는 충격파와 화염의 상호 작용, 화염 가속, 연소폭발천이 현상을 수치적으로 살펴보았다. 여기서 사용되는 모델은 지배방정식으로 Navier-Stokes 방정식과 경계조건 처리 방법으로 ghost fluid 기법을 사용하였으며 지형적 영향을 달리한 여러 모델링을 통하여 화염과 강한 충격파의 충돌에 의한 열점 생성과 화염 전파의 지연 혹은 가속 현상을 확인하였다. 추가적으로 평균 화학적 에너지 발생률이 대략 20 MJ/(g·s)에서 폭굉으로 천이한다는 사실을 확인하였다. 그리고 동일 위치 열점 생성에도 불구하고 폭굉의 발생 시기가 반응물의 부재와 화염면 전방의 온도와 압력 차에 의해 지연될 수 있음을 확인하였다. This paper presents a numerical investigation of the deflagration-to-detonation transition (DDT) of flame acceleration by a shock wave filled with an ethylene/air mixture as the combustible gas, considering geometrical changes by using obstacles and bent tubes. The model used consists of the reactive compressible Navier?Stokes equations and the ghost fluid method (GFM) for complex boundary treatment. Simulations with a variety of bent tubes with obstacles show the generation of hot spots through flame and strong shock-wave interactions, and restrained or accelerated flame propagation due to geometrical effects. In addition, the simulation results show that the DDT occurs with a nearly constant chemical heat-release rate of 20 MJ/(g·s) in our numerical setup. Furthermore, the DDT triggering time can be delayed by the absence of unreacted material together with insufficient pressures and temperatures induced by different flame shapes, although hot spots are formed in the same positions.

Two-phase 모델을 활용한 에틸렌-공기와 RDX 혼합물의 데토네이션 특성 연구

곽민철(Min-cheol Gwak),김우현(Wuhyun Kim),여재익(Jai-ick Yoh) 한국추진공학회 2017 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2017 No.5

본 연구에서는 two-phase model(이상 모델)을 활용하여, 고폭약(RDX) 입자가 고르게 분포되어 있는 에틸렌-공기 혼합물의 데토네이션 속도, 압력을 포함하는 데토네이션 특성을 확인하였다. 순수 가연성 기체 혼합물 내에 고폭약 입자를 분포시킬 경우, 고폭약의 화학 반응에 의한 열방출에 의해 순수 가연성 기체 혼합물의 데토네이션 보다 높은 압력 및 임펄스 증가를 발생시킬 수 있다. 본 연구에서 제안된 수치해석 접근법으로 계산한 결과를 검증하기 위하여, 이전에 수행된 실험 결과(RDX 입자의 함량에 따른 데토네이션 압력/속도)와 비교하였다. In this study, we numerically investigate the detonation characteristics (detonation velocity and pressure) of a hybrid ethylene-air and RDX mixture using two-phase model. Compared with detonation of pure ethylene-air mixture, the detonation of the hybrid ethylene-air and RDX mixture has higher pressure and stronger impulse because the hybrid mixture has additional chemical heat release of RDX particles. To validate the numerical results using two-phase model, we compare the experimental data which show changes of detonation pressure and velocity according to concentration of RDX particles.

케로신-공기 혼합물의 데토네이션 하중에 의한 열탄소성 관의 동적 거동 해석

곽민철(Min-cheol Gwak),이영헌(Younghun Lee),여재익(Jai-ick Yoh) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회지 Vol.21 No.1

본 연구에서는 케로신-공기 혼합물 데토네이션 계산과 다물질 해석을 기반으로 데토네이션 하중에 의한 얇은 금속관의 열탄소성 거동에 대한 수치계산을 수행하였다. 데토네이션 하중은 케로신-공기 혼합물의 데토네이션을 활용하여 모델링하였으며, 검증을 위해 해석 결과를 C-J 조건과 실험적 셀 직경을 통해 비교 검증하였다. 또한 금속의 탄성/소성 거동을 확인하기 위하여, 소성 거동은 구리의 Taylor impact 문제로, 탄성 거동은 베를리움 평판 떨림 문제를 활용하였다. 온도에 의한 관의 탄소성 거동 변화를 확인하기 위하여 동일한 데토네이션 하중 하에서 초기 온도가 다른 관의 거동을 확인하고 이론식과의 비교를 통해 열연화 효과가 고려되어야 함을 확인하였다. This paper presents a numerical investigation on kerosene-air mixture detonation and behaviors of thermal elasto-plstic thin metal tube under detonation loading based on multi-material analysis. The detonation loading is modeled by the kerosene-air mixture detonation which is compared with Chapman–Jouguet (C-J) condition and experimental cell size. To conform the elasto-plastic model, plastic and elastic behaviors are verified by Taylor impact and plate bending motion, respectively. The numerical results are compared with the theory on burst pressure of tube. The critical deformable thickness with the thermal softening considered is good agreement with the theoretical value.

작은 관 내 케로신-공기 혼합물의 비정상 연소 현상 모델링

곽민철(Min-cheol Gwak),이영헌(Younghun Lee),최재준(Jaejun Choi),여재익(Jai-ick Yoh) 한국추진공학회 2014 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.5

본 연구는 액체로켓 연소기의 연소불안정으로부터 야기 될 수 있는 국소 폭발에 의해 연소기 구조체에 발생할 수 있는 변형 혹은 파손을 예측하고, 관내의 연소불안정에 의한 구조응답 특성을 해석할 수 있는 모델의 기초연구로써 작은 금속관에서의 케로신-공기 혼합물의 데토네이션을 모델링하였다. 케로 신-공기 혼합물은 데토네이션 모사를 위한 1단계 아레니우스 형태의 화학 반응식을 이용하였고 금속관은 Johnson-Cook 강성모델을 활용하여 연소에서 발생한 압력으로 인한 관의 소성변형을 모델링하였다. 두꺼운 관과 얇은 관의 해석 결과 비교를 통하여 데토네이션 압력에 의한 얇은 관의 소성 변형을 확인하고 이로 인해 발생되는 팽창파 및 압력/밀도 감소 현상을 확인하였다. This paper presents a numerical investigation on detonation of a kerosene-air mixture in the elastoplastic metal tubes and the structural responses associated with combustion instability. A single step Arrhenius rate law and Johnson-Cook strength model are used to describe the chemical reaction of kerosene-air mixture and the plastic flow of the elastoplastic metal tube. Also the effect of the tube thickness is investigated on the resulting deflagration to detonation transition.

미분탄가스 폭발에 의한 용융로 구조 손상에 대한 연구

곽민철(Min-cheol Gwak),김대현(Dae-hyun Kim),권기웅(Ki-woong Kwon),여재익(Jai-ick Yoh) 한국가스학회 2009 한국가스학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.4

용융로 내부 구조물(Lance)은 손상에 의해 교체가 자주 이루어지고 있어, 재산적인 손실을 가져온다. 이러한 손실을 막기 위하여 우선 구조물 손상의 원인을 살펴볼 필요가 있다. 본 논문에는 용융로 내어서 발생하는 폭발현상, DDT(Deflagration to Detonation Transition)에 의한 강한 압력 충격파가 손상의 원인 중 하나라고 가정하고 이를 뒷받침하기 위한 이론적ㆍ수치적 연구를 진행하였다. 우선 DDT 발생에 대한 이론적인 설명과 용융로 내부의 조건을 토대로 DDT 발생 가능성을 살펴본다. 또한 DDT에 의해 생성된 충격파의 강도를 이론적 방법을 통하여 예측한 후 Hydrocode를 이용하여 모델링 하고 이를 실제 용융로 구조물 손상 사례와 비교 분석하였다. 이를 통해 DDT에 의해 발생하는 충격파가 손상을 야기하는 여러 원인 중 하나라는 가능성을 검증하였다.

탄소성 금속관 내 가스 폭굉의 수치적 연구

곽민철(Min-cheol Gwak),도영대(Yeong-dea Do),박정수(Jeong-su Park),여재익(Jai-ick Yoh) 한국연소학회 2012 KOSCOSYMPOSIUM논문집 Vol.- No.45

탄화수소계 가스의 연소폭발천이현상 연구

곽민철(Min-cheol Gwak),여재익(Jai-ick Yoh) 한국연소학회 2010 KOSCOSYMPOSIUM논문집 Vol.- No.41

This paper presents a numerical investigation of the Deflagration to Detonation Transition (DDT) of flame acceleration by a shock wave in combustible gas mixture. A model consisting of the reactive compressible Navier-Stokes equations is used. The effects of viscosity, thermal conduction, species diffusion, and chemical reactions are included. Using this model, the generation of hot spots by repeated shock and flame interaction in front and back of flame and the change of detonation occurrence by various shock intensities (Ms=1.1, 1.2, 1.3) are studied. The simulations show that as the incident shock intensity increases, the Richtmyer-Meshkov (RM) instability becomes stronger and DDT occurrence time is reduced.

장애물이 있는 굽은 관 내 화염 가속 현상에 대한 수치적 연구

곽민철(Min-cheol Gwak),김기홍(Ki-hong Kim),여재익(Jai-ick Yoh) 한국연소학회 2011 KOSCOSYMPOSIUM논문집 Vol.- No.43

The aim of this study is a numerical investigation of the flame acceleration and the deflagration to detonation transition (DDT) by a shock wave filled with an ethylene-air mixture in bent tube with obstacle. A model consisting of the reactive compressible Navier-Stokes equations and the ghost fluid method (GFM) for complex boundary treatment is used. A various intensities of incident shock wave simulations show the generation of hot spots by shock-flame interaction and the accelerated flame propagation due to geometrical effect. Through our simulation’s results, we concentrate the complex confinement effects in generating strong shock wave, shock-flame interaction, hot spot and DDT in pipe.

미분탄 DDT 폭발 현상에 의한 친환경 용융로 내부 손상에 관한 연구

곽민철(Min-cheol Gwak),권기웅(Ki-woong Kwon),이상호(Sang-ho Yi),여재익(Jai-ick Yoh) 한국연소학회 2009 KOSCOSYMPOSIUM논문집 Vol.- No.38

The damages on the tuyere of the eco-friendly furnace create losses, because the tuyere should be changed frequently. In order to prevent this loss, we investigated the origins of the damages. This paper considers the assumption that the damage factor is DDT (Deflagration to Detonation Transition), which is induced by a strong pressure wave by the pulverized gas explosion. We investigate this assumption theoretically and numerically. Initially, we examine the possibility of DDT in the furnace on the basis of DDT theory and internal condition of the furnace. This is complemented by hydrocode numerical modeling, which is used to study the damage on the structure (tuyere front). At last, we compare the modeling results with damages on real tuyere. Through this comparison we prove the possibility that the strong compression wave is one of the reasons for structure damage.

Two-phase 모델을 활용한 가연성 가스 기반 복합 혼합물의 폭발 현상 수치 연구

곽민철(Min-cheol Gwak),김우현(Wuhyun Kim),여재익(Jai-ick Yoh) 한국가스학회 2017 한국가스학회 학술대회논문집 Vol.2017 No.5