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액체로켓분사기 해석을 위한 실제유체 기반의 난류연소모델 개발
김성구(Seong-Ku Kim),최환석(Hwan-Seok Choi),박태선(Tae-Seon Park) 한국추진공학회 2010 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.5
액체로켓 분사기는 추진 성능과 연소 안정성, 그리고 열유속 특성을 지배하는 가장 중요한 요소이다. 그러나 분사기 근방에서 일어나는 고압 연소 현상에 대한 근본적인 이해의 부족으로 분사기의 개발 과정은 대부분 경험적 설계방법과 고비용의 연소시험에 의존해 왔다. 본 연구는 액체로켓 연소 모델링과 관련된 최근 연구 동향들을 토대로 시작되었다. 층류화염편 기반의 난류연소모델을 초임계 압력 조건에서 나타나는 실제유체 거동을 고려할 수 있도록 확장하였으며, 극저온 질소분사, 상압 조건하의 난류 제트화염, 그리고 고압의 기체수소/액체산소 동축 분사기에 적용하여 해석모델의 효용성을 확인하였다. Liquid rocket injectors play crucial roles on propulsive performance, combustion stability, and heat transfer characteristics. Nevertheless, their developments have mainly relied on empirical methods and expensive hot-firing tests due to lack of fundamental understanding of high pressure combustion phenomena in the near-injector regions. The present study was motivated by recent efforts to develop reliable modeling of liquid rocket combustion. The turbulent combustion model based on the flamelet concept has been extended to take into account real-fluid behaviors occurred at supercritical pressures, and validated against measurements for a cryogenic nitrogen injection, a non-premixed turbulent jet flame at atmospheric pressure, and a LOx/GH2 coaxial shear injector at a supercritical pressure.
화염전달함수와 Helmholtz solver를 이용한 모델 연소기의 연소불안정 연구
김성구(Seong-Ku Kim),최환석(Hwan-Seok Choi),김대식(Daesik Kim),차동진(Dong Jin Cha) 한국추진공학회 2013 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.5
본 연구에서는 최근에 개발된 Helmholtz solver를 이용하여 예혼합 가스터빈 모델 연소기에서 종방향 음향 모드로 발생하는 자발 연소불안정을 해석하였다. 음향섭동에 대한 화염의 응답특성은 속도감응 시간지연모델을 적용하였으며, 모델 파라미터들은 실험으로부터 계측된 화염전달함수를 통해 결정하였다. 연소실 길이를 변경시켰을 때, 연소시험 결과와 유사한 구간에서 2차 종 방향 모드의 자발 불안정이 예측되었으며, 입구의 음향 특성은 연소불안정의 발생 여부뿐만 아니라 공진 주파수와 모드 형태에도 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. This study investigated numerically longitudinal combustion instability of a lean premixed model gas-turbine combustor using a recently developed Helmholtz solver. The response of heat release rate to acoustic perturbation was modeled based on the velocity-sensitive time-lag theory, whose parameters were determined by experimentally measured FTF (Flame Transfer Function). The present model predicted spontaneous instabilities in second longitudinal mode for certain range of combustion chamber length, which is in line with the experiment. The numerical result clearly reveals that the acoustic boundary condition at the inlet affects greatly the resonant frequency and mode shape of the combustion instability as well as its growth rate.