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벤트 혼합기를 사용한 스크램제트 엔진의 연소모드에 대한 실험적 연구
김채형(Chae-hyoung Kim),최병일(Byoungil Choi),정인석(In-secuk Jeung),마쯔바라 요시노리(Matsubara Yoshinori),토시노리 코오치(Toshinori Kouchi),고로 마쓰야(Goro Masuya) 한국연소학회 2009 KOSCOSYMPOSIUM논문집 Vol.- No.38
The supersonic combustion experiment using both step mixer(SM) and vent slot mixer(VSM) has conducted in Tohoku university in Japan. Inflow Mach number was about 2 and a plasma torch was used as a igniter and flameholder. Hot recirculation zone, which was generated ahead of the plasma torch, induced the ignition and combustion. Combustion modes could be classified into three; weak combustion, supersonic combustion, and dual-mode combustion. Transition from supersonic combustion to dual-mode combustion in the supersonic combustor could be designed using Billig's empirical equation. At dual-mode combustion condition, unstable pressure which has developed from the isolator generally affected the combustion conditions in the combustor. However, the vent of VSM prevented the propagation of disturbance from the isolator and has improved the air-hydrogen mixing and combustion efficiency in the supersonic combustor.
초음속 유동장 내 플라즈마 토치를 사용한 강제 점화 특성
김채형(Chae-Hyoung Kim),정인석(In-secuk Jeung),최병일(Byoungil Choi),토시노리 코오치(Toshinori Kouchi),고로 마쓰야(Goro Masuya) 한국추진공학회 2011 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.5
마하 2의 초음속 풍동 장치에서 벤트 혼합기를 사용하여 혼합?연소실험을 수행하였다. 혼합실험에서는 헬륨을 사용하였고, 연소실험에서는 수소와 플라즈마 토치를 사용하여 연소 특성을 연구하였다. 혼합실험에서는 벤트 혼합기에 의해 수직분사임에도 불구하고 후류 혼합층에 많은 연료가 잔존하였다. 연소 실험의 경우 낮은 온도의 초음속 유동에서 플라즈마 토치를 사용한 점화와 연소되지 않은 연료-공기 혼합물의 충격파 유도 연소가 후류 영역에서 발생하였다. 열질식이 일어난 경우, shock train이 발생하며 이는 연소기내 연소 불안정성을 유도한다. Mixing and combustion experiments with a vent slot mixer were performed in Mach 2 supersonic wind tunnel. Helium and hydrogen gases each were used for the mixing and the combustion experiment with a plasma jet (PJ) torch. The vent slot mixer holds plenty of fuel in the downstream mixing region, even though the fuel is transversely injected. In case of the combustion, the injected fuel is ignited by the PJ torch, and then unburned mixture is burned by shock-induced combustion downstream. Thermal choking in the combustor leads to shock trains in the isolator, causing the unstable combustion.
김채형(Chae-hyoung Kim),한영민(Yeoung Min Han),조남경(Namkyung Cho),김승한(Seung-Han Kim),유병일(Byungil Yu),이광진(Kwang-Jin Lee),소윤석(Younseok So),우성필(Seongphil Woo),임지혁(Ji-Hyuk Im),황창환(Chang Hwan Hwang),이정호(Jungho Le 한국추진공학회 2017 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2017 No.5
한국형발사체(KSLV-II) 개발과 함께 지구정지궤도 발사를 위해 비추력이 높은 다단연소사이클 로켓 엔진 개발이 한국항공우주연구원에서 진행되고 있다. 다단연소사이클 로켓엔진은 한국형발사체 엔진과 달리 가스발생기를 사용하는 개방형 엔진이 아니며, 크게 예연소기, 터보펌프, 주연소기로 구성되어 있폐쇄형 엔진이다. 기술검증시제 개발용 모델(TDM0)을 조립하여 나로우주센터의 7톤급 엔진 연소시험 설비에서 연소시험이 진행되고 있으며, 기술검증시제 모델의 연소시험은 성공적으로 수행되었다. 현재 엔진 형상의 TDM1 모델 조립과 연소시험을 위한 준비과정이 진행 중이다. Korea Aerospace Research Institute has being developed a staged combustion cycle rocket (SCCR) engine with high specific impulse to send a 3-ton class satellite into geostationary orbit while conducted Korean Space Launch Vehicle (KSLV) II project. The SCCR engine is different from the KSLV-II engine, which is open cycle engine using a gas-generator. The SCCR engine with closed cycle is composed of a pre-burner, a turbo pump, and a main combustor. The technology demonstration model (TDM0) was assembled and tested in the 7ton-class engine combustion test facility of Naro Space Center, and the combustion test was successfully conducted. Afterward engine-shaped SCCR engine model (TDM1) is being designed and developed for the next combustion test.
김채형(Chae-hyoung Kim),성근민(Kunmin Sung),정인석(In-Seuck Jeung),최병일(Byoungil Choi),Toshinori Kouchi,Goro Masuya 한국항공우주학회 2009 韓國航空宇宙學會誌 Vol.37 No.9
일반적으로 초음속 유동 실험 장치에는 축대칭형 노즐이나 이차원 대칭형 노즐이 사용되고 있다. 하지만, 이차원 비대칭형 초음속 노즐은 상대적으로 가공비용이 저렴하며 노즐의 결합부에서 생기는 불필요한 충격파 생성을 줄일 수 있는 이점이 있다. 본 논문에서는 초음속 혼합기의 연소 실험을 위해 마하수 2의 비대칭 초음속 노즐을 설계하였다. 특성곡선해법을 이용하여 설계된 노즐에 대하여 수치해석을 수행하여 경계층보정을 하였으며 최종적으로 가공된 노즐에 대하여 마하파를 가시화 하는 실험을 통하여 노즐의 성능을 검증하였다. 이를 통하여 2차원 비대칭형 초음속 노즐의 설계와 검증 방법을 제시하였다. Most supersonic-flow test facility has axisymmetric nozzles or two-dimensional symmetric nozzles. Compared to these nozzles, a two-dimensional asymmetric nozzle has advantages of reducing low cost for various Mach number testing and undesirable flow structure such as shock wave reflection because the nozzle part can be directly connected to the test section part in this type of nozzle. The two-dimensional asymmetric nozzle, which was Mach number 2, was designed for supersonic combustion experiment. And it was verified with the numerical analysis and visualization of Mach wave. This study suggested the practical method for design and verification of supersonic two dimensional asymmetric nozzles.
3차원 PIV 기법을 사용한 벤트혼합기가 초음속 연료-공기 혼합에 미치는 특성 연구
김채형(Chae-Hyoung Kim),정인석(In-Seuck Jeung),최병일(Byungil Choi),토시노리 코오치(Toshinori Kouchi),고로 마쓰야(Goro Masuya) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.5
벤트 혼합기는 혼합기 후류에 존재하는 재순환 영역으로 공기를 유입시켜 연료-공기 혼합을 증대시키는 혼합기이다. Stereoscopic PIV기법을 통해 얻은 3차원 속도, 와류, 난류운동에너지를 토대로 계단형 혼합기를 기본 모델로 하여 벤트 혼합기의 성능을 분석하였다. 벤트 혼합기는 두터운 전단층으로 인해 높은 침투거리를 보였으며, 난류운동에너지는 주로 주유동과 제트유동의 경계면을 따라 분포하였다. 이 난류 영역은 혼합영역 내에서 활발히 물질전달을 일으키며, 혼합 증대를 가져온다. Vent mixer can provide main flow directly into a recirculation region downstream of the mixer to enhance fuel-air mixing efficiency. Based on experimental results of three-dimensional velocity, vorticity and turbulent kinetic energy obtained by a stereoscopic PIV method, the performance of the vent mixer was compared with that of the step mixer which was used as a basic model. Thick shear layers of the vent mixer induced the increase of the penetration height. The turbulent kinetic energy mainly distributed along a boundary layer between the main flow and the jet plume. This turbulent field activates mass transfer in a mixing region, leading to the mixing enhancement.
김채형(Chae-Hyoung, Kim),정인석(In-Seuck Jeung),고로마쓰야(Goro Masuya) 제어로봇시스템학회 2012 제어로봇시스템학회 합동학술대회 논문집 Vol.2012 No.7
마하 2의 초음속 풍동 장치에서 벤트 혼합기를 사용하여 혼합 및 연소실험을 수행하였다. 혼합실험에서는 헬륨을 사용하였고, 연소실험에서는 수소와 플라즈마 토치를 사용하여 연소 특성을 연구하였다. 혼합실험에서는 벤트 혼합기에 의해 수직분사임에도 불구하고 후류 혼합층에 많은 연료가 잔존하였다. 연소 실험의 경우 낮은 온도의 초음속 유동에서 플라즈마 토치를 사용한 점화와 연소되지 않은 연료-공기 혼합물의 충격파 유도 연소가 후류 영역에서 발생하였다. 열질식이 일어난 경우, shock train이 발생하며 이는 연소기내 연소 불안정성을 유도한다. Mixing and combustion experiments with a vent slot mixer were performed in Mach 2 supersonic wind tunnel. Helium and hydrogen gases each were used for the mixing and the combustion experiment with a plasma jet (PJ) torch. The vent slot mixer holds plenty of fuel in the downstream mixing region, even though the fuel is transversely injected. In case of the combustion, the injected fuel is ignited by the PJ torch, and then unburned mixture is burned by shock-induced combustion downstream. Thermal choking in the combustor leads to shock trains in the isolator, causing the unstable combustion.
김채형(Chae-Hyoung Kim),정용갑(Yonggahp Chung),한영민(Yeoungmin Han) 한국추진공학회 2014 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.12
75톤 가스발생기 후연소 시스템 설비를 제작하였으며, 연소기 연소시험설비 시험장에서의 설비 인증시험을 통해 그 성능을 확인하였다. 공급 시스템은 안정적으로 메탄과 산소를 공급했으며, 가스 토치압력은 설계값을 만족했으며, 안정적인 성능을 보였다. After-burner system facility for 75 ton gas generator was designed and installed, then the performance of the facility was verified by the facility certification test in the CCTF. The supply system provided steadily methane and oxygen gas to the after-burner system, and the combustion pressure of the gas torch approached the design point with good performance.