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        • KCI등재

          질량분사가 있는 채널 내부 난류 유동의 외부교란에 대한 주파수 특성

          나양(Yang Na), 이창진(Changjin Lee) 한국항공우주학회 2010 韓國航空宇宙學會誌 Vol.38 No.1

          하이브리드 로켓 모터 내부에서는 산화제에 의한 주유동과 연료의 기화로 발생된 분출유동이 상호작용을 하기 때문에 매우 강한 전단층이 발생되며 이에 기인한 시간특성이 나타나게 된다. 이 시간특성이 난류 유동장에 부과되면서 매우 복잡한 유동간섭 현상이 발생되게 되는데, 이와 같은 간섭현상이 외부교란에 대해 어떻게 반응하는지를 살펴보는 것은 안정적인 연소과정을 위해서 매우 중요하다. 이를 연구하기 위하여 연소반응을 제외하고, 산화제의 난류 유동과 연료 벽면에서의 분출 유동을 모사한 채널 유동에 대한 LES 해석을 수행하였으며, momentum forcing기법을 사용하여 특정주파수를 부과하는 집중교란(concentrated forcing)과 백색소음과 같은 넓은 범위의 주파수 특성을 부과하는 분산교란(distributed forcing)에 대한 유동의 반응을 살펴보았다. 두 경우 모두 모터의 하류에서 외부교란의 특성시간을 유지하였으나 비약적인 유동의 공진현상으로 연결되지는 않는다는 것을 확인하였다. 이는 외부교란의 특성은 시스템의 고유진동수 및 Kelvin-Helmholtz 불안정성에 기인한 특성 진동수와 함께 고려되어야 한다는 것을 의미한다. Due to the interaction between main oxidizer flow and the wall injected flow resulting from the regression process, a specific time characteristics identified in the frequency spectrum of streamwise velocity is generated in the hybrid rocket motor. In order to understand the response of the turbulent flow to two different types of external momentum forcing, LES analysis was conducted without considering the combustion. It turns out that both concentrated and distributed forcings do not lead to the disastrous resonance phenomenon. Energy contents are enhanced due to the added momentum but the peak frequency was not modified in the turbulent flow near the end of the rocket motor. Natural frequency of the flow system should be taken into account to further pursue the instability issue by using external forcing.

        • 동적혼성모델을 이용한 벽분사가 있는 채널의 온도장 예측

          나양(Yang Na), 김학종(Hakjong Kim) 대한기계학회 2003 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2003 No.11

          Turbulent temperature field in a channel with wall injection has been investigated using dynamic mixed<br/> model(DMM). This flow is pertinent to internal flows inside the hybrid rocket motors. In general, the results<br/> obtained with DMM are in better agreement with DNS results compared to those of dynamic Smagorinsky<br/> model(DSM). Such favorable features of DMM are attributed to the fact that it explicitly calculates the<br/> modified Leonard stress term which takes care of the local interaction between resolved and SGS stresses and<br/> only models the remaining cross and SGS Reynolds stress terms.

        • KCI등재

          LES기법을 이용한 벽면 분출이 있는 채널 내부의 난류 유동 및 스칼라장 특성 해석

          나양(Yang Na) 한국추진공학회 2009 한국추진공학회지 Vol.13 No.2

          이상화된 하이브리드 로켓모터 내부의 난류 유동 및 온도장의 발달과정을 대와류모사 기법을 사용하여 살펴보았다. 화학반응 및 밀도의 변화를 고려하지는 않았으나, 물리적으로 타당한 난류 입구조건과 22,500의 높은 Reynolds수 및 regression에 의한 벽면분출을 고려하여, 벽면근처에서 일어나는 난류유동의 시간 특성을 파악하였다. 하이브리드 모터 내부에서 발생한 혼합전단층의 불안정성에 기인한 특정 시간스케일(St∼0.5)이 수동스칼라장에서 검출되지 않았다는 사실은 난류 온도장 해석에 난류 Prandtl 수를 상수로 가정하는 기존의 접근방식이 상당한 오차를 발생시킬 수 있다는 것을 의미한다. Large eddy simulation was conducted for flow development in a chamber with wall injection which simulates the cold flow in an idealized hybrid rocket motor. It was found that a peculiar timescale, roughly corresponding to St∼0.5, resides in the flowfield resulting from the interaction between the main oxidizer and wall injected flows. However, the fact that this time characteristics is absent in the temperature field in the vicinity of the wall indicates that even a small regression rate renders the passive scalar, such as temperature, dissimilar to the velocity field. This implies that a classical approach, which assumes that constant turbulent Prandtl number, should be replaced by a more sophisticated turbulence models to accurately predict the temperature field in the hybrid motor.

        • KCI등재

          분출유동이 있는 채널 난류유동의 LES 해석

          나양(Yang Na), 이창진(Changjin Lee) 한국항공우주학회 2007 韓國航空宇宙學會誌 Vol.35 No.8

          최근의 실험 결과를 통해 하이브리드 로켓 연료의 표면에 연소가 진행되지 않은 채 남아있는 고립된 부분들이 존재함을 확인하였다. 이러한 불규칙적인 spot은 연료의 기화로 인한 분출유동(blowing velocity)과 산화제의 유통 사이에서 발생하는 경계층 교란에 의한 현상인 것으로 여겨진다. 본 연구에서는 22,500의 높은 Reynolds수와 벽면분출 현상을 효과적으로 처리할 수 있도록 LES 기법을 이용하여, 연료 표면 근처의 난류 유동 및 열전달 특성을 해석하였다. 비록 원형 그레인 아닌 단순채널 형상을 고려하였으며 화학반응이 없는 경우의 난류유동을 해석하였으나, 연료 표면에서 발생하는 불규칙한 spot의 발생은 경계층과 분출되는 유동이 상호 간섭함으로써 난류구조들의 기구학적 특성을 변경시키기 때문인 것으로 추측되는 결과들을 얻을 수 있었다. Recent experimental data shows that the noticeable feature of irregular roughened spots on the fuel surface occurs during the combustion test with PMMA/GOX in the hybrid rocket motor. The generation of these unexpected patterns is likely to be resulted from the disturbed boundary layer due caused by wall blowing which is intented to simulate the process of fuel vaporization. LES technique was implemented to investigate both the flow characteristics near fuel surface and the subsequent evolution of turbulence modified by the wall blowing. Simple channel geometry instead of circular grain configuration was used for the investigation without chemical reactions in order to allow for a focused examination on the near-wall behavior at the Reynolds number of 22,500. It was shown that the wall blowing pushed turbulent structures upwards making them tilted and this skewed displacement, in effect, left the foot prints of the structures on the surface. This change of kinematics may explain the formation of irregular isolated spots on the fuel surface observed in the experiment.

        • KCI등재

          채널유동에서 질량분사에 의한 표면유동의 진동 특성

          나양(Yang Na), 이창진(Changjin Lee) 한국항공우주학회 2009 韓國航空宇宙學會誌 Vol.37 No.1

          하이브리드 로켓 연소에서 발생하는 산화제 난류 유통과 연료의 기화로 인한 분출유동 사이의 상호 간섭은 매우 복잡하고 특별한 유동 간섭을 일으킨다. 이를 연구하기 위하여 연소반응을 제외하고, 산화제의 난류 유동과 연료 벽면에서의 분출 유동을 모사한 채널 유동에 대한 LES 해석을 수행하였다. 고체추진 로켓의 연소 과정에서 관찰되는 현상과 매우 흡사하게 벽면 근처에서 특정주파수로 진동하는 유동 현상이 존재한다는 것을 확인하였고, 산화제와 분출 유동의 간섭에 기인한 유동의 진동현상은 벽면 근처의 매우 앓은 영역에서만 존재하였다. 큰 길이 스케일의 유동현상을 보여주는 압력 섭동장으로부터 채널 내 주유동이 특정 주파수 특성을 갖고 하류로 진행해 가는데, 이는 산화제 유동이 분출유동과 상호작용을 하면서 발생된 전단유동의 특성을 나타낸 것이다. 그러나 하이브리드 로켓 연소실 유동의 진동 특성은 고체 추진 로켓에서 관찰되는 유동 특성과는 달리, 진동의 강도가 벽면에서 온도 구배를 변화시켜 열전달의 향상을 발생시키기에는 충분하지 못한 것으로 보인다. 그러나 벽면 근처에서 특정 주파수 특성을 갖는 유동현상이 존재한다는 사실은 비슷한 크기의 주파수를 갖는 음향 가진과 같은 외부교란이 작용한다면 공진으로 발전할 수 있는 가능성을 의미한다. The interaction between wall blowing and oxidizer flow can generate a very complicated flow characteristics in combustion chamber of hybrid rockets. LES analysis was conducted with an in-house CFD code to investigate the features of turbulent flow without chemical reactions. The numerical results reveal that the flow oscillations at a certain frequency exists on the fuel surface, which is analogous to those observed in the solid propellant combustion. However, the observation of oscillating flow at a certain frequency is only limited to a very thin layer adjacent to wall surface and the strength of the oscillation is not strong enough to induce the drastic change in temperature gradient on the surface. The visualization of fluctuating pressure components shows the periodic appearance of relatively high and low pressure regions along the axial direction. This subsequently results in the oscillation of flow at a certain fixed frequency. This implies that the resonance phenomenon would be possible if the external disturbances such as acoustic excitation could be imposed to the oscillating £low in the combustion chamber.

        • KCI등재
        • KCI등재

          질량분사가 있는 덕트 난류유동의 LES 해석

          김보훈(Bohoon Kim), 나양(Yang Na), 이창진(Changjin Lee) 한국항공우주학회 2011 韓國航空宇宙學會誌 Vol.39 No.3

          하이브리드 로켓은 난류 산화제 유동과 고체 추진제의 기화로 인한 분사 유동 사이의 상호 작용에 의해 복잡한 형태의 혼합 전단층이 존재한다는 특별한 성질을 가지고 있다. 본 논문에서는 유동 간섭에 의해 표면에서 발생하는 진동 유동의 물리적 특성을 연구하기 위하여 압축성 효과를 고려한 질량분사가 있는 덕트 유동의 LES(Large Eddy Simulation) 해석을 수행하였다. 계산 결과에 따르면, 기화 질량이 분출됨에 따라 주유동 방향 와류의 특성이 강해지고 국부적으로 발생하는 역류 현상을 근거로 벽면 근방에서 원주방향 와류가 생성됨을 확인하였다. 그리고 시간 특성을 갖고 나타나는 와류 흘림 현상은 혼합 전단층에 기인한 유동 불안정성에 의해 촉진되었으며, 분출유동에 의해 발달한 고유 진동 유동을 의미하는 압력 섭동의 특정 진동수가 ω=8.8에서 검출됨을 확인하였다. The hybrid rocket shows interesting characteristics of complicated mixing layer developed by the interaction between turbulent oxidizer flow and injected surface mass flow from fuel vaporization. In this study, the compressible LES was conducted to explore the physical phenomena of surface oscillatory flow induced by the flow interferences in a duct domain. From the numerical results, the wall injection generates the stronger streamwise vorticites and the negative components of axial velocity accompanied with the azimuthal vorticity near the surface. And the vortex shedding with a certain time scale was found to be developed by hydrodynamic instability in the mixing layer. The pressure fluctuations in this calculation exhibit a peculiar peak at a specific angular frequency(ω=8.8) representing intrinsic oscillation due to the injection.

        • 덕트내부에서 질량분사가 있는 난류유동의 LES 해석

          김보훈(Bohoon Kim), 나양(Yang Na), 이창진(Changjin Lee) 한국추진공학회 2010 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.5

          최근의 실험 결과를 통해 하이브리드 로켓 연료의 표면에 연소가 진행되지 않은 채 남아있는 고립된 부분들이 존재함을 확인하였다. 이러한 불규칙적인 spot은 연료의 기화로 인한 분출유동(wall blowing)과 산화제의 유동 사이에서 발생하는 경계층 교란에 의한 현상인 것으로 여겨진다. 본 연구에서는 23,000의 높은 Reynolds수와 벽면분출 현상을 효과적으로 처리할 수 있도록 LES 기법을 이용하여, 연료 표면 근처의 난류 유동 특성을 해석하였다. 원형 단면을 갖는 하이브리드 로켓 모터의 그레인 형상을 사실적으로 모사하기 위하여 곡률효과를 포함한 3차원 실린더 형태의 지오메트리를 고려하였다. 연료 표면에서 발생하는 불규칙한 spot의 발생은 경계층과 분출되는 유동이 상호 간섭함으로써 난류구조들의 기구학적 특성을 변경시키기 때문인 것으로 추측되는 결과들을 얻을 수 있었다. Recent experimental data shows that the noticeable feature of irregular roughened spots on the fuel surface occurs during the combustion test. The generation of these unexpected patterns is likely to be resulted from the disturbed boundary layer due caused by wall blowing which is intended to simulate the process of fuel vaporization. LES without chemical reaction was conducted to investigate the flow characteristics at the near-fuel surface and the behavior of turbulent structures which is evolved by the wall blowing at the Reynolds number of 23,000. Cylindrical geometry was considered to get the most reality of the calculation results because real hybrid rocket motor is circular grain configuration. It was shown that the wall blowing pushed turbulent structures upwards making them tilted and this skewed displacement, in effect, left the foot prints of the structures on the surface. This change of kinematics may explain the formation of irregular isolated spots on the fuel surface observed in the experiment.

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