Flame Structure and Combustion Dynamics of GOX/GCH4 Diffusion Flames in a Pintle Injector and the Effects of the Pintle Tip Angle = 핀틀 분사기의 GOX/GCH4 확산 화염의 화염 구조 및 연소 동특성에 대한 핀틀 팁 각도의 영향

국문 초록 (Abstract)

국제 발사체 시장의 급속한 성장은 SpaceX의 Falcon 시리즈 발사체로부터 시작된 급격한 발사 비용 감소로부터 촉발되었습니다. Falcon 시리즈 발사체의 Merlin 엔진이 핀틀 분사기를 사용했기 때문에, 비록 수십년 전에 개발된 후로 잊혔지만 최근에 다시 연구 주제로서 주목받게 되었습니다. 핀틀 분사기의 기본 특성에 관한 연구는 많지 않은데, 이는 다양한 설계 변수들이 비독립적이고 조절이 어렵기 때문이기도 하지만 문헌 등에서 제시되는 핀틀 분사기의 설계 방침들이 정확한 실험결과로 뒷받침되지 않았기 때문이기도 합니다. 대략 지난 10년간 핀틀 분사기의 기본 특성에 관한 다양한 연구가 이루어졌지만, 연소 동특성에 관한 연구는 고압 환경에서의 압력 섭동 세기 등을 측정한 몇 가지 연구를 제외하고는 거의 없었습니다.

핀틀 분사기의 연소 동특성에 관한 이해는 로켓 연소기 설계에 있어 매우 중요하며, 일부 실험 결과 들에서 연소 안정성에 관한 의견이 상충되는 바가 발견되었기에, 이러한 점들을 고려하여 본 학위논문은 핀틀 분사기의 기본적인 연소 동특성에 관하여 연구하는 것을 목표로 했습니다. 일부 문헌 들에서 핀틀 연소기 내부의 맨틀과 중심 재순환 구조로 이루어진 독특한 유동장 구조가 강건한 연소 안정성을 제공하는 주된 원인으로 꼽혔으며, 특히 맨틀 재순환 영역의 크기가 연소 동특성에 강한 영향을 끼친다고 예상되어 이를 확인하는 연구를 진행하고자 했습니다.

우선, 기존 선행연구에서 핀틀 분사기에 대한 연소기 경계조건이 부적절했기에, 수평형 연소기에 있어 새롭게 설계되어야 하는 경계조건들에 관해 확인하는 절차를 거쳤습니다. 핀틀 분사기는 단일 연소기에 단 한개의 분사기만이 사용되어 경계조건들이 화염 특성에 끼치는 영향이 특히 더 크다고 예상되기에 꼼꼼하게 확인한 결과를 바탕으로 연구 내에서 다음 단계의 실험들을 설계할 수 있었습니다.
이후, 일반적인 핀틀 분사기와 기울어진 핀틀 분사기의 화염을 형태학적 관점에서 주로 분석했습니다. 반경방향 유동을 축 방향으로 꺾어주는 각도의 크기를 뜻하는 '핀틀 팁 각도'는 총 네 단계로 준비되어 핀틀 팁 각도를 조정함으로써 화염각을 줄이고 맨틀 재순환 영역의 크기는 증가시킬 수 있도록 했습니다. 다양한 혼합비와 유량 그리고 기하학적 형태에 관하여 그 형태를 분석한 결과, 동특성 분석을 진행할 세부 후보 케이스들을 선정할 수 있었습니다.

핀틀 분사기의 화염 동특성은 기존의 (또는 공개된) 결과가 없기 때문에, 가장 널리 인정받는 방법으로 동특성 중에서도 화염의 고유 진동수를 확인하고자 했습니다. 다양한 혼합비 범위에서 가변 길이의 연소기에서 발생하는 자발적인 불안정 주파수를 측정했고, 실험 결과를 바탕으로 다양한 핀틀 팁 각도가 화염의 동특성에 끼치는 영향을 비교 평가할 수 있었습니다. 핀틀 팁 각도에 의해 결정되는 화염각과 연소 조건에 해당하는 혼합비가 자기유도 불안정 주파수와 갖는 관계를 실험식으로 보였으며, 구체적으로 어떤 과정을 통해 맨틀 재순환 영역 내에서 섭동이 전파되는지를 시간지연모델을 활용해 설명했습니다.

본 연구는 수평방향의 대기압 모델 핀틀 연소기를 이용해 핀틀 분사기의 연소 특성을 연구했으며, 관련 연구를 위한 체계적인 실험 방법과 그 기초적인 결과를 제공합니다. 산소 중심의 핀틀 분사기는 상대적으로 잘 연구되지 않는 역확산 화염을 연구했다는 지점에서 의미가 있으며, 또한 여러 실험을 통해 그간 실험적 근거가 부족했던 추천 화염각(또는 분무각) 설계 범위에 관한 실험적 근거를 일부 마련했다는 데 의의가 있습니다. 실험 결과로부터 핀틀 분사기가 연소불안정에 있어 완벽하게 안전하지는 않음을 확인했으나, 전반적인 안전성에 관한 평가를 내리기에는 추가적인 연구가 필요할 것으로 보입니다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The rapid growth of the global launch vehicle market is heavily due to the dramatic decrease in the launch cost triggered by the famous Falcon series of SpaceX. Since the pintle injector was applied in the Merlin engine of the Falcon series, it has been revisited as a research topic from then. However, despite the long period of its initial development, there was not much previous work on the fundamental characteristics of the pintle injector. Several tips and rules about designing the pintle injector in the literature were not clearly supported by precise experimental results. From about a decade ago, numerous academic researches about the fundamental characteristics of the pintle injector were done. However, the combustion dynamic characteristics are nearly unvisited topics until now, except for a couple of previous researches measuring the pressure perturbation during high-pressure hot tests of the model rocket engine. Considering some controversial results and the importance of understanding the dynamic combustion characteristics of the pintle injector in designing the rocket engine, this thesis aims to investigate the fundamental dynamic combustion characteristics of the pintle injector. Since the unique flow field consists of mantle and core recirculation zone is thought to be the main reason for the strong combustion stability of the pintle injector in some literature, in this thesis the effect of the mantle recirculation zone (which is the major component of the unique flow field) size on the dynamic combustion characteristics will be studied.

This thesis starts by questioning whether the boundary conditions of the pintle injector combustor in the previous research were appropriate. Since a single pintle injector is used per engine, appropriate boundary conditions must be critical in determining the flame shape and thus the combustion characteristics of the flame. Each boundary condition including the combustor end, wall, and injector head is proposed and confirmed for further research. The diameter ratio between the combustor and pintle injector turned out to be the crucial factor in designing the atmospheric pintle injector model combustor.

Then, the flame of normal and canted pintle injectors are analyzed in a morphological perspective. The canted pintle injectors with the pintle tip angle are designed to deflect the radial flow towards the axial direction which increases the size of the mantle recirculation zone by decreasing the flame angle. Various flames with different geometrical designs under a wide experimental range are classified with major morphological characteristics. From the stability map obtained through numerous experiments, specific experimental conditions are selected for analyzing the dynamic combustion characteristics of the flame.

Since there is no existing (or public) experimental result about the fundamental dynamic characteristics of the pintle injector, the most widely accepted method is applied to find the natural frequency of the pintle injector flame under a wide range of mixture ratio – self-induced instability test with a length-variable combustor. The experimental results of different pintle tip angles are compared to assess its effect on the combustion dynamics. By interpreting the experimental results from the perspective of time-delay, the main procedure of onset of instability is proposed.

This study provides a well-structured experimental guideline and background for studying the pintle injector’s combustion characteristics through a horizontal atmospheric model combustor. The oxygen-centered pintle injector forms an inverse-diffusion flame which is comparatively rarely investigated in combustion. Plus, during several experiments, it was also possible to build an experimental background of the recommended flame angle design range. This recommended design range for spray or flame angle lacked the experimental support, which is supplemented by this study. From experimental results, it is also confirmed that the pintle injector is not perfectly safe from combustion instability, however further analysis is required to assess overall stability.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents iv
• List of Figures vii
• List of Tables xi
• Nomenclature xii
• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Experimental Apparatus and Methodology 7
• 2.1 Normal Pintle Combustor 7
• 2.1.1 Normal Pintle Injector 7
• 2.1.2 Fixed Length Open-Closed Condition Combustor 9
• 2.1.3 Numerical Approach 10
• 2.2 Pintle Injector Combustor with Pintle Tip Angle 13
• 2.2.1 Canted Pintle Injector with Pintle Tip Angle 13
• 2.2.2 Length Variable Closed-Closed Condition Combustor 15
• 2.3 Measurements 16
• 2.3.1 Flame Visualization 16
• 2.3.2 Flame angle 19
• 2.3.3 Center of flame 20
• 2.3.4 Dynamic pressure 21
• Chapter 3. Boundary Conditions 22
• 3.1 Combustor exit 22
• 3.2 Pintle Injector Manifold 24
• 3.3 Combustor wall 25
• 3.4 Summary for Ch. 3 28
• Chapter 4. Flame Shape 30
• 4.1 Flame shape classification 30
• 4.1.1 Stable flame vs. fluctuating flame 30
• 4.1.2 Short flame vs. wall-touching flame 31
• 4.1.3 Primary reaction surface vs. secondary reaction surface 32
• 4.1.4 Candle-like flame vs. truncated cone shape flame 33
• 4.2 Morphological stability map 35
• 4.2.1 Normal Pintle Injector 35
• 4.2.2 Canted Pintle Injector 37
• 4.3 Fluctuating flame 39
• 4.4 Flame angle 41
• 4.4.1 Normal Pintle Injector 41
• 4.4.2 Canted Pintle Injector 43
• 4.5 Summary for Ch. 4 47
• Chapter 5. Self-Induced Combustion Instability 49
• 5.1 Self-induced combustion instability 50
• 5.1.1 Measurements and signal processing 50
• 5.1.2 Self-induced instability peak groups 52
• 5.1.3 Quantitative comparison with similar research results 56
• 5.2 Correlation with flame angle 57
• 5.3 Phase-delay based analysis 61
• 5.3.1 Axial position condition of the flame center 61
• 5.3.2 In-phase of HRR (q ̇') with p' at the flame center 64
• 5.4 Summary for Ch. 5 71
• Chapter 6. Conclusion 72
• Future Work 73
• References 74
• Appendix A. Experimental range elaboration 87
• Appendix B. Mode analysis for selected cases in Ch. 5 90
• Appendix C. Further validation of Section 5.3.2 92
• Abstract in Korean 93
• Acknowledgements in Korean 95