[논문]동축제트의 와류주파수 및 혼합특성에 대한 수치해석

김원현; 박태선

동축제트의 와류주파수 및 혼합특성에 대한 수치해석
NUMERICAL STUDY ON THE CHARACTERISTICS OF VORTEX FREQUENCY AND LAMINAR MIXING OF A PASSIVE SCALAR IN COAXIAL JET FLOWS 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.14 no.3 = no.46, 2009년, pp.49 - 55

김원현 (경북대학교 대학원 기계공학부) , 박태선 (경북대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This study focuses on the near-field vortical structure and dynamics of coaxial jets. The characteristics of laminar flow and mixing in coaxial jets are investigated using a unsteady flow simulation. In order to analyze the geometric effects on the vortical structure, several cases of different configurations are selected for various values of the velocity ratio of inner jet to outer jet. From the result, it is confirmed that the flow mixing is promoted by the development of vortical structure and the interaction between inner jet and outer jet. This feature is strongly related to the vortex frequency in the shear-layers. The vortex frequency depends on the velocity ratio and the lip thickness of inner nozzle, but the outer pipe length has no effect on the frequency variation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

동축제트에서 발생되는 층류와류의 비정상적인 거동과 혼합특성의 변화를 살펴보는 것이다. 비정상 층류유동에 대한 지배방정식은 다음과 같다.
본 연구는 비엇갈림격자계에서 유한체적법을 이용하여 지배방정식에 대한 차분화를 수행하였다. 대류항에 Lele[10]의 4차 정확도의 Compact Scheme이 적용되었고 확산항에 4차 정확도의 중심차분법이 이용되었다.
이들의 연구는 형상변화에 따른 유동주파수의 수치적 변화는 잘 보여주었지만, 실제 연소기의 설계에 매우 중요한 정보를 제공할 수 있는 와류구조의 동적특성변화와 혼합특성의 변화에 대해서는 연구를 수행하지 못한 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 동축제트의 간단한 모델형상에 대한 비정상 층류해석을 통하여 형상조건과 평균속도비 변화에 따른 와류의 동적특성 및 혼합특성 변화를 살펴 보고자한다.

제안 방법

25 조건에서 예비해석을 수행하였다. 계산영역은 7개의 Block으로 나누어졌고 검사체적수(CVs)를 27600, 54600, 66240, 82800으로 변화시켜가면서 U속도와 와도를 Fig. 3에 비교하였다. 또한, x-r방향의 환산격자수와 노즐근처의 격자분포를 나타내었다.
내부제트와 외부제트 사이에 관한 유동의 비정상 거동을 살펴보기 위하여 각각의 형상조건에 대하여 축 방향으로 x∼1Do이고 내부제트와 외부제트의 경계위치에 관찰점을 설정하였다.
다른 형상 변수들은 고정시키고 (Do, Di, bi, #일정) 평균 속도비 Ui/Uo= 0.4∼1.0인 경우에 대해 외부제트의 돌출길이 L = 0.5∼2Do를 변화시키면서 수치해석을 수행하였다.
다른 형상 변수들은 고정시키고 (Do와 bi는 일정, L/Do) 평균 속도비 Ui/Uo =0.4∼1.0인 경우에 대해서 내부노즐 두께의 변화에 대한 영향을 살펴보았다.
동축제트에서 발생되는 층류와류의 비정상적인 거동과 혼합특성의 변화를 살펴보기 위하여 본 연구에서는 외부노즐의 직경 Do = 40.8mm, 외부제트 평균속도 Uo = 1.048m/s, 외부노즐의 두께 bi = 2.0mm는 일정하게 하고 내부노즐의 직경(Di), 내부제트 평균속도(Ui), 외부제트의 돌출길이(L), 내부노즐의 두께(#) 등은 Di = 14.0∼19.0 mm, Ui = 0.4∼1.0m/s, L = 0.5∼2Do, #= 2.5∼5.0mm의 범위에서 변화시켜가면서 형상조건의 영향에 대한 수치해석을 수행하였다.
모델형상의 유동구조를 비교할 수 있는 실험결과가 문헌에 발표되지 않았기 때문에 계산방법에 대한 기본적인 검증해석이 Fig. 2와 같은 완전히 발달된 파이프유동에 대해서 수행되었다. 반지름(R)의 10배인 길이에 60 × 60의 검사체적을 선택하여 Re=500, 1000, 3000에 대한 이론해 #와 수치해를 비교하였다.
전단변형률을 이용하는 동축제트 내부에서 와류의 동적 특성 및 혼합특성의 변화를 파악하기 위해 평균 속도비, 내부노즐의 두께, 외부제트의 돌출길이 변화에 대하여 비정상 층류유동 해석을 수행하였다. 평균 속도비와 내부노즐의 두께 변화에 따라 와류주파수와 혼합특성이 변하지만, 외부제트의 돌출길이 변화와는 관계가 없음을 알 수 있었다.
3.1 예비해석

해석방법의 타당성과 적절한 격자해상도를 선택하기 위하여 U_i/U_o = 0.6, L/D_o= 1.0, # = 1.25 조건에서 예비해석을 수행하였다. 계산영역은 7개의 Block으로 나누어졌고 검사체적수(CVs)를 27600, 54600, 66240, 82800으로 변화시켜가면서 U속도와 와도를 Fig.

대상 데이터

레이놀즈수는 Kiwata[9]등의 실험결과를 참조하여 유체의 비정상거동이 적절히 나타날 수 있는 Re(=U_oD_o/ν) = 3000으로 선택하였다. 내부제트가 형상적으로 변화하기 때문에 일정한 값을 가지는 외부제트의 지름(D_o = 40.8mm)을 이용하였고, 공기일 경우 외부제트 평균속도는 U_o =1.048m/s이다.
레이놀즈수는 Kiwata[9]등의 실험결과를 참조하여 유체의 비정상거동이 적절히 나타날 수 있는 Re(=UoDo/ν) = 3000으로 선택하였다.
반지름(R)의 10배인 길이에 60 × 60의 검사체적을 선택하여 Re=500, 1000, 3000에 대한 이론해 #와 수치해를 비교하였다.

이론/모형

본 연구는 비엇갈림격자계에서 유한체적법을 이용하여 지배방정식에 대한 차분화를 수행하였다. 대류항에 Lele[10]의 4차 정확도의 Compact Scheme이 적용되었고 확산항에 4차 정확도의 중심차분법이 이용되었다. 혼합분율방정식은 안정성을 위해 2차 정확도의 HLPA Scheme[11]을 이용하였다.
압력-속도 연결은 PISO 알고리듬[12,13]을 적용하였고 압력과 속도의 연계성 결여로 생기는 해의 진동은 운동량 보간법에 의해 방지되었다. 시간에 대한 적분방법은 2차 정확도의 Crank-Nicolson법이 적용되었고 시간간격은 CFL=0.7의 근처에서 결정되었다.
혼합분율방정식은 안정성을 위해 2차 정확도의 HLPA Scheme[11]을 이용하였다. 압력-속도 연결은 PISO 알고리듬[12,13]을 적용하였고 압력과 속도의 연계성 결여로 생기는 해의 진동은 운동량 보간법에 의해 방지되었다. 시간에 대한 적분방법은 2차 정확도의 Crank-Nicolson법이 적용되었고 시간간격은 CFL=0.
대류항에 Lele[10]의 4차 정확도의 Compact Scheme이 적용되었고 확산항에 4차 정확도의 중심차분법이 이용되었다. 혼합분율방정식은 안정성을 위해 2차 정확도의 HLPA Scheme[11]을 이용하였다. 압력-속도 연결은 PISO 알고리듬[12,13]을 적용하였고 압력과 속도의 연계성 결여로 생기는 해의 진동은 운동량 보간법에 의해 방지되었다.

성능/효과

또한, x-r방향의 환산격자수와 노즐근처의 격자분포를 나타내었다. 결과에서 보면 검사체적수 50000이상에서 해의 변화가 거의 없음을 알 수 있다. 그러므로 본 계산의 검사체적수는 형상의 변화에 따라 55000~61000개의 검사체적수를 유지하였다.
반지름(R)의 10배인 길이에 60 × 60의 검사체적을 선택하여 Re=500, 1000, 3000에 대한 이론해 #와 수치해를 비교하였다. 계산결과는 이론해와 우수하게 일치하고 있는데 이것으로부터 본 연구의 계산방법이 적절한 정확성을 가지고 있는 것으로 생각할 수 있다. 또한 이 결과는 Fig.
결과에서 보면 검사체적수 50000이상에서 해의 변화가 거의 없음을 알 수 있다. 그러므로 본 계산의 검사체적수는 형상의 변화에 따라 55000~61000개의 검사체적수를 유지하였다.
Kiwata[9] 등에 의해 진행된 이 연구에서 평균속도비와 내부노즐의 두께, 외부노즐의 돌출길이에 따른 와류주파수 변화가 내부혼합영역에서 와류의 동적특성 변화와 밀접한 관련이 있음을 보여준다. 레이놀즈 수가 낮은 층류 유동에서 전단층에 의한 와류주파수는 평균 속도비에 비례하고 내부 분사기의 두께에는 반비례하는 특성을 보이지만, 외부 노즐의 돌출길이변화와는 관계없이 일정한 값을 나타냄을 보여주었다. 이들의 연구는 형상변화에 따른 유동주파수의 수치적 변화는 잘 보여주었지만, 실제 연소기의 설계에 매우 중요한 정보를 제공할 수 있는 와류구조의 동적특성변화와 혼합특성의 변화에 대해서는 연구를 수행하지 못한 단점을 가지고 있다.
특히, 와류주파수는 평균 속도비에 비례하고 내부노즐의 두께 변화와는 반비례하는 경향을 나타내었다. 유선분포를 통해 와류 구조의 동적변화에 특징적인 형태가 존재함을 확인할 수 있었다.
전체적인 혼합도의 변화는 제트출구근처에서 내부제트와 외부제트 사이의 속도차이로 인해 나타나는 부분과 외부제트와 주변유체사이에서 혼합이 발생되는 2개의 영역으로 구분되어 나타났다. 내부제트와 외부제트 사이의 혼합도는 평균속 도비와 내부노즐의 두께변화에 비례하는 특성을 나타내었다.
전단변형률을 이용하는 동축제트 내부에서 와류의 동적 특성 및 혼합특성의 변화를 파악하기 위해 평균 속도비, 내부노즐의 두께, 외부제트의 돌출길이 변화에 대하여 비정상 층류유동 해석을 수행하였다. 평균 속도비와 내부노즐의 두께 변화에 따라 와류주파수와 혼합특성이 변하지만, 외부제트의 돌출길이 변화와는 관계가 없음을 알 수 있었다. 특히, 와류주파수는 평균 속도비에 비례하고 내부노즐의 두께 변화와는 반비례하는 경향을 나타내었다.

후속연구

그렇지만 이러한 결과는 L = 0.5∼2Do의 제한된 조건에서 얻어진 결과로서 L = 0인 조건을 포함한 다양한 형상조건에서 연구를 추가적으로 수행하여야 보다 확실한 결론을 얻을 수 있을 것으로 생각된다.
이상의 결과는 동축분사기 구조의 동특성에 기초적인 연구결과를 제공하고 있지만 2차원 축대칭 해석의 한계성이 있기 때문에 3차원 비정상 해석을 통해 추가적인 연구가 진행될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	동축제트 내부에서 혼합영역은 어떻게 구분할 수 있는가?	동축제트 내부에서 혼합영역은 내부제트와 외부제트 사이의 유동변형에 의한 내부혼합영역과 외부제트와 그 주위를 둘러싼 유체간의 의한 외부혼합영역으로 구분할 수 있다. 내부혼합영역은 동축분사기에서 연료와 산화제 제트간의 혼합으로 생각되어 질 수 있기 때문에 이 영역에서 와류의 동적변화에 기인한 혼합특성 변화를 파악하는 것은 동축제트 연구에서 가장 중요한 사항이다.
	동축제트를 이용한 실제연소기는 무엇에 의해 시스템의 성능이 좌우되는가?	동축제트를 이용한 실제연소기는 유체의 혼합과정에서 발생되는 다양한 동역학적 현상(Shear layers interaction, vortex shedding 등)에 의해서 시스템의 성능이 좌우된다. 따라서 동축제트의 간단한 모델형상에 대하여 다양한 유동특성을 파악하기 위한 많은 연구가 진행되어 왔다[1-8].
	동축제트를 이용한 분사기는 크게 어떤 경우로 나누어지는가?	이러한 연료와 산화제의 혼합정도는 분사기의 형태에 따라 그 특성이 다르게 나타나는데, 동축제트를 이용한 분사기는 가장 일반적인 형태이다. 이런 종류의 분사기는 두 유체간의 전단변형률을 이용한 경우와 선회유동을 이용하는 경우로 크게 나누어지고 실제연소기에서는 동축와류형 분사기가 일반적이지만, 본 연구에서는 동축분사기의 기초연구로서 전단변형률을 이용한 분사기가 주된 관심의 대상이다.

참고문헌 (14)

1976, Ko, N.W.M. and Kwan, A.S.H., "The initial region of subsonic coaxial jets," J. Fluid. Mech., Vol.73, pp.305-332

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1977, Ko, N.W.M. and Kwan, A.S.H., "The initial region of subsonic coaxial jets. Part 2," J. Fluid. Mech., Vol.82, pp.273-287

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1979, Ko, N.W.M. and Chan, W.T., "The inner region of annular jets," J. Fluid. Mech., Vol.93, pp.549-584

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1978, Ko, N.W.M. and Chan, W.T., "Similarity in the initial region of annular jets: three configuration," J. Fluid. Mech.,Vol.84, pp.641-656

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1980, Ribeiro, M.M. and Whitelaw, J.H., "Coaxial jets with and without swirl," J. Fluid. Mech., Vol.96, pp.769-795

상세보기
1981, Ko, N.W.M. and Au, H., "Initial region of subsonic coaxial jets of mean-velocity ratio," Transactions of the American Society of Mechanical Engineer, J. Fluid. Engineering, Vol.103, pp.335-338
1981, Ko, N.W.M. and Au, H., "Spreading rate and reattachment of coaxial jet of high mean-velocity ratio," Transactions of the American Society of Mechanical Engineer, J. Fluid. Engineering, Vol.104, pp.400-401
1983, Ko, N.W.M. and Au, H., "Pressure measurement of coaxial jet of high mean-velocity ratio," Transactions of the American Scoiety of Mechanical Engineer, Vol.7, pp.51-57
1997, Kiwata, T., Okijima, A., Ueno, H. and Kimura, S.,"Vortex Frequency of Coaxial Jets," JSME Int. Conf. on Fluids Eng.(Tokyo), Vol.1, pp.111-116
1992, Lele, S.K., "Compact finite difference schemes with spectral-like resolution," J. Computational Phys., Vol.103, pp.16-42

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1992, Zhu, J., "Higher-order bounded discretization schemes for finite volume computations of incompressible flows," Comput. Meth. Appl. Mech. Eng., Vol.98, pp.345-360

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1985, Issa, R.I., "Solution of the implicitly discretised fluid flow equations by operator-splitting," J. Computational Physics, Vol.62, pp.40-65

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2006, Park, T.S., "Effects of time-integration method in a large-eddy simulation using the PISO algorithm," Numerical Heat Transfer, Part A, Vol.50, pp.229-245

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2004, Wegner, B., Huai, Y. and Sadiki, A., "Comparative study of turbulent mixing in jet in cross-flow configuration using LES," Int. J. Heat and Fluid Flow, Vol.25,

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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