[논문]냉각 파일런 분사를 이용한 스크램제트 연소기 내 혼합증대

이상현

냉각 파일런 분사를 이용한 스크램제트 연소기 내 혼합증대
Mixing Augmentation with Cooled Pylon Injection in Scramjet Combustor 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.14 no.1 = no.56, 2010년, pp.20 - 28

초록
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스크램제트 연소기 내 파일런 분사기의 연료-공기 혼합특성을 살펴보았으며, 공력가열로부터 파일런을 보호하기 위한 막냉각의 효과를 조사하였다. 수치연구를 위하여 3차원 Navier-Stokes 방정식과 $k-{\omega}$ SST 난류 모델을 이용하였다. 연료인 수소와 공기를 냉각 유체로 고려하였다. 파일런 분사기를 이용하는 경우 침투거리가 증대되고, 혼합률도 주목할 만큼 증대되었으나, 공력가열에 의한 파일런의 전방 표면 과열을 확인하였다. 파일런 전방에 파일런 표면에 평행한 냉각 제트를 분사하는 막냉각을 이용하면 파일런 표면의 과열을 막을 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The mixing characteristics of pylon injection in a Scramjet combustor and effects of film cooling to protect pylon from air-heating were investigated. Three-dimensional Navier-Stokes equations with $k-{\omega}$ SST turbulence model were used. Fuel hydrogen and air were considered as coolants. There were remarkable improvements of penetration and mixing rate with the pylon injection. There was also over-heating on the front surface of the pylon without film cooling. The coolant injected parallel to the front surface of the pylon protects the pylon from over-heating.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 막냉각용 제트로 연료를 분사하는 방법과 공기를 분사하는 방법을 고려하였다. 연료를 분사하는 경우 부가적인 분사시스템을 장착하지 않아도 되는 장점이 있지만, 연료의 침투거리가 줄어들고, 연료가 연소기 바닥에 잔류하는 문제가 발생할 수 있다.
본 연구에서는 스크램제트 연소기 내의 연료-공기 혼합증대를 위한 파일런 분사의 혼합특성과 파일런 표면과열을 방지하기 위한 막냉각의 효과를 살펴보았으며 다음과 같은 결론을 도출할 수 있을 것으로 사료된다.
공기를 막냉각 제트로 이용하는 경우에는 연료의 침투거리를 증대하는데 유리하고, 연소기 바닥 근처에 연료가 잔류하는 문제를 해결할 수 있지만 공기분사를 위한 추가적인 분사시스템을 갖추어야하는 문제가 발생한다. 본 연구에서는 이러한 두 가지 막냉각 방법을 적용하였을 때 냉각특성과 혼합특성을 수치적으로 파악하고자 한다.
침투거리를 증대하기 위한 방법론으로 파일런을 이용한 분사[2]가 제안된 바 있으나, 공력가열에 의한 파일런의 과열문제가 제기되고 있다. 이에 본 연구에서는 파일런의 냉각을 위해 파일런 전방면에 막냉각 제트를 분사함으로써 공력가열에 의한 재료손상을 방지할 수 있는 방법을 제시하고, 이를 수치계산을 통해 검증하고자 한다.

가설 설정

위에서 언급한 모든 식들은 참고문헌[13]의 식을 이용하였다. 난류 열전도 계수와 난류 확산계수는 난류 점성계수와의 관계로 구하였는데, 난류 Prandtl 수와 난류 Schmidt 수는 0.9로 가정하였다.

제안 방법

2는 수치계산에 사용된 격자구성을 나타내고 있다. 계산 시간을 단축하기 위하여 대칭 경계조건을 이용하여 분사면과 연소기의 절반을 계산 영역으로 사용하였다. 수치 계산을 위한 총 격자수는 190×75×100(=1,425,000)개이다.
흐름 방향의 와류가 연료의 혼합률에 미치는 영향을 파악하기 위해 y-z단면에서의 선회율을 비교 분석하였다. 선회율은 입구 공기속도와 분사면의 직경(D)으로 무차원화하여 표현하였으며, 표현식은 다음과 같다.

이론/모형

지배방정식을 차분화하기 위해서 유한체적법을 이용하였다. 공간차분을 위해서는 Edwards의 LDFS(Low Diffusion Flux Splitting) 풍상차분 기법[14]을 3차 정확도로 적용하였고, 고차 정확도로 인한 수치진동을 억제하기 위하여 Koren 제한자를 사용하였다. 시간적분을 위해서는 LU-SGS 기법[15]을 사용하였다.
난류 점성계수의 정의와 각 난류 계수들(α, σ*, β*, σw2, σ, β)은 k-ω SST 난류모델의 계수들인데, Menter[12]가 제안한 계수들을 수정 없이 사용하였다.
순수기체의 점성계수는 Chapman-Enskog 식을 사용하였고, 혼합기체의 점성계수는 Wilke 식을 이용하였다. 순수기체의 열전달 계수는 Eucken 식을 이용하였고, 혼합기체의 열전달계수는 Wassiljewa 식을 이용하였다. 이성분 기체의 확산계수는 Chapman-Enskog 식을 이용하였고, 혼합기체 중 한 성분의 확산계수는 Blancs 식을 이용하였다.
화학종의 확산속도는 Fick 법칙을 적용하였다. 순수기체의 점성계수는 Chapman-Enskog 식을 사용하였고, 혼합기체의 점성계수는 Wilke 식을 이용하였다. 순수기체의 열전달 계수는 Eucken 식을 이용하였고, 혼합기체의 열전달계수는 Wassiljewa 식을 이용하였다.
공간차분을 위해서는 Edwards의 LDFS(Low Diffusion Flux Splitting) 풍상차분 기법[14]을 3차 정확도로 적용하였고, 고차 정확도로 인한 수치진동을 억제하기 위하여 Koren 제한자를 사용하였다. 시간적분을 위해서는 LU-SGS 기법[15]을 사용하였다.
순수기체의 열전달 계수는 Eucken 식을 이용하였고, 혼합기체의 열전달계수는 Wassiljewa 식을 이용하였다. 이성분 기체의 확산계수는 Chapman-Enskog 식을 이용하였고, 혼합기체 중 한 성분의 확산계수는 Blancs 식을 이용하였다. 위에서 언급한 모든 식들은 참고문헌[13]의 식을 이용하였다.
지배방정식을 차분화하기 위해서 유한체적법을 이용하였다. 공간차분을 위해서는 Edwards의 LDFS(Low Diffusion Flux Splitting) 풍상차분 기법[14]을 3차 정확도로 적용하였고, 고차 정확도로 인한 수치진동을 억제하기 위하여 Koren 제한자를 사용하였다.
화학종의 확산속도는 Fick 법칙을 적용하였다. 순수기체의 점성계수는 Chapman-Enskog 식을 사용하였고, 혼합기체의 점성계수는 Wilke 식을 이용하였다.

성능/효과

x/D=35 지점을 기준으로 볼 때, 정체 압력이 약 4∼5% 정도 감소하는데, 모델 A에 비해 파일런 분사 모델의 정체압력 손실이 더 크게 나타나는 것을 알 수 있고, 파일런 분사 모델 중에서도 침투거리가 크고 혼합률이 클수록 정체압력 손실이 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
모델 C와 D의 파일런 전방표면의 최고온도는 각각 890K, 906K이다. 그리고 파일런의 측면의 온도도 상당히 낮아진 것을 확인할 수 있는데, 이는 막냉각이 파일런 전방면뿐만 아니라 분사기 측면의 냉각에도 상당한 효과가 있음을 의미하는 것이다.
모든 경우에 수소의 최대 질량분율이 감소하는 정도가 서서히 증가(혼합률이 증가)하다가, 10<x/D<15 구간을 지나면 수소 연료의 최대 질량분율이 log-log 스케일에서 거의 선형적으로 감소하는 것을 볼 수 있다.
분사구 직후부터 충격파 및 대향 와류에 의한 영향이 약해지면서 정체압력 감소율이 줄어들며, x/D=15 지점 이후부터는 정체압력이 거의 선형적으로 감소하는 경향을 확인할 수 있다.
표시된 값은 입구유동의 정체압력으로 무차원화된 것이다. 분사기 직전까지는 정체압력 손실이 서서히 일어나다가 분사구 직후부터 정체압력 손실이 급격하게 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이는 분사기 전방에 발생하는 궁형충격파와 대향 와류에 의한 연료-공기 혼합 때문인 것으로 판단된다.
연료 파일런 분사는 연소기 바닥면에서 연료를 분사하는 방식에 비해 침투거리, 혼합율 등의 혼합특성을 증대하는 것으로 나타났다. 침투거리의 증대는 파일런 사용을 통한 분사위치의 증대와 대향 와류의 증대가 원인이며, 혼합률의 증대는 대향와류의 증대가 원인인 것으로 판단된다.
파일런 분사에서는 공력가열에 의한 파일런 표면의 과열 현상이 확인되었으며, 이 문제를 해결하기 위해 파일런 전방에서 연료 또는 공기를 막냉각 제트로 분사하는 방안을 제시하였는데 상당히 효과가 있는 것으로 확인되었다. 연료를 냉각류로 사용하는 경우, 부가장치 없이 뛰어난 냉각효과를 나타내지만, 연료의 침투거리의 감소하고 연소기 바닥면에 연료가 잔류하는 문제가 발생함을 확인하였다.
Figure 6은 각 모델에 대한 선회율 변화를 보여주고 있다. 연소기 바닥에서 분사하는 모델 A에 비해 파일런을 이용한 분사를 이용하는 모델 B, C 및 D의 선회율이 더 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 모델 B, C 및 D는 거의 비슷한 선회율의 변화를 보이는데, 특이한 것은 분사기 후방 (2 < x/D < 7)에서 모델 C의 선회율의 가장 크게 나타난다는 점이다.
침투거리의 경향을 미루어 볼 때, 파일런을 이용한 연료 분사가 침투거리 증가에 크게 기여하는 것을 알 수 있으며, 파일런의 과열을 막기 위한 막냉각 유동으로 연료를 사용하는 것보다 공기를 사용하는 것이 더 유리함을 알 수 있다.
침투거리의 증대는 파일런 사용을 통한 분사위치의 증대와 대향 와류의 증대가 원인이며, 혼합률의 증대는 대향와류의 증대가 원인인 것으로 판단된다. 파일런 분사에 의해 정체압력 손실이 증가되는 것을 확인하였는데, 혼합특성의 증대를 고려하면 손실의 증가는 크지 않은 것으로 판단된다.
파일런 분사에서는 공력가열에 의한 파일런 표면의 과열 현상이 확인되었으며, 이 문제를 해결하기 위해 파일런 전방에서 연료 또는 공기를 막냉각 제트로 분사하는 방안을 제시하였는데 상당히 효과가 있는 것으로 확인되었다. 연료를 냉각류로 사용하는 경우, 부가장치 없이 뛰어난 냉각효과를 나타내지만, 연료의 침투거리의 감소하고 연소기 바닥면에 연료가 잔류하는 문제가 발생함을 확인하였다.
파일런을 통한 분사(모델 B, C, D)는 연소기 바닥에서 분사되는 모델 A에 비해 모두 침투거리가 큰 것으로 나타났다. 모델 C가 모델 B 및 D보다 작은 침투거리를 나타내는 것은 막냉각을 위하여 약 25%의 연료를 파일런 전방의 바닥에서 분사하기 때문인 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스크램제트 엔진의 설계에서 연료 분사와 관련하여 가장 중요한 것은?	스크램제트(Scramjet, Supersonic Combustion Ramjet)에서 과도한 공력저항 없이 연소 가능한 연료-공기 혼합기를 효율적으로 생성시킬 수 있는 연료 분사 시스템은 스크램제트 엔진의 설계에서 가장 중요한 문제 중의 하나이다. 현재까지 가장 활발하게 연구되어온 연료분사 방법은 연료를 연소기 벽면에서 유입공기에 수직으로 연료를 분사하는 방법인데, 연료-공기 혼합 및 연소 특성이 우수하고 안정된 방법이지만, 연료 분사를 추력으로 이용할 수 없고, 연료 분사구 전방에 형성되는 강한 충격파에 의한 정체압력 손실이 추력의 손실을 야기할 수 있다는 단점을 가지고 있다.
	연료를 연소기 벽면에서 유입공기에 수직으로 연료를 분사하는 방법의 장단점은?	스크램제트(Scramjet, Supersonic Combustion Ramjet)에서 과도한 공력저항 없이 연소 가능한 연료-공기 혼합기를 효율적으로 생성시킬 수 있는 연료 분사 시스템은 스크램제트 엔진의 설계에서 가장 중요한 문제 중의 하나이다. 현재까지 가장 활발하게 연구되어온 연료분사 방법은 연료를 연소기 벽면에서 유입공기에 수직으로 연료를 분사하는 방법인데, 연료-공기 혼합 및 연소 특성이 우수하고 안정된 방법이지만, 연료 분사를 추력으로 이용할 수 없고, 연료 분사구 전방에 형성되는 강한 충격파에 의한 정체압력 손실이 추력의 손실을 야기할 수 있다는 단점을 가지고 있다. 따라서 연료의 수직분사에서 혼합률과 연소율을 증대하면서 정체압력의 손실을 최소화하는 방안에 대한 모색이 활발히 이루어지고 있다[1-5].
	수직분사된 연료의 혼합률에 영향을 미치는 요소는 무엇인가?	수직분사의 혼합률에 영향을 미치는 요소는 분사구 배압(back pressure)의 상대적인 크기와 분포, 공기 유동과 분사 유동 사이의 운동량 플럭스 비(Momentum Flux Ratio), 흐름방향의 와류 등인 것으로 알려져 있다. 특히, 분사류 후방의 대향 와류쌍(Counter-rotating vortex pair)은 흐름방향에 수직한 단면에서 큰 대류를 형성시켜 연료와 공기의 혼합에 상당히 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다[2,4,5].

참고문헌 (16)

E. T. Curran and S. N. B. Murthy., "Scramjet Propulsion," AIAA, Volume 189 Progress in Astronautics and Aeronautics, 2001, pp.539-564
Bogdanoff, D. W., "Advanced Injection and Mixing Techniques for Scramjet Combustors," Journal of Propulsion and Power, Vol. 10, No. 2, 1994, pp.183-190

상세보기
Kumar, A., Bushnell, D. M., and Hussaini, M. Y., "Mixing Augmentation Technique for Hypervelocity Scramjets," Journal of Propulsion and Power, Vol. 5, No. 5, 1989, pp.514-522

상세보기
Lee, S-H, and Mitani, T., "Mixing Augmentation of Transverse Injection in Scramjet Combustor," Journal of Propulsion and Power, Vol. 19, No. 1, Jan. 2003, pp. 115-124

상세보기
Lee, S-H, "Characteristics of Dual Transverse Injection, Part 1: Mixing," Journal of Propulsion and Power, Vol. 22, No. 5, Oct. 2006, pp.1012-1019
Gruber, M. R., Nejad, A. S., and Goss, L. P., "Surface Pressure Measurements in Supersonic Transverse Injection Flowfield," AIAA Paper 97-3254
Schetz, J. A., Weinraub, R. A., and Mahaffey, R. E., Jr., "Supersonic Transverse Injection into a Supersonic Stream," AIAA Journal, Vol. 6, No. 5, 1968, pp.933-934

상세보기
Everett, D. E, Woodmansee, M. A., Dutton, J. C., and Morris, M. J., "Wall pressure Measurements for a Sonic Jet Injected Transversely into a Supersonic Crossflow," Journal of Propulsion and Power, Vol. 14, No. 6, 1998, pp.861-868

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Gruber, M. R., Nejad, A. S. Chen, T. H. and Dutton, J. C. " Bow Shock/Jet Interaction in Compressible Transverse Injection Flowfields," Phys. Fluids, Vol. 9, No. 5, 1997, pp.1448-1461

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이상현, "초음속 유동장 내 수직분사의 혼합 특성 개선 연구," 한국항공우주학회지, 제29권, 제5호, 2001, pp.99-107

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김경무, 백승욱, 김윤곤, "초음속 공기유동으로의 연료분사노즐 종횡비 변화에 대한 연소 특성 연구," 한국추진공학회지, 제8권, 제1호, 2004, pp.44-53

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Menter, F. R., "Two-equation Eddy-viscosity Turbulence Models for Engineering Applications,"AIAA Journal, Vol. 32, No. 8, 1994, pp.1598-1605

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Reid, C. R., Prausnitz, J. M., and Poling, B. E., The properties of Gases and Liquids,4th ed., McGraw-Hill, New York, 1988
Edwards, J. R., Liou, M-S., "Low-Diffusion Flux-Spiliting Methods for at All Speeds" AIAA Journal, Vol. 36, No. 9, 1998
Yoon, S., and Jameson, A., "Lower-Upper Symmetric-Gauss-Seidel Method for the Euler and Navier-Stokes Equation," AIAA Journal, Vol. 26, No. 9, 1988, pp. 1025-1026

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Lee, S-H., Jeung, I-S., Yoon, Y., "Computational Investigation of Shock-Enhanced Mixing and Combustion," AIAA Journal, Vol. 35, No. 12, 1997, pp. 1813-1820

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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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