덕티드 로켓의 이차 연소기 내에서 입자의 크기와 속도비가 유동 혼합에 미치는 영향 Effect of Particle Size and Velocity Ratio on the Flow Mixing Characteristics in the Secondary Combustor원문보기
본 연구에서는 유동의 속도비와 입자의 크기가 덕티드 로켓의 2차 연소기 내의 유동 혼합 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. 연구의 실험적 기법으로는 PIV(Particle Image Velocimetry)가 적용되고 수치적 방법으로는 LES(Large Eddy Simulation)가 사용되었다. PIV 입자로는 직경 $5{\mu}m$와 $50{\mu}m$의 폴리스틸렌이 각각 사용되었고, 속도비는 각각 5, 3, 1.5로 수행되어졌다. 고속유로를 통한 유동이 저속유로의 유동과 혼합되어 재부착점과 재순환 영역을 형성하였고, 속도비가 작을수록 재순환 영역이 커졌다. 큰 입자를 적용한 경우가 증가된 모멘텀에 의해 재순환 영역이 크게 나타났고, 유동 특성에 대한 속도비의 영향은 작은 입자를 적용한 경우에 비해 크지 않게 나타났다.
본 연구에서는 유동의 속도비와 입자의 크기가 덕티드 로켓의 2차 연소기 내의 유동 혼합 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. 연구의 실험적 기법으로는 PIV(Particle Image Velocimetry)가 적용되고 수치적 방법으로는 LES(Large Eddy Simulation)가 사용되었다. PIV 입자로는 직경 $5{\mu}m$와 $50{\mu}m$의 폴리스틸렌이 각각 사용되었고, 속도비는 각각 5, 3, 1.5로 수행되어졌다. 고속유로를 통한 유동이 저속유로의 유동과 혼합되어 재부착점과 재순환 영역을 형성하였고, 속도비가 작을수록 재순환 영역이 커졌다. 큰 입자를 적용한 경우가 증가된 모멘텀에 의해 재순환 영역이 크게 나타났고, 유동 특성에 대한 속도비의 영향은 작은 입자를 적용한 경우에 비해 크지 않게 나타났다.
In this study, the effect of velocity ratio and particle size on the flow mixing characteristics in the secondary combustor was investigated. Both PIV(Particle Image Velocimetry) technique and LES(Large Eddy Simulation) were applied. Two sizes of Polystyrene PIV seeding particle of 5 and $50{\m...
In this study, the effect of velocity ratio and particle size on the flow mixing characteristics in the secondary combustor was investigated. Both PIV(Particle Image Velocimetry) technique and LES(Large Eddy Simulation) were applied. Two sizes of Polystyrene PIV seeding particle of 5 and $50{\mu}m$, and three velocity ratios of 5, 3, and 1.5 were considered. Results showed that the mixing of two air streams created reattachment and recirculation regions. The size of the recirculation region was decreased as the velocity ratio increased. For the larger particle cases, due to the increased momentum by the larger particles, the size of the recirculating regions were larger than that of the smaller particle cases and the effect of the velocity ratio was not as significant as in the smaller particle case.
In this study, the effect of velocity ratio and particle size on the flow mixing characteristics in the secondary combustor was investigated. Both PIV(Particle Image Velocimetry) technique and LES(Large Eddy Simulation) were applied. Two sizes of Polystyrene PIV seeding particle of 5 and $50{\mu}m$, and three velocity ratios of 5, 3, and 1.5 were considered. Results showed that the mixing of two air streams created reattachment and recirculation regions. The size of the recirculation region was decreased as the velocity ratio increased. For the larger particle cases, due to the increased momentum by the larger particles, the size of the recirculating regions were larger than that of the smaller particle cases and the effect of the velocity ratio was not as significant as in the smaller particle case.
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문제 정의
본 연구에서는 1차 연소기 후방의 유동과 흡입 공기 유동의 속도비에 따른 영향을 알아보기 위하여 속도비(V2/V1)를 5, 3, 1.5로 변화시켰으며, 입자의 사이즈에 대한 영향을 알아보기 위하여 평균 직경이 5, 50 μm인 구형 폴리스틸렌 입자에 대하여 실험을 수행하였다.
또한 Stowe 등[5]은 전산해석 기법인 onestream PDF(Probability Density Function)와 two stream PDF(Probability Density Function)를 각각 수행하여 실험 결과와 비교하였으며, two stream PDF(Probability Density Function)를 이용하여 1차 연소기에서 유입된 입자의 크기에 따른 입자의 거동을 분석하였다. 본 연구에서는 1차 연소기를 지난 불완전 연소가스와 흡입공기의 2차 연소기에서의 혼합 특성을 알아보았다. 2차 연소기에서 혼합되는 두 유동의 속도비와 1차 연소기 유동에서의 혼합된 입자의 크기가 유동 혼합에 미치는 영향을 실험적으로 연구하고 수치해석기법을 이용한 결과와 비교 분석하였다.
본 연구에서는 유동의 속도비와 입자의 크기가 덕티드 로켓의 2차 연소기 내에서 1차 연소기의 불완전 연소가스와 흡입공기의 혼합특성에 미치는 영향을 고찰하였다. 연구의 실험적 기법으로는 PIV(Particle Image Velocimetry)가 적용되었고 수치적 방법으로는 LES(Large Eddy Simulation)가 사용되었다.
제안 방법
본 연구에서는 1차 연소기를 지난 불완전 연소가스와 흡입공기의 2차 연소기에서의 혼합 특성을 알아보았다. 2차 연소기에서 혼합되는 두 유동의 속도비와 1차 연소기 유동에서의 혼합된 입자의 크기가 유동 혼합에 미치는 영향을 실험적으로 연구하고 수치해석기법을 이용한 결과와 비교 분석하였다.
PIV 측정 실험에서는 유동 가시화용 입자의 균일한 부유가 매우 중요하다. 고체 입자를 주유동과 균일하게 혼합시켜 측정면에서 입자가 고르게 분포될 수 있도록 fluidizer를 설계, 제작하여 실험에 적용하였다. Fig.
PIV를 이용한 실험은 입자가 분포해 있지 않거나 촬영이 어려운 영역의 속도 측정이 불가능해 벽면 근처와 저속유로의 속도 분포를 정확히 관찰하기 어렵다. 따라서 수치 해석적 방법을 통하여 실험과 비교검증을 하고 국부적인 위치의 유동 특성을 해석하였다. 본 연구는 ANSYS FLUENT 12.
이는 입자의 크기가 커지면서 고속유로 유동의 모멘텀이 증가한 결과로 판단된다. 벽면 근처 영역은 측정이 불가능하여 각각의 결과에 대하여 정량적인 분석이 어려워 전산해석 결과를 통해 정량적인 분석을 수행하였다.
본 실험에서는 고속유로의 유동속도를 V2, 저속유로의 유동속도를 V1으로 정의하였으며, 실험부는 Fig. 3과 같이 설계하였고, 시험부의 폭은 60 mm로 일정하다. 고속 유로는 압축기에 연결되어 최고 150 m/s의 속도까지 가능하며 저속 유로는 블로워에 연결되어 최고 30 m/s까지 가능하다.
19이다. 속도비는 저속 유로의 속도를 고정하고 고속 유로의 속도를 변화시켜 조정하였다.
입자 크기의 영향을 알아보기 위하여 5, 50 μm의 폴리스틸렌이 사용되었으며, 속도비는 각각 5, 3, 1.5로 수행하였다.
대상 데이터
Fig. 6은 계산에 사용된 격자로 실험과 같은 형상에 총 480만개의 격자가 사용되었다. 계산의 효율성을 위해 재순환 영역이 강한 위치에 격자를 집중적으로 형성하여 격자 간격은 약 0.
데이터처리
촬영된 사진을 이용한 유동장 계산 프로그램은 TSI사의 INSIGHT 4G를 사용하였다. PIV 시스템의 주요 제원은 Table 1과 같다.
이론/모형
고속 유로는 압축기에 연결되어 최고 150 m/s의 속도까지 가능하며 저속 유로는 블로워에 연결되어 최고 30 m/s까지 가능하다. 두 유로 모두 유량은 벤튜리 유량계를 이용하여 측정하였다.
점성 모델의 경우 RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)를 사용하면 효율적인 계산이 가능하지만 재순환 영역에서 회전하는 입자의 정확한 거동을 포착하기 부적합한 면이 있다. 따라서 LES(Large Eddy Simulation)을 적용하고 SGS(Subgrid-scale) 모델은 Smagorinsky-Lilly를 사용하였다. 입자의 거동은 DPM(Discrete Phase Method)를 사용하여 각각의 입자 위치를 Lagrangian방법으로 추적하였다.
따라서 수치 해석적 방법을 통하여 실험과 비교검증을 하고 국부적인 위치의 유동 특성을 해석하였다. 본 연구는 ANSYS FLUENT 12.1을 사용 하였다. 점성 모델의 경우 RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)를 사용하면 효율적인 계산이 가능하지만 재순환 영역에서 회전하는 입자의 정확한 거동을 포착하기 부적합한 면이 있다.
본 연구에서는 유동혼합 특성을 효과적으로 파악하기 위하여 PIV(Particle Image Velocimetry) 측정기법을 이용하였다. PIV의 기본 원리는 짧은 시간 간격 동안 유체를 따라 움직인 입자들의 변위를 CCD 카메라로 측정하여 유동의 속도 벡터 값을 구하는 방식이다.
본 연구에서는 유동의 속도비와 입자의 크기가 덕티드 로켓의 2차 연소기 내에서 1차 연소기의 불완전 연소가스와 흡입공기의 혼합특성에 미치는 영향을 고찰하였다. 연구의 실험적 기법으로는 PIV(Particle Image Velocimetry)가 적용되었고 수치적 방법으로는 LES(Large Eddy Simulation)가 사용되었다. 입자 크기의 영향을 알아보기 위하여 5, 50 μm의 폴리스틸렌이 사용되었으며, 속도비는 각각 5, 3, 1.
따라서 LES(Large Eddy Simulation)을 적용하고 SGS(Subgrid-scale) 모델은 Smagorinsky-Lilly를 사용하였다. 입자의 거동은 DPM(Discrete Phase Method)를 사용하여 각각의 입자 위치를 Lagrangian방법으로 추적하였다.
성능/효과
5는 약 95 mm로 약 15 mm 정도만 차이가 난다. 결과적으로 본 해석을 통해 입자의 크기가 커질수록 모멘텀의 영향을 많이 받아 속도비가 높아질수록 관통을 더 많이 하는 것이라 유추할 수 있다.
유동과 비교하면 5 μm 입자를 주입했을 때 속도비에 관계없이 폴리스틸렌 입자가 유동을 따라가는 것을 보아 실험상에서 측정된 데이터가 유동의 속도장이라는 것을 검증 가능하다.
고속유로를 통한 유동과 저속유로의 유동의 혼합은 재부착점과 재순환 영역을 형성하고, 속도비가 작을수록 재순환 영역이 커졌다. 입자의 크기가 5 μm인 경우에는 입자의 거동과 유동이 유사하여 입자가 유동을 잘 따라가는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 입자의 크기가 50 μm인 경우에는 실험의 결과와 전산해석을 수행 결과의 입자 거동과 일치하였지만 유동의 분포와는 차이를 보였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
PIV를 이용한 실험에서 어떤 조건에서 제한되는가?
PIV를 이용한 실험은 입자가 분포해 있지 않거나 촬영이 어려운 영역의 속도 측정이 불가능해 벽면 근처와 저속유로의 속도 분포를 정확히 관찰하기 어렵다. 따라서 수치 해석적 방법을 통하여 실험과 비교검증을 하고 국부적인 위치의 유동 특성을 해석하였다.
PIV의 기본 원리는 무엇인가?
본 연구에서는 유동혼합 특성을 효과적으로 파악하기 위하여 PIV(Particle Image Velocimetry) 측정기법을 이용하였다. PIV의 기본 원리는 짧은 시간 간격 동안 유체를 따라 움직인 입자들의 변위를 CCD 카메라로 측정하여 유동의 속도 벡터 값을 구하는 방식이다. PIV를 이용한 속도장 측정에 필요한 장비로는 유동장 내에 단면광을 생성시킬 수 있는 광원과 고성능 CCD 카메라, 카메라와 광원을 동기화할 수 있는 동기화 장치, 이미지 후처리를 위한 소프트웨어와 고성능 PC등이 필요하다.
덕티드 로켓에서 사용하는 고체 농후연료는 기존 고체연료에 비해 어떤 효과를 기대하는가?
흡입공기를 이용한 고체 농후연료 추진기관인 덕티드 로켓은 램제트 엔진의 일종으로 고체추진제를 사용하여 종말속도와 사거리를 증가시킬 수 있고 추력조절이 가능하며 구성이 간단하다는 장점을 가지고 있다. 고체 연료에 금속입자를 농후하게 포함시켜 연소시키면 2차 연소기에서 연소온도를 더욱 높일 수 있어 결과적으로 비추력을 증가 시킬 수 있으며, 연소 불안정성의 감소효과를 기대할 수 있다. 가속을 위한 부스터를 연소시켜 로켓을 초음속으로 가속시키고, 부스터의 연소가 끝나면 1차 연소기의 고체 추진제를 점화시키고 공기 흡입구를 통해 공기를 흡입하여 1차 연소기의 연소 가스와 2차 연소기에서 완전 연소시킨다.
참고문헌 (5)
Shin, J.S., Sung, H.G., and Choi, H.J., "Numerical Study on Particle-Flow Mixing Characteristics of Combustor of a Ducted Rocket," 16th Guided Weapon Symposium, Daejeon, Sep., 2012.
Stowe, R.A., Dubois, C., Harris, P.G., Mayer, A.E.H.J., DeChamplain, A., and Ringuette, S., "Performance Prediction of a Ducted Prediction of a Ducted Rocket Combustor Using a Simulated Solid Fuel," Journal of Propulsion and Power, Vol. 20, No. 5, pp. 936-944, 2004.
Ristori, A. and Dufour, E., "Numerical Simulation of Ducted Rocket Motor," 37th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Salt Lake City, Utah, U.S.A., AIAA 2001-3193, Jul., 2001.
Nakayama, H., Ikegami, Y., Yoshida A., Koori, K., Watanabe, K., Tokunaga, H., Shimizu, H., and Kanaizumi, S., "Full-scale Firing Tests of Variable Flow Ducted Rocket Engines employing GAP Solid Fuel Gas Generator," 45th AIAA/ASME/SAE /ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Denver, Colorado, U.S.A., AIAA 2009-5121, Aug., 2009.
Stowe, R.A., Dubois, C., and Harris P.G., "Two Phase Flow Combustion Modelling of a Ducted Rocket," 37th AIAA/ASME/SAE /ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Salt Lake City, Utah, U.S.A., AIAA 2001-3461, Jul., 2001.
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