수평 배치된 분사구의 배치 간격에 따른 초음속 유동장 내 분사 유동의 침투 및 혼합 특성 Effect of the distance between the adjacent injectors on penetration and mixing characteristics of the jet in supersonic crossflow원문보기
본 연구에서는 초음속 유동장 내 연료 분사시 연소기의 공간적인 제한 조건을 고려하여 복수의 분사기간 배치 간격을 변화시키고 그에 따른 유동 구조, 연료의 침투 거리 및 연료-공기의 혼합 특성을 비교 분석하였다. 이를 위하여 널리 알려진 단일 분사구를 이용한 실험 조건을 모사하여 적용된 수치 모델을 검토하였으며, 동일한 분사 조건을 갖는 복수의 분사기를 이용하여 비반응 유동 해석을 수행하였다. 해석 결과를 바탕으로 분사구 간 거리에 따라 전압력 손실, 침투 거리, 및 혼합 성능 등을 정량적으로 비교하였다. 해석 결과 분사구 간 배치 거리가 매우 짧은 경우 분사 연료가 서로 융합되면서 유동장이 2차원 특성을 나타내었고 전반적으로 낮은 혼합 효율 특성과 높은 전압력 손실을 발생하였다. 분사구 간 거리가 멀어짐에 따라 분사 가스간의 상호작용이 감소하면서 혼합 효율이 증가하고 전압력 손실이 낮아지는 것이 관찰되었다.
본 연구에서는 초음속 유동장 내 연료 분사시 연소기의 공간적인 제한 조건을 고려하여 복수의 분사기간 배치 간격을 변화시키고 그에 따른 유동 구조, 연료의 침투 거리 및 연료-공기의 혼합 특성을 비교 분석하였다. 이를 위하여 널리 알려진 단일 분사구를 이용한 실험 조건을 모사하여 적용된 수치 모델을 검토하였으며, 동일한 분사 조건을 갖는 복수의 분사기를 이용하여 비반응 유동 해석을 수행하였다. 해석 결과를 바탕으로 분사구 간 거리에 따라 전압력 손실, 침투 거리, 및 혼합 성능 등을 정량적으로 비교하였다. 해석 결과 분사구 간 배치 거리가 매우 짧은 경우 분사 연료가 서로 융합되면서 유동장이 2차원 특성을 나타내었고 전반적으로 낮은 혼합 효율 특성과 높은 전압력 손실을 발생하였다. 분사구 간 거리가 멀어짐에 따라 분사 가스간의 상호작용이 감소하면서 혼합 효율이 증가하고 전압력 손실이 낮아지는 것이 관찰되었다.
In the present study, a numerical investigation was conducted to analyze the effect of the distance between the adjacent injectors on the characteristics of flow structure, fuel penetration, and air/fuel mixing. Numerical results were validated with experimental data using a single injection. Subseq...
In the present study, a numerical investigation was conducted to analyze the effect of the distance between the adjacent injectors on the characteristics of flow structure, fuel penetration, and air/fuel mixing. Numerical results were validated with experimental data using a single injection. Subsequently, the same injector geometry and properties were applied on a non-reacting flow simulation with multiple injectors. Total pressure loss, penetration height, and mixing efficiency were compared with the distance between the injectors. The results showed that each injected gas merged into a single stream, resulting in the 2D-like flow fields under the condition of short distance and lower mixing efficiency along with higher total pressure loss. When the distance between the injectors increased, total pressure loss reduced and mixing efficiency increased due to the weakening of interactions between the injected gases.
In the present study, a numerical investigation was conducted to analyze the effect of the distance between the adjacent injectors on the characteristics of flow structure, fuel penetration, and air/fuel mixing. Numerical results were validated with experimental data using a single injection. Subsequently, the same injector geometry and properties were applied on a non-reacting flow simulation with multiple injectors. Total pressure loss, penetration height, and mixing efficiency were compared with the distance between the injectors. The results showed that each injected gas merged into a single stream, resulting in the 2D-like flow fields under the condition of short distance and lower mixing efficiency along with higher total pressure loss. When the distance between the injectors increased, total pressure loss reduced and mixing efficiency increased due to the weakening of interactions between the injected gases.
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문제 정의
최근 수치 해석을 이용한 분사 유동 해석을 위하여 DES 또는 LES를 적용하여 분사 제트와 자유류 간 교란에 의한 에디의 발생 및 그에 따른 혼합 메커니즘을 규명하기 위한 연구가 널리 진행되었다.[14,15] 그러나 본 연구에서는 기존 연구[16, 17]에서 나타난 바와 같이 RANS 기반의 해석을 통하여 해석 자원을 절감하여 복수의 분사구에 의한 효과를 상대적으로 비교하고자 하였다. AUSM+ 기법을 적용하여 비점성 대류항을 계산하고, 경계면에서의 플럭스는 2차 보간 기법을 적용하였다.
본 연구에서는 초음속 유동장 내 설치된 복수의 분사 장치를 이용한 수치 해석을 수행하고, 연료의 공간분포, 침투 특성 및 연료-공기의 혼합 성능을 살펴보았다. 이를 위하여 단일 분사 장치를 이용한 실험 결과와의 비교를 통해 적용된 수치 기법의 타당성을 살펴보고, 동일한 분사기를 서로 다른 간격으로 배치하여 비반응 유동 해석을 수행하였다.
이상의 연구에서 초음속 유동 내 폭 방향으로 복수의 수직 분사 장치가 배치되는 조건을 수치적으로 모사하고 분사구의 배치 간격이 연료의 침투 거리, 혼합 효율에 미치는 영향을 살펴보았다. 이를 통하여 인접한 분사구간 간섭 및 상호 작용에 의하여 분사구의 배치 간격이 연료의 침투 거리와 혼합 효율에 큰 영향을 미칠 수 있다는 것을 확인하였다.
이와 같이 초음속 유동 내 분사 유동과 관련하여 단일 분사기를 이용한 분사 조건(자유류의 마하수, 제트-자유류의 운동량 비, 분사기 형상 등)에 따른 침투거리 및 혼합 특성의 변화에 대한 연구가 활발하게 진행되어 왔으나, 복수의 분사기에 대하여 분사구 간 배치 거리에 따른 유동 구조를 관찰하고 유동의 간섭 효과와 혼합 특성 변화에 미치는 영향은 명확히 분석된 사례가 적다. 이에 본 연구에서는 단일 분사기에서 수행된 실험을 수치적으로 모사하고 이를 확장하여 동일선상에 배치된 분사구 간 배치 거리 변화가 유동 특성, 연료의 침투 거리 및 혼합 성능에 미치는 영향을 비교 분석하였다.
가설 설정
AUSM+ 기법을 적용하여 비점성 대류항을 계산하고, 경계면에서의 플럭스는 2차 보간 기법을 적용하였다. 난류 모델은 k-w SST 를 사용하였으며, 공기 및 수소의 화학종은 각각의 보존 방정식을 통해 해석하고, 혼합기의 물성치는 질량 가중 방식(mass-Weighted)으로 계산하였으며 난류 Prandtl 수와 Schmidt 수는 각각 0.9로 가정하였다.
2에 나타낸 바와 같이 상하단은 자유류 조건, 출구의 경우 외삽 조건을 적용하였으며, 벽면은 단열 점착 조건을 부가하였다. 본 연구에서는 복수의 분사기가 주기적으로 배치된 것을 가정하여 양측면을 주기(periodic) 경계 조건으로 설정하였다. 분사 유동에 중요한 요소 중 하나는 충격파-경계층 상호 작용(SBLI; Shock boundary layer interaction)으로 벽면 근방에서의 유동을 정확히 모사하는 것이 중요하다.
제안 방법
단일 분사 유동에 대한 기존 연구에서는 계산 비용을 줄이기 위하여 교란이 미치지 않는 전방 영역을 생략하고 2차원 또는 이론해를 유입 유동 조건으로 부가하는 방식을 취하기도 하였다. 그러나 본 연구에서는 분사구간 거리에 따라 분사구 전방에 발생하는 박리 구간의 크기가 가변적이므로 이러한 기법을 적용할 경우 유동의 확산을 제한할 수 있는 것으로 확인되어 전 영역을 하나의 도메인으로 설정하였다.
본 연구에서 분사구의 배치 간격에 의한 특성을 살펴보기 위하여 3차원 비정상 RANS 해석을 수행하였다. 최근 수치 해석을 이용한 분사 유동 해석을 위하여 DES 또는 LES를 적용하여 분사 제트와 자유류 간 교란에 의한 에디의 발생 및 그에 따른 혼합 메커니즘을 규명하기 위한 연구가 널리 진행되었다.
본 연구에서는 초음속 유동장 내 설치된 복수의 분사 장치를 이용한 수치 해석을 수행하고, 연료의 공간분포, 침투 특성 및 연료-공기의 혼합 성능을 살펴보았다. 이를 위하여 단일 분사 장치를 이용한 실험 결과와의 비교를 통해 적용된 수치 기법의 타당성을 살펴보고, 동일한 분사기를 서로 다른 간격으로 배치하여 비반응 유동 해석을 수행하였다.
분사 유동에 중요한 요소 중 하나는 충격파-경계층 상호 작용(SBLI; Shock boundary layer interaction)으로 벽면 근방에서의 유동을 정확히 모사하는 것이 중요하다. 이에 본 연구에서는 Fig. 5에 나타난 것과 같이 벽면 근처에 격자를 밀집하여 벽면 무차원 거리인 y+ 가 약 1을 가질 수 있도록 하였다.
이에 본 연구에서는 분사구의 거리를 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 (A)1.75D, (B)3.5D 및 (C)7.0D 로 선정하여 그 효과를 살펴보았다.
초음속 유동장 내 복수의 분사구의 배치 간격에 따른 특성을 살펴보기에 앞서, 단일 분사구를 이용한 실험(Ben-Yakar[9])을 모사하고 그 결과를 비교하였다. 자유류의 마하수는 3.
대상 데이터
Figure 2는 해석 영역의 구성 및 각 경계에서의 조건을 나타낸 것으로 해석 영역은 분사구의 직경(D)을 기준으로 후방으로 50D, 높이는 30D 이며 폭은 분사구 간의 거리로 한정하였다. Fig.
이론/모형
[14,15] 그러나 본 연구에서는 기존 연구[16, 17]에서 나타난 바와 같이 RANS 기반의 해석을 통하여 해석 자원을 절감하여 복수의 분사구에 의한 효과를 상대적으로 비교하고자 하였다. AUSM+ 기법을 적용하여 비점성 대류항을 계산하고, 경계면에서의 플럭스는 2차 보간 기법을 적용하였다. 난류 모델은 k-w SST 를 사용하였으며, 공기 및 수소의 화학종은 각각의 보존 방정식을 통해 해석하고, 혼합기의 물성치는 질량 가중 방식(mass-Weighted)으로 계산하였으며 난류 Prandtl 수와 Schmidt 수는 각각 0.
성능/효과
0D 의 결과에서 나타난 바와 같이 후류로 갈수록 유동의 비정상 특성이 증가하여 흐릿한 이미지를 보이고 있다. 각 단면에서 연료의 분포를 살펴보면, 분사구의 거리가 (A)1.75D 인 경우, 인접한 분사 유동으로 인하여 연료가 폭 방향으로 확산되지 못하고 상부로 발달하며 두 분사구 간 거리의 중심 위치에서 두 유동의 충돌에 의한 제트가 생성됨을 확인할 수 있다. 이 때 생성된 2차 제트는 분사구 사이에 존재하는 공간으로 침투한 공기와 혼합되지만 z/d=1인 단면에서의 결과에서 보듯이 하부 벽면 근처에서는 자유류가 침투할 공간이 존재하지 않으므로 전체적인 혼합 효율은 낮을 것으로 예상된다.
5D로 증가시킨 경우 인접한 분사 유동에 의한 간섭 효과는 나타나고 있으나 중첩과 충돌에 의한 2차 제트의 형성은 확인되지 않았다. 그 결과 연료의 침투 거리는 (A)1.75D의 1/2 수준으로 감소하였다. 이 경우 x/D=0에서 확인할 수 있는 바와 같이 제트 사이에 자유류가 통과할 수 있는 공간이 존재하므로 분사기 후류에서 활발한 혼합이 이루어질 것으로 예상된다.
0 인 등위면이 전 영역에서 2차원 형상을 갖는 반면, (B)의 경우 분사구 상류에서는 2차원 형태의 경사 충격파 형태를 보이며 분사구 상부를 통과하면서 폭/길이 방향 모두에서 교란이 발생함을 알 수 있다. 다만 해석 구간내에서 폭 방향 교란은 크게 증가하지 않고 후류로 진행함에 따라 유동의 불안정성이 증가하였으며, 연료의 침투 높이는 감소하였다. 분사구 배치 간격을 (C)7.
단면 유동으로부터 해석 구간 내 유동이 2차원인 구간을 확인할 수 없었으며, x/D>30 인 구간 내 연료의 분포 형태로부터 제트의 폭 방향 침투 거리가 시간에 따라 크게 변화할 것으로 예상된다.
본 연구를 통하여 복수의 분사기를 배치하는 경우, 그 간격이 혼합, 침투 특성 등에 영향을 미침을 확인할 수 있었다. 이와 함께, 실제 시스템에서는 연소기의 폭이 제한되므로 분사기의 수, 벽면에 의한 반사 효과 등을 살펴보기 위한 연구도 필요할 것이다.
이에 본 연구에 앞서 단일 분사기를 이용하여 실험 연구[9]의 분사 조건을 모사하고, 그 결과를 참고문헌[17]에서 살펴보았다. 본 연구에서 제안한 모델을 통하여 해석한 결과를 실험과 비교하여, 참고문헌[17] 내 Fig. 5 에 나타난 바와 같이 분사제트에 의해 발생한 궁형 충격파의 형상, 전방 박리 구간의 길이가 실험과 잘 일치함을 확인하였다. 이와 함께 연료의 침투 거리가 기존 실험들에서 밝혀진 경험식[6,7]과 잘 일치하였으며, 실험에서 관찰되지 않은 과소 팽창된 분사 유동에 의한 배럴 충격파 및 마하 디스크의 구조를 확인하였다.
75D 에 비해 높은 혼합 효율을 갖는 것을 알 수 있다. 분사구의 거리가 (B)3.5D 인 조건에서 x/D=25를 기준으로 이 지점 상류에서는 혼합 효율의 변화가 크지 않은데 반하여 후류에서 혼합 효율이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 Fig.
분사구의 배치 간격을 1.75D, 3.5D, 7.0D 로 점차 증가시킴에 따라 전방 박리 구간의 크기, 연료의 폭 방향 분포, 연료의 침투 높이나 혼합 효율 등의 차이를 확인할 수 있었다. 즉, 분사구의 간격이 증가함에 따라 박리 구간의 크기가 감소하고 전압력 손실양이 감소하였다.
0인 등위면(Isosurface)과 함께 z/=1 인 단면에서 수소의 질량 분율의 분포를 좌측 상단에 나타내었다. 분사구의 배치 간격이 (A)1.75D 로 단일 분사기를 이용한 연구에서 확인된 폭 방향 확산 거리(3.5D) 이내에 다른 분사기가 존재하는 경우 전방의 박리 구간이 분사구로부터 상류로, 약 20D, 넓게 분포하고 있으며, 제트의 후류 일부 구간을 제외하면 매우 안정화된 유동을 확인할 수 있다. 분사구의 거리를 (B)3.
5D에서 나타난 유동의 길이 방향 불안정성이 더욱 증폭되어 나타난다. 연료의 전방 박리 구간이 크게 감소하였으며 2차원 충격파 형상은 확인되지 않았다. 모사된 연소장 내 나타나는 연료의 침투 및 혼합 경향을 살펴보기 위하여 Fig.
이상의 연구에서 초음속 유동 내 폭 방향으로 복수의 수직 분사 장치가 배치되는 조건을 수치적으로 모사하고 분사구의 배치 간격이 연료의 침투 거리, 혼합 효율에 미치는 영향을 살펴보았다. 이를 통하여 인접한 분사구간 간섭 및 상호 작용에 의하여 분사구의 배치 간격이 연료의 침투 거리와 혼합 효율에 큰 영향을 미칠 수 있다는 것을 확인하였다. 연구 결과에 따르면 높은 혼합 효율을 얻기 위해서 분사구의 배치 간격을 증가시켜야 하지만, 연료의 침투 거리가 감소하므로, 제한된 연소기의 길이를 고려할 때 침투 거리를 보완할 수 있는 방안이 필요할 것으로 예상된다.
이상의 결과로부터 x/D40 인 구간에서는 배치 간격이 (C)7.0D 인 조건의 침투 높이가 (B)3.5D 인 경우와 유사한 수준을 갖는 반면 연료가 넓은 공간에 분포하고, 분사 제트 사이에 자유류가 침투하여 공기를 공급할 수 있으므로 혼합 효율이 상대적으로 높게 나타날 것으로 예상된다.
5 에 나타난 바와 같이 분사제트에 의해 발생한 궁형 충격파의 형상, 전방 박리 구간의 길이가 실험과 잘 일치함을 확인하였다. 이와 함께 연료의 침투 거리가 기존 실험들에서 밝혀진 경험식[6,7]과 잘 일치하였으며, 실험에서 관찰되지 않은 과소 팽창된 분사 유동에 의한 배럴 충격파 및 마하 디스크의 구조를 확인하였다.
0D 로 점차 증가시킴에 따라 전방 박리 구간의 크기, 연료의 폭 방향 분포, 연료의 침투 높이나 혼합 효율 등의 차이를 확인할 수 있었다. 즉, 분사구의 간격이 증가함에 따라 박리 구간의 크기가 감소하고 전압력 손실양이 감소하였다. 이와 함께 분사구가 가까이 존재하는 경우 제트 사이로 자유류가 침투하지 못하여 혼합 성능은 낮아지는 반면, 연료의 폭 방향 흐름이 제한되어 침투 높이는 증가하였다.
후속연구
5D 인 경우와 유사한 수준을 갖는 반면 연료가 넓은 공간에 분포하고, 분사 제트 사이에 자유류가 침투하여 공기를 공급할 수 있으므로 혼합 효율이 상대적으로 높게 나타날 것으로 예상된다. 그러나 실제 연소기 출구에서 균일한 유동을 얻는 것 역시 중요하므로, 최적 성능을 얻기 위해서는 앞서 살펴본 전압력 손실율과 함께 침투 특성도 고려해야 할 것으로 판단된다.
0D 인 경우에도 x/D=10 위치에서 전압력 손실은 약 16%로 10%를 나타내었던 단독 분사 조건[17]에 비해 높은 수준인 것으로 파악되어, 인접한 분사구에 의한 교란을 피하기 위해서는 더 넓은 간격으로 분사구를 배치해야 할 것으로 판단된다. 단, 실제 초음속 추진 기관에 적용할 경우 제한된 폭을 고려하면, 분사기의 크기, 간격 및 분사 연료의 양 등을 함께 살펴보아야 할 것이다.
연구 결과에 따르면 높은 혼합 효율을 얻기 위해서 분사구의 배치 간격을 증가시켜야 하지만, 연료의 침투 거리가 감소하므로, 제한된 연소기의 길이를 고려할 때 침투 거리를 보완할 수 있는 방안이 필요할 것으로 예상된다. 또한 실제 연소기의 폭이 제한되므로, 주기(periodic) 경계 조건 대신 벽면에 의한 제한 효과 등에 대한 연구도 추가로 수행되는 것이 필요할 것으로 판단된다.
이를 통하여 인접한 분사구간 간섭 및 상호 작용에 의하여 분사구의 배치 간격이 연료의 침투 거리와 혼합 효율에 큰 영향을 미칠 수 있다는 것을 확인하였다. 연구 결과에 따르면 높은 혼합 효율을 얻기 위해서 분사구의 배치 간격을 증가시켜야 하지만, 연료의 침투 거리가 감소하므로, 제한된 연소기의 길이를 고려할 때 침투 거리를 보완할 수 있는 방안이 필요할 것으로 예상된다. 또한 실제 연소기의 폭이 제한되므로, 주기(periodic) 경계 조건 대신 벽면에 의한 제한 효과 등에 대한 연구도 추가로 수행되는 것이 필요할 것으로 판단된다.
본 연구를 통하여 복수의 분사기를 배치하는 경우, 그 간격이 혼합, 침투 특성 등에 영향을 미침을 확인할 수 있었다. 이와 함께, 실제 시스템에서는 연소기의 폭이 제한되므로 분사기의 수, 벽면에 의한 반사 효과 등을 살펴보기 위한 연구도 필요할 것이다.
이와 함께 분사구가 가까이 존재하는 경우 제트 사이로 자유류가 침투하지 못하여 혼합 성능은 낮아지는 반면, 연료의 폭 방향 흐름이 제한되어 침투 높이는 증가하였다. 특히 분사구의 거리가 가장 넓은 조건에서는 자유류로부터 산화제의 공급이 원활하게 이루어짐에 따라 다른 조건 대비 2배 이상의 혼합 효율을 갖는 것으로 조사되었으나, 연료 분사 후 충분한 거리에 이르기 전의 침투 높이가 낮아, 이를 보완하기 위한 방안이 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
짧은 구간에서 혼합 효율을 향상시킬 경우 장점은 무엇인가
특히 연소기 유입 유동의 체류 시간이 짧기 때문에 공기와 연료의 효과적인 혼합이 필수적이다. 짧은 구간에서 혼합 효율을 향상시킬 경우 엔진의 길이를 감소시킬 수 있으며, 이는 벽면에서의 저항을 감소시켜 엔진의 총 추력을 증가시키는데 기여하게 된다. 이러한 이유로 초음속 유동장 내 분사된 연료의 혼합 특성을 향상시키기 위한 다양한 분사 연구들이 진행되어 왔으며, 분사기 구조에 따라 크게 벽면 분사 방식(wall injection)과 유동 내 분사 방식(in stream)으로 구분할 수 있다.
연료의 혼합 특성을 향상시키기 위한 연구를 분사기 구조에 따라 구분하시오
짧은 구간에서 혼합 효율을 향상시킬 경우 엔진의 길이를 감소시킬 수 있으며, 이는 벽면에서의 저항을 감소시켜 엔진의 총 추력을 증가시키는데 기여하게 된다. 이러한 이유로 초음속 유동장 내 분사된 연료의 혼합 특성을 향상시키기 위한 다양한 분사 연구들이 진행되어 왔으며, 분사기 구조에 따라 크게 벽면 분사 방식(wall injection)과 유동 내 분사 방식(in stream)으로 구분할 수 있다. 경사면 또는 스트럿을 이용한 분사 방식의 경우 고엔탈피 유동에 장시간 노출됨에 따른 열 변형 문제[1,2]와 전압력 손실 등의 단점을 가지는 반면, 벽면 분사 방식은 구조적으로 단순하고 돌출부가 없으므로 효율적인 분사 방법으로 평가되어 왔다.
극초음속 추진 기관의 개발에서 공기와 연료의 효과적인 혼합이 필수적인 이유는 무엇인가
극초음속 추진 기관의 개발에 있어 초음속 연소를 위한 효율적인 분사 시스템 개발이 선행되어야 한다. 특히 연소기 유입 유동의 체류 시간이 짧기 때문에 공기와 연료의 효과적인 혼합이 필수적이다. 짧은 구간에서 혼합 효율을 향상시킬 경우 엔진의 길이를 감소시킬 수 있으며, 이는 벽면에서의 저항을 감소시켜 엔진의 총 추력을 증가시키는데 기여하게 된다.
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