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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 crossflow 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.12 no.4, 2018년, pp.81 - 89  

김세환 (대우조선해양(주)) ,  이형진 (인하대학교 항공우주공학과)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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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참고문헌 (18)

  1. J. A. Schetz, S. Cox, and R. Fuller, "Integrated CFD and Experimental Studies of Complex Injectors in Supersonic Flows," 20th AIAA Advanced Measurement and Ground Testing Technology Conference, Albuquerque, NM, U.S.A., June 1998. 

  2. L. S. Jacobsen, J. A. Schetz, and W. F. Ng, "Flowfield near a Multiport Injector Array in a Supersonic Flow," Journal of Propulsion and Power, vol. 16, no. 2, pp. 216-226, March 2000. 

  3. A. Ben-Yakar, M. Kamel, C. Morris, and R. K. Hanson, "Experimental investigation of H2 transverse jet combustion in hypervelocity flows," 33rd Joint Propulsion Conference and Exhibit, Joint Propulsion Conferences, Seattle, WA, U.S.A., AIAA 1997-3019, July. 1997. 

  4. J. Santiago, and J. Dutton, "Crossflow Vortices of a Jet Injected into a Supersonic Crossflow," AIAA Journal, Vol. 35, No. 5, pp. 915-917, 1997. 

  5. S. Aso, S. Okuyama, M. Kawai, and Y. Ando, "Experimental study on mixing phenomena in supersonic flows with slot injection," 29th Aerospace Sciences Meeting, Reno, NV, U.S.A., January 1991. 

  6. A.D. Rothstein, and P. J. Wantruck, "A study of the normal injection of hydrogen into a heated supersonicflow using planar laser-induced fluorescence," 28th Joint Propulsion Conference and Exhibit, Nashville, TN, U.S.A., July 1992. 

  7. J. C. McDaniel, and J. Graves, "Laser-induced-fluorescence visualization of transverse gaseous injection in a nonreacting supersonic combustor," Journal of Propulsion and Power, Vol. 4, No. 6, pp. 591-597, 1988. 

  8. S. Tomioka, L. S. Jacobsen, and J. A. Schetz, "Sonic Injection from Diamond-Shaped Orifices into a Supersonic Crossflow," Journal of Propulsion and Power, Vol. 19, No. 1, pp. 104-114, 2003. 

  9. A. Ben-Yakar, M. G. Mungal, and R. K. Hanson, "Time evolution and mixing characteristics of hydrogen and ethylene transverse jets in supersonic crossflows," Physics and Fluids, Vol. 18, No. 2, pp. 1-16, 2006. 

  10. S. H. Won, I. S. Jeung, B. Parent, and J. Y. Choi, "Numerical investigation of transverse hydrogen jet into supersonic crossflow using detached-eddy simulation," AIAA Journal, Vol. 48, No. 6, pp. 1047-1058, 2010. 

  11. R. C. Rogers, "Mixing of Hydrogen Injected from Multiple Injectors Normal to a Supersonic Airstream," NASA Technical Note, NASA-TN-D-6476, Sep. 1971 

  12. M. B. Jun, J. Lei, H. Wu, J. Liang, W. Liu, and Z. Wang, "Flow patterns and mixing characteristics of gaeous fuel multiple injecions in a non-reacting supersonic combustor," Heat and Mass Transfer, Vol. 47, No. 11, pp. 1499-1516, 2011. 

  13. M. Y. Ali, and F. Alvi, "Jet arrays in supersonic crossflow - An experimental study," Physics and Fluid, Vol. 27, No. 12, pp. 1-30, 2015. 

  14. K. Mahesh, "The Interaction of Jets with Crossflow," Annual Review of Fluid Mechanics, Vol, 45, pp. 379-407, 2013. 

  15. L. Zhang, and V. Yang, "Flow Dynamics and Mixing of a Transverse Jet in Crossflow - Part I:Steady Crossflow," Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 139, No. 8, pp. 1-14, 2017. 

  16. S. H. Won, I. S. Jeung, and J. Y. Choi, "Verification and Validation of the Numerical Simulation of Transverse Injection Jets using Grid Convergence Index," Journal of The Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, Vol. 34, No. 4, pp. 53-62, 2006. 

  17. S. H. Kim, B. J. Lee, I. S. Jeung, and H. J. Lee, "Characteristics of the Transverse Fuel Injection into a Supersonic Crossflow using Various Injector Geometry," Journal of The Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 22, No. 3, pp. 53-64, 2018. 

  18. M. P. Burke, M. Chaos, Y. Ju, F. L. Dryer, and S. J. Klippenstein, "Comprehensive H2/O2 Kinetic Model for High-Pressure Combustion," International Journal of Chemical Kinetics, Vol. 44, No. 7, pp. 444-474, 2011. 

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