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문제 정의
- 메탄 해리식은 Fluent에서 기본적으로 제공하는 식을 사용하였다[5]. 어느 경우이든지 CH4, CO, H2 등의 혼합기의 발열량, 연소속도 등의 검증이 우선되어야 하나 많이 적용되는 모델인 관계로 본 연구에서는 생략하였다.
- 현재까지도 이러한 해석을 시도했다는 연구 결과는 찾을 수 없었다. 이에 본 연구는 3차원 터빈 배기가스 유동을 2차원으로 가정하여 특정한 조건에서 해석하여 이차 연소 과정을 해석하고자 한다.
가설 설정
- 각각의 경우의 수렴은 연속 방정식 레지듀얼이 1E-3 이하로 떨어지고 전체 영역의 압력장과 마하수 분포에 변화가 없을 때로 가정하였다. 그러나 엔진 저부의 터빈 배기 노즐이 위치한 부분은 역류 유동의 경우 비정상성이 나타나기 때문에 유동의 변화는 주로 엔진 플룸의 변화로 판단하였다.
- 0[4]의 메탄 관계 화학반응식을 전부 고려한 식으로, 화학종은 H2, H, O, O2, OH, H2O, HO2, H2O2, C, CH, CH2, CH2(S), CH3, CH4, CO, CO2, HCO, CH2O, CH2OH, CH3O, CH3OH, C2H, C2H2, C2H3, C2H4, C2H5, C2H6, HCCO, CH2CO, HCCOH, C3H7, C3H8, CH2CHO, CH3CHO, N2의 35화학종이며 화학반응 개수는 217개이다. 둘째는 메탄을 제외한 CH 계열 화학종은 무시하고 메탄 해리를 간략한 1 단계 모델로 가정하고 나머지 화학반응은 H2, O2, CO, CO2 와 관련된 GRI 관계식을 추출하여 구성한 모델이다. 이 경우 고려되는 화학종은 H2, H, O, O2, OH, H2O, HO2, CO, CO2, CH4의 10개이며 메탄 해리식 1개를 포함한 총 15개의 화학반응식이 고려되었다.
- 상세 화학반응 모델을 이용하여 3차원 터빈 배기가스 유동을 2차원 축대칭 유동으로 가정하여 해석하였다. 상세 화학반응 모델은 GRI의 35화학종 217단계의 모델과 GRI H2-O2-CO 14 반응식에 메탄 해리 반응만을 첨가한 11화학종 15단계 모델을 적용하여 비교하였다.
- 또한 별도의 격자 수렴성을 시험하지 않았다. 외부 유동은 저부 역류가 나타나기 시작하는 고도 15km를 맞추어 마하수 2.035, 압력 11722.7Pa, 온도 216.6K로 가정하였다.
- 현재까지 개발 중인 모델이므로 형상 및 연소실 조건 터빈 노즐 조건은 매우 유동적이며, 특히 터빈 노즐의 경우 엔진 노즐을 2차원 축대칭으로 가정하였기 때문에 환형의 형태로 해석된다. 이러한 이유로 터빈 노즐을 2차원 축대칭 문제에 맞도록 팽창비만 유지하고 목직경을 40mm로 가정하였다.
- 75톤급 엔진은 연소압 6MPa, 팽창비 12의 조건이며 케로신-액체산소로 구동한다. 터빈 배기 노즐은 정체압 0.3MPa에 온도 700K, 팽창비 2.59로 가정하였다. 현재까지 개발 중인 모델이므로 형상 및 연소실 조건 터빈 노즐 조건은 매우 유동적이며, 특히 터빈 노즐의 경우 엔진 노즐을 2차원 축대칭으로 가정하였기 때문에 환형의 형태로 해석된다.
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