초록 ▼

이 연구에서는 열발생기기로 맥동연소기를 선택하여 각 부분에서 발생하는 유동 밍 열전달 특성에 대한 개별적인 연구와 더불어 장치 전반에 관한 체계적이고 포괄적인 연구를 실행함으로써 맥동연소기의 성능향상 및 설게의 기초자료를 습득하였다. 연구를 효율적으로 수행하기 위하여 맥동연소기를 흡기게통, 도관내 열교환계통, 배기게통 및 설계등의 4개의 세부과제로 분할하여 연구하였다. 이 연구의 결과를 요약정리하면 아래와 같다. 1) 복사열전달이 없는 경우에 대한 원관내 맥동유동의 열전달을 실험적으로 연구하여 맥동주파수, 맥동진폭

이 연구에서는 열발생기기로 맥동연소기를 선택하여 각 부분에서 발생하는 유동 밍 열전달 특성에 대한 개별적인 연구와 더불어 장치 전반에 관한 체계적이고 포괄적인 연구를 실행함으로써 맥동연소기의 성능향상 및 설게의 기초자료를 습득하였다. 연구를 효율적으로 수행하기 위하여 맥동연소기를 흡기게통, 도관내 열교환계통, 배기게통 및 설계등의 4개의 세부과제로 분할하여 연구하였다. 이 연구의 결과를 요약정리하면 아래와 같다. 1) 복사열전달이 없는 경우에 대한 원관내 맥동유동의 열전달을 실험적으로 연구하여 맥동주파수, 맥동진폭 및 시간편균 레이놀즈수가 열전달 특성에 미치는 영향을 규명하였고 열전달 향상을 얻기 위한 조건을 제시하였다. 2) 위 1)항의 실험조건에 대응하는 수학적 모델을 설정하고, 수치해석을 통하여 유동 및 열전달 특성을 연구하였다. 그결과 유동장과 열전달의 변화는 실험결과와 정성적으로 잘 일치하였다. 3) 고온의 연소 가스가 맥동하느 맥동연소기 도관내에서의 열전달을 이론적으로 예측하기 위하여 P-N 근사법을 이용하여 복사열전달을 포함하는 수학적 모델을 설정하고 압력경게조건을 도입한 수치해석을 통하여 열전달을 계산하여 시험용 맥동연소기에서 얻은 실험치와 비교한 후 수치해석법의 타당성을 확인하였다. 4) 맥동연소기의 흡입계통인 공기공급곡관에서의 정상, 비압축성 유동에 대하여 실험 및 수치해석법에 의하여 연구한 결과 외벽에서 유체가 가속되고 내벽에서 저속 유체가 축적되는 유동편중현상이 발생하였으며 그때 2차 유동의 크기는 체적속도의 30∼40% 에 달하였다. 5) 유동가시화를 통한 decoupling chamber 내에서의 유동 형태는 크고 작은 2개의 와동형태를 나타내고 있음을 알 수 있었다. 6) 플래퍼 밸브가 달린 원관에 대해 유한해석법을 이용하여 정상 난류 유동장을 해석하였고 오리피스링이 달린 원관에 대하여 맥동 난류 유동장을 해석한 결과 플래퍼 밸브가 부착된 원관에서 강한 난류혼합이 일어나고 정상 유동장 보다는 맥동유동장에서 더 큰 난류혼합 효과를 보였다. 7) 맥동압력을 받는 유로에서의 유동 특성을 수치적으로 예측하기 위하여서는 압력경계조건의 해결이 필요하고 이를 취급할 수 있는 프로그램을 작성하여 정상 맥동상태로의 천이유동상태를 해석하였다. 그 결과에 의하면 배기게통에서 초기 정지된 유체가 맥동압력의 영향을 받아서 정상 맥동유량으로 천이되는 과정주에 한 주기중 극대유랴의 크기는 시간에 따라 지수함수적으로 정상상태 극대 유량에 접근하였다. 8) 위 7)항의 타당성을 입증하기 위하여 맥동을 받는 배기계통 모델을 제작하였고 유로내부 유체의 압력변동을 실험적으로 조사한 결과는 수치해석의 결과는 수치해석의 결과와 정성적으로 잘 일치하였다. 9) 수치해석과 실험적 연구 결과에서 배기계통에서 맥동압력 성분중 교류성분의 진폭비가 증가할수록 유로벽면 근처에서의 역류 영역이 점차로 확대되어 시간적인 평균유량은 감소하고 비주기성 정상상태의 평균 유량보다도 작음을 예측하였다. 또한 배기계통에서 맥동압력 성분중 직류성분이 낮은 경우 보다 높은 경우에는 유로 통과유량이 커짐으로 인하여 유로 내부 박 위치에서의 온도 변동 진폭이 작아지고 그 주기성이 불명확해짐을 알 수 있었다. 10) Helmholtz 형 맥동연소식 온수기를 제작하고 이 장치를 사용하여 열입력을 공기밸브 및 연료 밸브간극, 연소실의 지름 및 길이,도관의 지름 및 길이, 배기실 체적, 소음기 체적등과 같은 인자의 변화에 따른 연소기의 제 특성을 조사하였다. 11) 위 실험장치(10)항와 동일한 형상의 맥동연소기에서 열손실과 관마찰을 고려한 비정상 1차 수학적 모델을 설정하고, 연소실과 도관의 모델링에서의 방정식을 MacCormack wxplicit scheme방법을 사용하여 풀고 실험결과와 비교하였다.

Abstract ▼

In this study. a pulse combustor was selected as the heat generator. The individual study for the flow field and heat transfer characteristics in the each main component of a pulse combustor was performed with the systematic and integral study for the total equipment and the fundamental information

In this study. a pulse combustor was selected as the heat generator. The individual study for the flow field and heat transfer characteristics in the each main component of a pulse combustor was performed with the systematic and integral study for the total equipment and the fundamental information was obtained for the performance improvement and design of the pulse combustor.For the efficient performance of the study. the pulse combustor was divided into 4 subprojects such as intake system, heat transfer in the flue tube, exhaust system and design. The results of this study are summarized as fllows: 1) The effects of frequency and amplitude of pulsation and time averaged Reynolds number in the pulsating pipe flow on the heat transfer characteristics were investigated experimentally and the conditions for heat transfer improvement were presented. 2) A mathematical model equivalent to the above experimental equipment (item 1) was established and solved the governing equations numerically. The comparsion of experimental and numerical results for the flow field and heat transfer agreed well qualitatively. 3) In order to predict the heat transfer in the flue tube in which hot combustion gas flows in pulsation, a mathematical uodel including radiative heat transfer was made by the P-N approximation and the governing equations were solved numerically with the pressure boundary conditions. The calculated results were compared with the experimental data obtained from the laboratory pulse combustor. 4) The steady, incompressible developing flow in the air supply curved duct of an intake system of pulse combustor was investigated by experimental and numerical methods. The results showed that high-speed flow was increasingly displaced toward the outer-radius and side wall, whereas fluid with low velocity accumulated at the inner-radius wall of the bend. The secondary mean velocities, driven mainly by the pressure field attained values up to 30-40x of the bulk velocity. 5) Flow analysis in a decoupling cha ber was investigated by the flow visualization using the tuft test technique, and two vortex flows(one large and another small) were founded. 6) The steady turbulent flow past a flapper value in a pipe and pulsating turbulent flow through orifice ring in a pipe was investigated numerically by finite analytic method, and the results showed that a strong turbulent mixing occured in a pipe with flapper valve and turbulent mixing effects were stronger in pulsating flow than in steady flow.n 7) In order to predict flow characteristics in a flow passage imposing pulsating pressure, accurate handling of pressure boundary conditions was needed. and a program which can treat the pressure boundary condition was developed. The program was applied to investigate the transient flow situation. The results indicated that during transition period which had duration from initial static state to steady periodic situation, the peak flowrate for the period increased reverse-exponentially with the increase of time and then. reseached to steady periodic state. 8) In order to assure the validity of nu erical pretiction(item 7) a test model was constructed. The experimental results for the fluctuations of pressure and temperature showed reasonable agreement with nu erical predictions. 9) From the numerical and experimental studies for exhaust system. it was found that, when the amplitude ratio of pulsating pressure increased, the region of reverse flow was diffused at the region neighboring to wall. therefore, the time average flowrate of periodic pulsating flow was lower than that of non-periodic flow. And also. when the direct component of pulsating pressure became large. the variation a plitude of temperature field became samaller and finally, periodic characteristics disappeared. 10) A Helmhotz type pulse combustion water heater was constructed to examine the general characteristics of the combustor for the variations of heat input rate, the opening size of the flapper valve gap for air and gas, the length and diameter of the flue tube, and the volumes of the exhaust chamber and muffler. 11) One dimensional unsteady mathematical model was developed by taking into account the effects of heat transfer and friction loss in the combustor which had the same shape as the one of the experimental apparatus(item 10). The MacCormack's explicit scheme was employed to solve the governing equations established from modeling of the combustion chamber and the flue tube.

목차 Contents

• 1. 서론...21
• 2. 연구방법...22
• 3. 결과 및 고찰...28
• 4. 결론...64
• 참고문헌...67