Effect of Particle Size and Velocity Ratio on the Flow Mixing Characteristics in the Secondary Combustor

Research Paper DOI: http://dx.doi.org/10.6108/KSPE.2014.18.1.001

덕티드 로켓의 이차 연소기 내에서 입자의 크기와 속도비가 유동 혼합에 미치는 영향

박정신

․ 박순상

․ 한두희

․ 신준수

․ 성홍계

․ 곽재수

․ 최호진

Effect of Particle Size and Velocity Ratio on the Flow Mixing Characteristics in the Secondary Combustor

Jung Shin Park

․ Soon Sang Park

․ Doo-Hee Han

․ Jun-Su Shin

․ Hong-Gye Sung

․ Jae Su Kwak

․ Ho-Jin Choi

a

School of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University, Korea

b

Department of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University, Korea

c

4-Advanced Propulsion Technology center, Agency for Defense Development, Korea

*

Corresponding author. E-mail: [email protected]

ABSTRACT

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 μm, 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.

초 록

본 연구에서는 유동의 속도비와 입자의 크기가 덕티드 로켓의 2차 연소기 내의 유동 혼합 특성에 미 치는 영향을 고찰하였다. 연구의 실험적 기법으로는 PIV(Particle Image Velocimetry)가 적용되고 수치 적 방법으로는 LES(Large Eddy Simulation)가 사용되었다. PIV 입자로는 직경 5 μm와 50 μm의 폴리 스틸렌이 각각 사용되었고, 속도비는 각각 5, 3, 1.5로 수행되어졌다. 고속유로를 통한 유동이 저속유로 의 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 속도 비의 영향은 작은 입자를 적용한 경우에 비해 크지 않게 나타났다.

Key Words: Particle Image Velocimetry(입자 영상 유속계), Flow Mixing Characteristic(유동 혼합 특성), Ducted Rocket(덕티드 로켓)

Received 9 November 2013 / Revised 5 January 2014 / Accepted 11 January 2014 Copyright Ⓒ The Korean Society of Propulsion Engineers pISSN 1226-6027 / eISSN 2288-4548 / http://journal.kspe.org

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1. 서 론

흡입공기를 이용한 고체 농후연료 추진기관인 덕티드 로켓은 램제트 엔진의 일종으로 고체추 진제를 사용하여 종말속도와 사거리를 증가시킬 수 있고 추력조절이 가능하며 구성이 간단하다 는 장점을 가지고 있다. 고체 연료에 금속입자를 농후하게 포함시켜 연소시키면 2차 연소기에서 연소온도를 더욱 높일 수 있어 결과적으로 비추 력을 증가 시킬 수 있으며, 연소 불안정성의 감 소효과를 기대할 수 있다. 가속을 위한 부스터를 연소시켜 로켓을 초음속으로 가속시키고, 부스터 의 연소가 끝나면 1차 연소기의 고체 추진제를 점화시키고 공기 흡입구를 통해 공기를 흡입하 여 1차 연소기의 연소 가스와 2차 연소기에서 완전 연소시킨다. 연료 과농 조건으로 설계된 1 차 연소기의 고체추진제가 연소되어 가스 상태 의 연료와 함께 추진제의 조성에 따라 고체 상 태의 탄소나 금속입자가 2차 연소기로 유입되고 2차 연소기에서는 연료 가스 및 고체연료가 흡 입공기와 연소되어 추력을 얻는다[1]. 이와 같은 덕티드 엔진에 대한 연구가 많은 연구자에 의해 수행되어지고 있다. Stowe 등[2]은 점화실험을 수행하여 효율을 측정하였으며 전산해석으로 연 료가스와 흡입공기의 혼합효율을 덕티드 로켓의 형상 및 경계조건에 따라 계산하여 실험 결과와 비교 및 검증하였다. Ristori 등[3]은 전산해석기 법을 이용하여 덕티드 로켓의 형상 및 해석모델 에 따른 연소효율을 계산하여 실험과 비교 분석 하였다. Nakayama 등[4]은 가변 유동 덕티드 로 켓 엔진에서 GAP(Glycidyl Azide Ploymer) 고 체연료를 이용한 점화 실험을 수행하였으며, 전 산해석을 통해 연료가스와 흡입공기의 유동혼합 특성, 점화지연 현상에 대한 연구를 수행하였 다. 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 크 기에 따른 입자의 거동을 분석하였다. 본 연구에

서는 1차 연소기를 지난 불완전 연소가스와 흡 입공기의 2차 연소기에서의 혼합 특성을 알아보 았다. 2차 연소기에서 혼합되는 두 유동의 속도 비와 1차 연소기 유동에서의 혼합된 입자의 크 기가 유동 혼합에 미치는 영향을 실험적으로 연 구하고 수치해석기법을 이용한 결과와 비교 분 석하였다.

2. 실험적 연구

2.1 실험 장치 및 방법

본 연구에서는 유동혼합 특성을 효과적으로 파악하기 위하여 PIV(Particle Image Velocimetry) 측정기법을 이용하였다. PIV의 기본 원리는 짧 은 시간 간격 동안 유체를 따라 움직인 입자들 의 변위를 CCD 카메라로 측정하여 유동의 속도 벡터 값을 구하는 방식이다. PIV를 이용한 속도 장 측정에 필요한 장비로는 유동장 내에 단면광 을 생성시킬 수 있는 광원과 고성능 CCD 카메 라, 카메라와 광원을 동기화할 수 있는 동기화 장치, 이미지 후처리를 위한 소프트웨어와 고성 능 PC등이 필요하다.

수조를 이용한 실험의 경우 낮은 출력을 갖고 연속 운전을 하는 레이저도 사용 가능하지만 본 연구에서와 같이 공기를 이용한 고속의 실험 에 서는 짧은 시간 내에 높은 파워를 출력할 수 있 는 듀얼 펄스 레이저가 주로 사용된다.

Fig. 1은 본 연구에서 사용된 PIV 실험장치의 구성도이다.

Fig. 1 Schematic of PIV experimental setup.

Item Description

Laser

Dual Nd:YAG Laser(Quantel) - 532 nm, 145 mJ, 15 Hz

Laser Light Sheet Optics - SPL(1000 mm), CYL(-15 mm) Camera PIV CCD Camera (PCO 1600)

- 2M resoultion, 30 fps Synchronizer Pulse Delay Generator

- 4ch, dt<1 ns Software Insight 4G 2D PIV Processor

Table 1. Specification of PIV system.

그림과 같이 압축된 공기와 PIV용 입자가 혼 합부에 들어오게 되며 상대적으로 압력이 낮은 유동이 아래에서 들어와 혼합하게 된다. 듀얼 펄 스 Nd:YAG 레이저를 이용하여 시험부 상부에 서 빛을 조사하게 되고 동기화 장치(Pulse delay generator)를 이용하여 레이저와 카메라 신호를 동기화 시켜 짧은 시간동안 CCD 카메라가 두 장의 사진을 촬영하게 된다.

촬영된 사진을 이용한 유동장 계산 프로그램 은 TSI사의 INSIGHT 4G를 사용하였다. PIV 시 스템의 주요 제원은 Table 1과 같다.

PIV 측정 실험에서는 유동 가시화용 입자의 균일한 부유가 매우 중요하다. 고체 입자를 주유 동과 균일하게 혼합시켜 측정면에서 입자가 고 르게 분포될 수 있도록 fluidizer를 설계, 제작하 여 실험에 적용하였다. Fig. 2는 실험에 사용된 fluidizer의 도면이다.

본 실험에서는 고속유로의 유동속도를 V

, 저 속유로의 유동속도를 V

으로 정의하였으며, 실험 부는 Fig. 3과 같이 설계하였고, 시험부의 폭은 60 mm로 일정하다. 고속 유로는 압축기에 연결 되어 최고 150 m/s의 속도까지 가능하며 저속 유로는 블로워에 연결되어 최고 30 m/s까지 가 능하다. 두 유로 모두 유량은 벤튜리 유량계를 이용하여 측정하였다.

본 연구에서는 1차 연소기 후방의 유동과 흡 입 공기 유동의 속도비에 따른 영향을 알아보기

Fig. 2 Schematic of PIV particle fluidizer.

Fig. 3 Drawings of test section.

위하여 속도비(V

/V

)를 5, 3, 1.5로 변화시켰으 며, 입자의 사이즈에 대한 영향을 알아보기 위하 여 평균 직경이 5, 50 μm인 구형 폴리스틸렌 입 자에 대하여 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 입자인 폴리스틸렌의 비중은 1.15~1.19이다. 속도 비는 저속 유로의 속도를 고정하고 고속 유로의 속도를 변화시켜 조정하였다.

2.2 실험결과 및 분석

Fig. 4는 5 μm 크기의 입자가 고속유로를 통

해 유입된 경우의 실험 결과이다. 벽면 근처 영

역은 레이저 반사로 인한 빛의 산란 때문에

Fig. 4 Flow field in case of 5 μm particle.

Fig. 5 Flow field in case of 50 μm particle.

측정이 불가능하였다.

고속 유로의 유동이 저속유로의 유동과 만나

면서 덕트 위쪽 벽면에 재부착되는 것을 볼 수 있으며, 이에 의해 고속유로 출구 위쪽으로 재순 환영역이 형성되었다. 속도비가 감소함에 따라 고속유로 출구 위쪽의 재순환 영역의 크기가 점 점 커지는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 5는 50 μm 크기의 입자가 고속유로를 통 해 유입된 경우의 실험 결과이다. 입자 사이즈가 5 μm인 경우와 같이 고속유로의 유동과 저속유 로의 유동이 만나면서 덕트 벽면 위쪽에 재부착 되는 것을 확인할 수 있다. 하지만 입자 사이즈 가 5 μm인 경우와는 재순환 영역의 크기와 형 상이 다르게 나타났다. 입자 크기가 50 μm인 경 우 5 μm인 경우에 비해 유동의 재부착점이 하 류에 위치하였으며, 속도비에 따른 영향도 상대 적으로 적게 나타났다. 이는 입자의 크기가 커지 면서 고속유로 유동의 모멘텀이 증가한 결과로 판단된다. 벽면 근처 영역은 측정이 불가능하여 각각의 결과에 대하여 정량적인 분석이 어려워 전산해석 결과를 통해 정량적인 분석을 수행하 였다.

3. 수치해석적 연구

3.1 수치해석 방법

PIV를 이용한 실험은 입자가 분포해 있지 않

거나 촬영이 어려운 영역의 속도 측정이 불가능

해 벽면 근처와 저속유로의 속도 분포를 정확히

관찰하기 어렵다. 따라서 수치 해석적 방법을 통

하여 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 사

용하면 효율적인 계산이 가능하지만 재순환 영

역에서 회전하는 입자의 정확한 거동을 포착하

기 부적합한 면이 있다. 따라서 LES(Large Eddy

Simulation)을 적용하고 SGS(Subgrid-scale) 모델

은 Smagorinsky-Lilly를 사용하였다. 입자의 거

동은 DPM(Discrete Phase Method)를 사용하여

각각의 입자 위치를 Lagrangian방법으로 추적

하였다.

Fig. 6 Mesh distribution for LES (4.8 million).

Fig. 6은 계산에 사용된 격자로 실험과 같은 형상에 총 480만개의 격자가 사용되었다. 계산의 효율성을 위해 재순환 영역이 강한 위치에 격자 를 집중적으로 형성하여 격자 간격은 약 0.3 mm 이하 이다.

3.2 수치해석 결과

수치해석은 5, 50 μm의 입자가 주입될 때 속 도비 1:5, 1:1.5 로 총 4가지 경우가 계산 되었다.

Fig 7, 9은 각각 5, 50 μm 입자가 유입될 때 속 도분포를 나타내는 그래프이다. PIV 실험법은 유동의 속도가 아닌 입자의 속도를 측정 하므로 유동의 속도 분포와 입자의 속도 분포를 각각 나타내었다. Fig. 4의 실험 결과가 고속유로 앞 쪽의 속도를 측정하지 못한 것을 감안하였을 때 실험과 비교하여 거의 같은 유동 구조를 보인다.

Fig. 7(a)는 5 μm 입자가 주입되고 속도비가 1:5일 때 유동의 속도 분포이다. 실험과 같이 고 속 유로를 통해 들어오는 고속의 주유동이 아래 쪽의 저속 유로를 통해 유입되는 공기와 만나 주유동의 방향이 전환되어 위쪽 벽면에 부착된 다.

Fig. 7(b)와 (d)는 입자의 분포를 나타낸 것으 로 입자의 색은 유동과 마찬가지로 속도를 나타 낸다. 유동과 비교하면 5 μm 입자를 주입했을 때 속도비에 관계없이 폴리스틸렌 입자가 유동 을 따라가는 것을 보아 실험상에서 측정된 데이 터가 유동의 속도장이라는 것을 검증 가능하다.

또 Fig. 7(a)와 (c)를 비교하면 속도가 빠른 (a) 케이스의 저속 유로의 유동이 뒤쪽으로 휘는 현 상이 발생하는데 이는 고속 유로 위쪽으로 강한 재순환 영역이 생성되어 압력하강이 일어나기

Fig. 7 Averaged velocity contour(a,c) and snap shot of particle distribution(b,d) with 5 μm.

때문이다. 재순환 영역의 강도는 Fig. 8에 나타 난다. Fig. 8은 면에 수직한 방향의 와도 (vorticity)를 나타내는 그림으로, 5 μm 입자를 분사했을 때 속도비 1:5와 1:1.5에 대해 각각 나 타내었다. 고속유로의 위쪽으로 매우 강한 재순 환 영역이 생성되고 아래쪽으로는 그보다 상대 적으로 약한 재순환 영역이 생성되는 것을 볼 수 있다. 또한 속도비 1.5인 경우 고속 유로의 속도가 낮아 속도비 5에 비해 재순환 영역의 강 도가 작은 것을 확인할 수 있다.

Fig. 9는 50 μm의 폴리스틸렌 입자를 분사했

을 경우의 유동의 속도와 입자의 분포를 나타낸

다. Fig. 9(a)에 속도비 5의 경우 주유동의 속도

손실율이 더 빠른 것을 볼 수 있는데 이는 폴리

스틸렌의 입도가 커져 유동의 모멘텀이 입자로

인해 감소되었기 때문이다.

Fig. 8 Averaged Z-vorticity contour.

Fig. 9 Averaged velocity contour(a,c) and snap shot of particle distribution(b, d) with 50 μm.

Fig. 9(b)는 이 때의 입자 거동을 나타내는 그 림으로 5 μm일 때와는 다르게 유동을 따라가지 않고 더 깊게 관통을 하며 일부 입자만 유동을

Fig. 10 Velocity distribution along the center line of the high speed flow inlet (V2/V1 = 5).

Fig. 11 Velocity distribution along the center line of the high speed flow inlet (V2/V1 = 1.5).

따라 흐르게 된다. 이 현상은 실험에서도 보이는 현상으로서 실제 실험 시에는 입도분포가 있어 5 μm보다 작은 입자들은 유동을 따라 움직이고 그 이상의 입자들은 주유동의 거동과는 다르게 앞쪽으로 더 관통 하는 현상이 관측된다. Fig.

10과 Fig. 11은 속도비가 각각 5와 1.5 일 때 고

속유로의 중심축을 따라 분포하는 속도를 나타

낸 것으로 주유동의 관통깊이라 할 수 있다. 0

mm 위치는 고속 유로의 끝 면으로 실험장치의

벽면위치와 같다. 실험은 벽면 부근에서 정확한

측정이 힘들어 약 15 mm 위치부터 표시 되었

다. 5 μm 입자를 사용한 경우는 실험과 수치해

석이 대체적으로 비슷한 경향을 보이나 수치해

석 결과가 더 빠른 속도의 감소를 보이는 것으 로 보아 속도의 확산을 실험보다 크게 예측한다.

또한 저속 유동의 모멘텀 변화는 없고 고속 유 동의 모멘텀이 3.3배 정도 높아져도 관통깊이가 65 mm 정도로 오히려 모멘텀이 작은 속도비 1.5 케이스 보다 더 짧은 것을 볼 수 있다. 그 이유는 고속 유로의 유동이 빨라질수록 상단 재 순환 영역의 강도가 커져 압력이 더 하강을 하 기 때문이다. 50 μm 입자를 사용한 실험 결과는 관통깊이가 더 깊은 것을 볼 수 있는데, 속도비 5의 경우는 100 mm 까지 관통하여 5 μm 보다 40 mm나 더 되는 것을 관측 할 수 있고 속도비 1.5는 약 95 mm로 약 15 mm 정도만 차이가 난 다. 결과적으로 본 해석을 통해 입자의 크기가 커질수록 모멘텀의 영향을 많이 받아 속도비가 높아질수록 관통을 더 많이 하는 것이라 유추할 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 유동의 속도비와 입자의 크기가 덕티드 로켓의 2차 연소기 내에서 1차 연소기의 불완전 연소가스와 흡입공기의 혼합특성에 미치 는 영향을 고찰하였다. 연구의 실험적 기법으로는 PIV(Particle Image Velocimetry)가 적용되었고 수치적 방법으로는 LES(Large Eddy Simulation) 가 사용되었다. 입자 크기의 영향을 알아보기 위 하여 5, 50 μm의 폴리스틸렌이 사용되었으며, 속 도비는 각각 5, 3, 1.5로 수행하였다. 고속유로를 통한 유동과 저속유로의 유동의 혼합은 재부착점 과 재순환 영역을 형성하고, 속도비가 작을수록 재순환 영역이 커졌다. 입자의 크기가 5 μm인 경 우에는 입자의 거동과 유동이 유사하여 입자가 유동을 잘 따라가는 것을 확인할 수 있었다. 하지 만 입자의 크기가 50 μm인 경우에는 실험의 결 과와 전산해석을 수행 결과의 입자 거동과 일치 하였지만 유동의 분포와는 차이를 보였다. 이를 통해 입자의 크기가 큰 경우에는 입자의 거동이 유동과 차이가 있음을 유추할 수 있다.

후 기

본 연구는 방위사업청과 국방과학연구소의 지 원으로 수행되는 기초연구(UD110063CD) 과제의 일환으로 수행되었습니다. 이에 감사드립니다.

References

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Salt Lake City, Utah, U.S.A., AIAA

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