한국추진공학회 2011년도 추계학술대회 논문집 pp.92~95 2011 KSPE Fall Conference
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케로신-산소 로켓 동축 분사기 난류 연소에서 리세스의 영향에 대한 수치해석
최정열*†․ 신재렬**
Numerical Study on the Effect Recess on the Turbulent Combustion of Kerosene/LOx Coaxial Rocket Injector
Jeong-Yeol Choi*†․ Jae-Ryul Shin**
ABSTRACT
A multi-step quasi-global mechanism is developed for the kerosene/oxygen combustion analysis including dissociation products. Reaction constants of the global reaction are determined to have agreement with experimental data. The mechanism is used for the numerical analysis of the combustion flow field of the kerosene/oxygen shear coaxial injector. The results from high-resolution numerical analysis confirmed qualitatively that the recess enhance the fuel/air mixing and combustion efficiency by the increased flow instabilities.
초 록
케로신-산소 동축 로켓 분사기의 난류 연소를 수치적으로 연구하였다. 이 연구를 위하여 다단 준 총괄 반응 기구를 개발하였다. 이 반응 기구는 가상의 케로신 연료가 수소와 일산화 탄소로 분해된 이후 고온 영역의 상세 산화 반응들로 구성되어 있다. 난류 연소의 LES 해석을 위하여 5차의 WENO 기법을 이용하였다. 반응 및 비 반응 유동의 난류 특성을 살펴 보았으며 리세스의 존재가 난 류의 생성과 연소에 미치는 영향을 살펴보는 심화 연구를 수행하였다.
Key Words: Kerosene combustion(케로신 연소), Multi-step Quasi-gloabl Reaction(다단 총괄 반응), Coaxial Injector(동축 분사기), Recess(리세스)
* 부산대학교 항공우주공학과 ** 대우건설(주)
†교신저자, E-mail: [email protected] 1. 서 론
액체 로켓에서 연료와 산화제의 분사, 혼합,
연소 및 연소 불안정 제어에 이르는 다양한 방 면에서 분사기는 가장 핵심적인 구성 요소이며, 이러한 다양한 역할을 고려하여 최근 개발되는 액체 로켓 엔진에서는 충돌형이 아닌 동축형 분 사기가 일반적으로 이용되고 있다. 아울러 동축 형 분사기에서는 성능 향상을 위하여 분사기에 일정한 길이의 리세스를 채용하고 있으며, 연료
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와 산화제의 미립화, 혼합 및 연소의 측면에서 매우 효과적임이 여러 연구를 통하여 보고되고 있다. 그러나 로켓 분사기 연구, 특히 케로신-산 소 로켓의 경우는 고온/고압의 극단적 열환경 및 다량의 복사 환경으로 인하여 가시화를 비롯 한 실험적 계측 연구가 어려운 현실로 비-연소 수류 시험에 의한 계측이나 열 유속 및 종합 성 능 계측에 의한 결과적 분석만이 가능한 상황이 다. 분사기 유동에 대한 이론 연구 연구가 설계 과정에 이용되고 있으며 일부 해석 연구가 리세 스의 효과를 검증하고 있으나, 연소 유동에서 리 세스의 영향을 가시적으로 보여주는 해석 연구 는 부족한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 전산 유체역학 해석을 이용하여 리세스가 연료/산화 제 혼합 및 연소 특성에 미치는 영향을 가시적 으로 살펴보고, 유체역학적 원인을 규명하기 위 한 연구를 수행하였다.2. 연소 유동 모델 및 해석 방법
2.1 연소 유동 모델
액체 로켓 분사기 연소 유동 해석을 위한 지 배 방정식으로는 축대칭 좌표계에서 실제 기체 효과를 반영하여 각 성분에 대한 질량 보존 방 정식, 운동량 방정식, 에너지 보존식을 이용하였 다. LES 난류 해석 모델로는 벽면 경계층에서 작은 스케일의 와동 포착에 따른 문제를 회피하 기 위하여 hybrid RANS/LES 기법 가운데 Menter의 SST 모델을 기반으로 확장된 DES 모 델을 이용하였다. 난류 프란틀 수 및 슈미트 수 는 각각 0.9 및 0.4를 이용하였다.
케로신-산소 화학반응 모델로는 이전의 연구 에서 개발된 다단 준 총괄 반응 모델을 이용하 였다.[1] 난류 연소 모델의 경우 로켓 연소기 적 합한 모델에 대한 연구는 부족한 상황으로 기존 의 비예혼합 연소 해석 모델을 확장 적용하거나 층류 반응 모델에 의한 해석이 대부분이었다. 그 러나 근래 연구 결과를 살펴보면 대체로 모델 보다 격자 해상도에 더욱 의존하는 경향을 보이 며, 기존에 난류 연소 연구 중 상당히 좋은 결과
를 보인 PaSR(Prtially Stirred Reactor) 모델을 층류 반응 모델과 비교하였으나 큰 차이를 보이 지 않아 본 연구에서는 층류 반응 모델을 이용 하였다. 유동방정식은 완전 연계된 형태로 유한 체적법을 이용하여 이산화 하였다. 대류 플럭스 는 Roe의 플럭스 분할 기법을 이용하였으며 점 성항에는 중심 차분을 이용하였다. 고차정확도 해법으로는 5차 정확도 내삽을 이용한 WENO 기법을 이용하였다.[2] 시간 적분에는 2차 정확 도 시간 차분 및 화학 반응 및 대류 플럭스를 연계하는 완전 음해법과 시간 반복 해법을 이용 하였다.
2.2 연소기 형상, 작동 및 해석 조건
케로신 분사기의 해석 조건은 항우연의 30톤 급 액체 로켓 엔진의 분사기 조건을 이용하였으 며, 스월 분사기의 해석에 앞서 본 연구의 해석 은 단일 전단 동축 분사기에서 리세스의 영향을 살펴보는 것으로 국한 하였다. 해석에 이용된 분 사 압력은 60 bar, 연료 유량은 228 g/s, 분사 기 내경은 8.1 mm, 산화제 유량은 88 g/s, 산화 제 분사기 내경은 4.1 mm 분사기 두께는 0.6 mm 이다. 주 연소실은 1,002x181, 산화제와 연 료 분사기에는 각각 50x51개의 격자를 이용하였 다. 리세스의 길이는 0.0, 1.6, 3.2, 4.8, 6.4 mm 에 대하여 비교하였으며, 1.6 mm 인 경우부터 각각 리세스 영역에 50x51, 74x51, 98x51, 122x51 개의 격자를 이용하였다. 각 해석에서 CFL 수는 4.0, 최대 부 시간 반복횟수 는 4를 이용하였다.
3. 해석 결과 요약
Figure 1은 각 리세스 길이에 대한 숫간 및 평 균 온도 분포 및 평균 유동장의 CO 및 CO2 질량 분율 분포를 나타낸 그림이다. 이 그림에서 나타나는 분사기 유동의 전반적인 특징은 강한 난류 효과에 의하여 주름진 화염면이나 분리된 연소 영역 등 winkled flame 영역의 난류 화염 의 특징이 두드러지게 나타나며 강한 압력 진동 을 유발하는 것으로 확인된다. 리세스가 있는 경
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(a) LRecess = 0.0 mm(b) LRecess = 1.6 mm
(c) LRecess = 3.2 mm
(d) LRecess = 4.8 mm
(e) LRecess = 6.4 mm
Fig. 1 Kerosene/Oxygen reacting flowfield with different recess lengths, instantaneous temperature distribution and averaged temperature, CO and CO2 mass fraction distributions
우 유동장의 불안정성은 분사기 출구에서 극대 화 되지만, 리세스가 없는 경우 유동장의 불안정 요인은 쉽게 소산되어 화염 길이가 길어지며 전 체적으로 연소 효율이 낮게 예측되었다. 리세스 길이가 길어질수록 효과가 크게 나타나지만 리
세스 길이가 3.2 mm 이상인 경우에는 그 효과 가 두드러지지 않으며, 리세스 길이가 4.8 mm 인 경우는 그 효과가 줄어들었다가 6.4 mm 인 경우에는 오히려 강화된 경향을 보였다.
Figure 2는 리세스 길이가 3.2mm 인 경우와
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Fig. 2 Instantaneous pressure and density gradients fields of reacting and non-reacting flows for the cases of recess length 3.2 mm and 0.0 mm.
0.0 mm 인 경우의 반응 및 비반응 유동에 대한 순간 압력 및 밀도 구배를 도시한 그림이다. 이 그림에서 분사기 유동에서는 분사기 기저부에서 발생하는 와류 유동 및 산화제 분사기 기둥에서 발생하는 와류 유동이 상호 간섭하는 것이 확인 되며 리세스가 없는 경우는 와류 유동에서 발생 하는 압력 섭동이 쉽게 소산되지만, 리세스가 있 는 경우는 내부 공진에 의하여 압력 섭동이 유 지되거나, 분사기 기저부 와류 유동과 상호작용 하여 공진에 강화되는 것으로 여겨진다. 따라서 이러한 와동 주파수 특성에 따라 상호 작용을 최대로 할 수 있는 적절한 리세스 길이가 존재 하는 것으로 여겨진다.
아울러 비반응 및 반응 유동을 비교할 때, 비 반응 유동에서는 와동에 의하여 발생하는 압력 섭동이 모든 방향으로 전달되며 압력 구배와 밀 도 구배가 유사한 특징을 보이지만, 반응 유동의 경우는 화염에 의한 밀도 구배와 압력 섭동의 전달 특성은 상당히 다른 특성을 보이며, 압력파 의 전파 특성이 좀더 명확히 드러난다. 이상의 결과로 추정하건데, 화염에 의한 강한 밀도 구배 의 존재는 반경 방향의 압력 진동은 투과시켜 교란을 유지하지만 비 반응 유동에 존재하는 길
이 방향의 교란을 소산시키는 역할을 하는 것으 로 여겨진다.
후 기
본 논문은 교육과학기술부의 우주기초원천기 술사업의 지원으로 수행되었습니다.
참 고 문 헌
1. Choi, J.-Y., “A Quasi Global Mechanism of Kerosene Combustion for Propulsion Applications,” AIAA 2011-5853, 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 31 July - 03 August 2011, San Diego, California
2. Shin, J.-R., Moon, S.-H., Won, S.-H., and Choi, J.-Y., “Detached Eddy Simulation of Base Flow in Supersonic Mainstream,”
Journal of KSAS, Vol.37, No.10, Oct. 2009, pp.955-966
