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논문 기본 정보

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학위논문
저자정보

조덕래 (부산대학교, 부산대학교 대학원)

발행연도
2013
저작권
부산대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수11

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이 논문의 연구 히스토리 (4)

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The aim of this study is investigated about the three dimensional structure of gaseous detonation wave propagation. The analysis was carried out by the three-dimensional invisicid fluid dynamics equation coupled with a conservation equation of reaction progress variable with variable-γ formulation and one-step irreversible reaction. The inviscid fluid dynamics equations are solved by a MUSCL-type TVD scheme and 4th order accurate Runge-Kutta time integration scheme and the CFD codes are parallelized based on domain decomposition technique using MPI library. First, the Champan-Jouguet (C-J) and steady Zel’dovich-von Neumann- Doring(ZND) structure analysis solutions were carried out. These results are used as initial condition for two- and three-dimensional numerical simulations. Second, the study is carried out about two-dimensional problems. In the two-dimensional simulations, a series of numerical studies are carried out for the different regimes of the detonation phenomena to investigate the computational requirements for the simulation of the detonation wave cell structure by varying the reaction constants and grid resolutions. The computational results are investigated by comparing the solution of steady ZND structure to draw out the minimum grid resolutions and the size of the computational domain for the capturing cell structures of the different regimes of the detonation phenomena. Next, three dimensional structure of detonation wave propagating in a square and circular tube was investigated. In a square tube, three-dimensional unsteady analysis results in the smoked-foil records caused by the instabilities of the detonation waves, which showed the rectangular and diagonal modes of detonation instability depending on the initial conditions of disturbances and the spinning detonation for case of small reaction constant. And last, in a circular tube, a series of parametric study was carried out to investigate the different modes of cell structure formation by changing pre-exponential factor. Maximum pressure trace was recorded along the tube wall to investigate the detonation cell structures. The unsteady results obtained in three dimensions revealed the generation mechanism of the wave front structure of two-, three- and four-cell mode detonations. A six-cell mode detonation could be obtained using a finer grid. It was found that the detonation cell number increased, but the cell width and length decreased with the increase in pre-exponential factor. In all the multi-cell modes, the detonation wave structures and smoked-foil records on the wall are formed by the propagation of transverse waves along the wall in clockwise and counter-clockwise while the slapping move in radial direction. Comparison with two-dimensional simulation confirms the effect of the slapping transverse wave in radial direction. As a result, the detonation wave front structures changes from polygonal shape to windmill shape with multiple fans, periodically.

목차

1 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구의 필요성 3
1.3 연구 목표 4
2 Detonation 현상의 이해 6
2.1 Detonation의 역사 6
2.2 데토네이션 현상과 해석 이론 14
2.2.1 Deflagration과 데토네이션 14
2.2.2 Chapman-Jouguet theory 16
2.2.3 Detonation 구조 17
2.2.4 데토네이션의 안정성 18
2.3 데토네이션 정상 상태 해석 이론 19
2.3.1 Chapman-Jouguet (C-J) 해석 이론 19
2.3.2 이상 기체에서의 정상 ZND 구조 해석 이론 28
2.3.3 정상 1차원 ZND 구조 31
3 유동장 모델링 및 수치해석 기법 43
3.1 유동장 모델링에 대한 지배 방정식 43
3.1.1 Euler 지배 방정식 무 차원화 46
3.1.2 Euler 방정식의 좌표변환 47
3.2 수치 해석 기법 50
3.2.1 비점성 플럭스 자코비안 유도 분할 50
3.2.2 지배방정식의 공간 이산화 53
3.2.3 수치 플럭스 54
3.2.4 고차 정확도 공간차분 59
3.2.5 시간 적분 기법 61
3.2.6 경계 조건 63
3.2.7 병렬처리 기법 67
4 2차원 데토네이션 수치 해석 77
4.1 2차원 수치 해석 방법 77
4.1.1 계산 영역 및 초기 조건, 경계 조건 및 그을음 모사 기법 79
4.1.2 약한 불안정 데토네이션 현상 81
4.1.3 중간 불안정 Detonation 현상 91
4.1.4 강한 불안정 데토네이션 현상 98
4.1.5 데토네이션 셀 구조 해석을 위한 최소 격자 조건 101
4.1.6 계산 영역 크기의 한계 102
4.1.7 해석 결과 요약 105
5 3차원 데토네이션 수치 해석 106
5.1 3차원 관 내부 데토네이션 파의 동적 유동 특성 106
5.2 해석 조건 109
5.2.1 열역학적 매개 변수 109
5.2.2 유체 동역학적 해석 알고리즘 109
5.2.3 해석 격자 모델과 경계조건 및 초기조건 110
5.3 3차원 정사각형 관 해석 결과 115
5.3.1 2차원 모델의 해석 결과 115
5.3.2 3차원 122×42×42 격자 계 해석 결과 117
5.3.3 3차원 302×102×102 격자 계 해석 결과 119
5.3.4 3차원 회전 모드 데토네이션 해석 결과 122
5.3.5 3차원 정사각형 관 해석결과 요약 124
5.4 3차원 원형관 해석결과 124
5.4.1 2-셀 모드 데토네이션 124
5.4.2 다중-셀 모드 데토네이션 134
5.4.3 3차원 원형관 해석 결과 요약 140
5.5 3차원 고 불안정 해석 결과 141
5.5.1 고 불안정 데토네이션의 3차원 효과 141
5.5.2 PSD 해석으로 본 고 불안정 데토네이션의 특징 145
5.5.3 3차원 고 불안정 해석 결과요약 148
6 결론 149
참고 문헌 151
Appendix A. 변수 γ를 사용한 C-J Detonation 파의 해 159
Appendix B. 변수 γ를 이용한 1차원 Roe’s 플럭스 공식 167
Appendix C. MPI를 이용한 병렬 알고리즘 193

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