하이브리드 로켓 연소의 점화지연에 의한 저주파수 압력 맥놀이 :Ignition Delay and Low Frequency Pressure Beat in Hybrid Rocket Combustion

현원정

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자료유형: 학위논문

저자정보: 현원정 (건국대학교, 건국대학교 대학원)

지도교수: 이창진

발행연도: 2023

저작권: 건국대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수9

이 논문의 연구 히스토리 (5)

2023

하이브리드 로켓 연소의 점화지연에 의한 저주파수 압력 맥놀이

현원정 항공우주정보시스템공학과 2023.01 학위논문

2022

하이브리드 로켓의 열음향 불안정과 연소압력 맥놀이 발생 모델링

현원정 , 이창진 한국항공우주학회지 2022.11 학술저널

열음향결합과 하이브리드 로켓의 저주파수 연소불안정

현원정 , 이창진 한국추진공학회 학술대회논문집 2022.05 학술대회자료

2021

스월 분사와 삽입연료에 의한 하이브리드 로켓 연소의 저주파수 연소불안정 조절

현원정 , 이창진 한국항공우주학회지 2021.02 학술저널

2020

스월 분사에 의한 하이브리드 로켓 연소의 저주파수 연소불안정 조절

현원정 , 이창진 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2020.11 학술대회자료

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하이브리드 로켓 엔진(HRE)은 미연연료의 연소를 통한 엔탈피의 추가적인 생성을 유도하기 위해 후연소실이 필수적으로 장착된다. 그럼에도 불구하고 후연소실이 저주파수 불안정(LFI, Low Frequency Instability)을 발생시키는 원인임이 확인되었다. 또한 이전연구에서는 PMMA(Poly-Methyl Methacrylate)/기체산소(GOx)를 사용한 하이브리드 로켓 연소 시, 기화연료 유동과 산화제 유동의 상호작용으로 인해 작은와류가 생성되고 후연소실로 유입되어 연소압력의 고주파수 대역(400-500Hz) 증폭(p'')이 발생하는 것을 확인하였다. 또한 작은와류에 포획된 미연연료의 연소로 인해 열방출진동의 고주파수 대역(400-500Hz) 증폭(q'')이 발생한다고 보고하였다. 본 연구에서는 후연소실의 길이를 변화시킨 다양한 연소 시험을 수행하여 LFI의 원인이 되는 p''과 q''의 주기적인 양의 결합 형성의 과정을 조사하였다. 연소시험 결과, LFI의 발생을 결정하는 중요한 요인이 후연소실 길이임을 확인하였다. LFI가 지속되는 동안 p''과 q''의 주기적인 양의 결합에 의해 약 15–20 Hz의 압력 비트를 형성하였으며 이는 후연소실의 길이에 따라 변화하였다. 또한 연소불안정의 발생과 동시에 미연연료를 포함한 유동이 노즐 벽에 충돌한 후 상류로 되돌아가는 역류가 관찰되었다. 역류는 주연소실로부터 유입되는 유동과 충돌하며 그 후 점화지연을 수반한 재점화가 관찰되었다. 이러한 불연속적이고 주기적인 재점화는 연소불안정이 지속되는 동안 초당 15회 주기를 갖는 것으로 나타났다. 따라서 재점화가 p''과 q''의 위상차 변화 및 주기적인 양의 결합을 결정한다는 것을 예측하기 위해 수정된 kicked oscillator 모델을 제안하였다. 모델의 계산을 통해 p''과 q''의 주기적인 결합이 열음향 불안정성의 발현으로 인해 나타나는 현상이라는 밝혀냈다. 이를 기반으로 삽입연료와 산화제 스월분사를 동시에 사용하여 연소성능 변화를 최소화하며 LFI 억제를 시도하였다.

Hybrid rocket engines (HREs) require a post chamber to induce additional enthalpy production of unburned fuel, which may be expelled without participating in combustion. Many studies have confirmed that the post chamber is responsible for generating low-frequency instability (LFI). The previous study verified that the high-frequency band (400-500 Hz) amplification of combustion pressure(p'') is generated when small vortices are formed by the interaction between the vaporized fuel flow and the oxidizer flow and flow into the post chamber in hybrid rocket combustion using PMMA(Poly-Methyl Methacrylate) and gaseous oxygen(GOx). In addition, it was reported that the high-frequency band (400-500 Hz) amplification of heat release fluctuations(q'') occurred due to the additional combustion of unburned fuel captured in small vortices. This study performed various tests with increasing post-chamber lengths. The test results show that post-chamber length is an important factor that determines the occurrence of the LFI. While the LFI persists, there is an observed positive coupling between p'' and q'', which share the same high-frequency band (400–500 Hz) but with a phase difference that changes periodically over time and forms pressure beats of approximately 15–20 Hz. Video images (with LFI) show that combustion flows bounce back upstream after impinging on the nozzle wall. The bounced-back flow then collides with the incoming flow and forms a counter flow in the post chamber. In addition, re-ignitions with delays are observed in the counter-flow region, which is discontinuous and periodic. This study revealed that the periodic coupling of p'' and q'' is one of the manifestations of thermoacoustic instability. A modified kick oscillator model is used to account for the ignition delay and successfully predicted the pressure beats. Based on this, an attempt was made to suppress LFI by minimizing changes in combustion performance by using fuel insert and oxidizer swirl injection at the same time.

#Combustion in Post Chamber(후연소실 연소) #LFI(저주파수 연소불안정) #Ignition Delay(점화지연) #Energy Kick(에너지 킥) #Pressure Beat(압력 맥놀이)

국문초록 ⅵ
제1장 서론 1
제1절 연구배경 1
제2절 연구목적 5
제2장 시험장치 및 시험조건의 설계 6
제1절 하이브리드 로켓 연소 시험장치 구성 6
제2절 시험조건 설계 8
제3절 분석기법 10
제3장 후연소실이 LFI 발생에 미치는 영향 12
제1절 후연소실 유무에 따른 연소불안정 12
제2절 후연소실 길이에 따른 연소불안정 15
1. 기본시험 15
2. 후연소실 길이에 따른 압력 비트의 생성 18
제3절 후연소실에서 발생하는 유동과 연소의 가시화 22
1. Test 3(with LFI) 23
2. Test 5(Stabilized combustion) 30
3. 점화지연과 압력 비트 주파수의 관계 33
제4장 열음향 불안정과 kicked oscillator 모델 35
제1절 열음향 불안정을 모사하는 모델의 유도 35
제2절 Intermitttent oscillations and Pressure beats 39
제3절 modified kicked oscillator 모델 43
제4절 모델의 계산 45
1. 점화지연이 존재하는 경우의 에너지킥에 의한 모델의 계산 45
2. 점화지연이 존재하지 않는 경우의 에너지킥에 의한 모델의 계산 48
제5장 저주파수 연소불안정의 억제 49
제1절 스월분사와 삽입연료의 저주파수 연소불안정 억제 효과 49
제2절 연소성능 변화의 최소화를 수반한 연소불안정 억제 53
제6장 결론 56
참고문헌 58
ABSTRACT 62

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