초록
하이브리드 로켓의 연소실험에서 관찰된 500 Hz 대역의 연소압력과 연소반응 변동이 안정한 연소에서 발생하는 원인과 LFI로 발전하는 과정을 분석하기 위하여 $CH^*$ 화학발광 이미지와 PMT(photomultiplier tube)에 의한 광자방출 측정으로 연소반응 변화를 가시화하였다. 안정한 연소에서는 500 Hz 대역의 연소압력과 연소반응 변동의 위상차이가 180 도 정도를 이루며 전단층 유동을 따라서 정상적인 연소가 발생하였다. 그러나 불안정 연소가 발생하면, 500 Hz 주파수의 두 변동의 위상차는 60~70 도로 양의 관계(positive coupling)를 이루며 상하 대칭의 와류 발생과 국부적 소염이 나타나는 주기적 변화를 반복한다. 또한 천이구간에서는 매우 불규칙적인 와류와 상하 대칭의 전단층 유동 형상이 번갈아 관찰되고 있다. 이것은 연소의 영향으로 와류가 발생하는 것으로 보염기 후류에서 발생한 BVK 유동불안정과 유사한 특성을 보여준다, 따라서 하이브리드 로켓 연소의 저주파수 연소불안정은 500 Hz 대역의 연소반응 변동에 의한 와류의 발생과 이로 인한 국부적인 소염이 점진적으로 발전하여 완전한 주기적 소염으로 이어졌고, 20 Hz의 연소불안정으로 발전하는 것으로 판단하였다.
Visualization was done by using $CH^*$ chemiluminescence images and PMT measurements in order to understand the origin of fluctuating pressure and chemical luminosity at about 500 Hz frequency even in stable combustion, which was observed in recent experimental tests, and to find the physical correlation leading to Low Frequency Instability(LFI) in terms of phase angle. In stable combustion, chemical reactions are distributed along the shear layer flow showing a negative coupling(about 180 degree in phase angle) with combustion pressure. However, phase difference is shifted to a positive coupling showing less than 90 degree in unstable case. Also a periodic change in the distribution of chemical reactions is observed along with local flame extinction and the appearance of big scale vortex flow. In the transition to LFI, local flame extinction and small vortex flow start to appear in a row. As seen in the bluff body wake in reactive flow, the periodic appearance of vortex flow seems to share the same physical process of BVK(Bernard Von Karman) instability generation. Thus, the appearance of local extinction in 500 Hz fluctuations is gradually amplified to complete extinctions of about 20 Hz, and it leads into LFI.
