Mixing Characteristics of Various Cavity Shapes in SCRamjet Engine

In combustor of SCRamjet of air-breathing engine type, the flow duration time is very short because of the supersonic air flow. In this short duration, the whole process of combustion should be done, so it is very important to study supersonic combustion technologies. In this study, we focus fuel-air mixing enhancement method using cavity and conducted 3-dimensional Navier-Stokes computational analysis. Cavity height is fixed by 10mm, length is changed from 0 to 40mm. There is a supersonic jet injection downstream of the cavity and the hole size is 1mm. As a result, the higher ratio of cavity length/height is, the higher value of vorticity gets. The increased area of vorticity expands to upper and sidewise combustor. However, the stagnation pressure loss which generates thrust loss becomes higher when the vorticity is higher. Considering these result, we can conclude that optimized design which considers the highest mixing performance and the least stagnation pressure loss is needed.

스크램제트 엔진 내부 Cavity 형상 변화에 따른 혼합 성능 특성

공기흡입식 추진 기관인 스크램제트 엔진은 연소기 내부 유동이 초음속으로 유동장의 연소기 내부 체류 시간이 수 ms로 매우 짧다. 이 짧은 시간동안 연소과정이 모두 이루어져야 하므로 초음속 연소기술에 대한 연구는 매우 중요하다. 본 논문은 초음속 연소 기술 중 연료-공기의 혼합을 증대시키는 방법에 관심을 두고 Cavity를 이용한 방법을 선택하여 높이를 10mm로 고정시키고 길이를 변화시켰으며, Cavity 후류에서 지름 1mm의 분사구를 통해 음속 let을 분사시키는 유동장을 형성하여 3차원 Navier-Stokes 방정식을 통해 점성 유동장을 해석하였다. 해석 결과 Cavity 길이/높이비(L/H)가 클수록 Vorticity가 값이 증가하였고 Vorticity의 증가 영역이 유동장의 위, 옆 방향으로 확장되는 것을 볼 수 있었다. 하지만 Vorticity가 증가하는 만큼 추력특성을 떨어뜨리는 정체압력 손실이 증가하므로 연소기 설계 시 최대의 혼합과 최소의 정체압력 손실을 고려한 최적 형상 설계가 필요하다는 것을 확인하였다.