LES for Turbulent Duct Flow with Surface Mass Injection and Vortex Shedding

Hybrid rocket shows interesting characteristics of complicated mixing layers developed by interactions between turbulent oxidizer flow and mass flow from surface due to fuel vaporization. In this study, compressible LES with a ring structure attached at the entrance of the combustor are performed. According to one recent report, adding a ring structure in the middle of the combustor helps increasing regression rate. From the numerical results, it is seen that vortex structures near the wall becomes stronger due to the interaction with surface mass injection, and the local heat flux increases due to the vortices. This phenomenon is obviously related to the generation of dimple structures which are seen in the number of experiments. Also, the ring structure at the entrance induces strong vortex flow which enhances heat transfer to the wall surface and mixing between fuel and oxidizer as well as reaction efficiency.

입구 와류발생과 질량분사가 있는 연소실 내부유동의 LES 해석

하이브리드 로켓은 축 방향의 산화제 유동과 고체 연료의 기화로 인한 벽면 분출 유동사이의 상호 간섭에 의해 복잡한 형태의 혼합 전단층이 존재한다. 연소실 입구에 링이 설치되어 있고 질량분사가 있는 실린더 유동에 대하여 압축성 효과를 고려한 LES(Large Eddy Simulation) 기법을 적용하여 수치계산을 수행하였다. 최근의 실험에 의하면 연료 중간에 링과 같은 다이아프램이 설치된 경우, 연소율의 증가가 관찰되었다. 계산 결과에 따르면, 축방향 유동과 벽면 분출 유동이 상호 간섭하여 발생하는 벽면 와류가 국부적인 연료 표면으로의 열전달을 증가시켜 실험에서 관찰되는 딤플이 생성되는 것을 확인하였다. 또한 연소실 입구에 설치된 링에 의하여 발생되는 와류는 벽면 와류가 보다 활발하게 생성되고 열전달과 혼합을 향상시키는 역할을 하며 이 때문에 연소율이 증가되는 것으로 보인다.