• Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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• 1998.04a
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• pp.9-9
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• 1998

가스터빈 연소기의 난류유동장을 구성하는 기본적인 유동형태는 크게 밀폐관내의 돌연 확대를 가지는 동축제트, 선회유동, 그리고 연소공기공 및 회석공기공을 통해 연소실에 수직방향으로 유입되는 제트유동 등으로 분류할 수 있다. 실제 가스터빈 연소기내의 난류유동장을 수치해석하기 위해서는 임의의 형상을 갖는 3차원 유동장을 모사할 수 있는 수치해석법과 고차정확도를 유지하면서도 수렴안정성을 만족시키는 대류항 처리기법 등과 같은 수치모델의 개발이 선행되어야 하며, 이와 함께 복잡한 난류연소유동장을 정확히 묘사할 수 있는 난류모델 및 난류연소모델의 개발 및 검증이 가장 중요한 요인이 된다. 또한 가스터빈 연소기의 최적 설계는 넓은 작동구간에서 높은 효율, NOx 및 CO 배기량의 저감, 희박연소 가연한계의 확장, 연소계통에서의 낮은 압력강하, 낮은 연소벽면온도와 온도구배를 유지시키기 위한 공기에 의한 충분한 냉각 같은 서로 상충되는 설계조건을 만족해야 한다. 그리고, 이러한 상충된 연소설계조건들을 충족시키는 최적 연소기의 설계를 위해서는 실험적인 연구뿐만 아니라 연소기내의 물리적인 현상을 잘 반영할 수 있는 물리적 모델을 바탕으로 한 연소유동의 해석적인 연구를 필요로 한다. 본 연구에서는 원통형 가스터빈 연소기의 등온 및 연소유동장, 그리고 연소기와 연결되는 Scroll 내부의 난류유동장에 대한 수치해석을 수행하여 수치 및 물리모델의 예측능력을 검증하였고, 가스터빈 연소유동장 해석에 관련된 중요 논점들에 대하여 심도있게 분석하였다.

• Journal of the KSME
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• v.56 no.9
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• pp.32-37
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• 2016

초임계 유체의 고유한 물리적 특성변화와 난류유동을 결합하여 성능을 높이는 데 활용하고 있는 가장 대표적인 시스템 중의 하나는 연소기이다. 이때 연료와 산화제의 연소반응은 저압조건과 다른 고유한 특성을 가지고 있어 기존의 연소모델에 의해서는 정확한 분석이 어렵게 된다. 따라서 초임계 압력조건에 대한 연소과정을 분석할 수 있는 연소모델이 필요하고 이러한 연소과정이 난류유동조건에서 발생하기 때문에 최근 많은 연구가 초임계 난류연소모델 개발에 집중되어 왔다. 이 글에서는 특히 액체로켓엔진 관련 초임계 연소모델 개발 분야의 연구동향을 살펴보고자 한다.

• Journal of Energy Engineering
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• v.20 no.4
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• pp.338-345
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• 2011

The swirl flow applied for high efficiency and reduction of emission such as NOx, CO in a gas turbine engine makes recirculation zone by shear layer in the combustion chamber. This recirculation zone influences a decreasing flame temperature and flame length by burned gas recirculation. Also it is able to suppress from instability in lean-premixed flame. In this study, it was found that the swirl flow field was characterized as function of swirl number using PIV measurement in dump combustor. As increasing swirl number, a change of flow field was presented and recirculation zone was shifted in the nozzle exit direction. Also turbulent intensity and turbulent length scale in combustor were decreased in combustion. It has shown reduction of eddies scale with swirl number increasing.

• 한국가시화정보학회:학술대회논문집
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• 2005.04a
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• pp.115-154
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• 2005

SI 엔진의 연소특징은 비정상 난류 예혼합 화염이며 여기서 내부 유동은 직접 화염 전파에 영향을 미치며 난류와 거시적 유동의 패턴 모두 중요한 역할을 한다. 내연기관 연소에서 난류는 매우 중요한 역할을 하고 통상 엔진 속도($\approx$흡입유동 속도)에 비례하며 그 주요 역할은 고속 운전 시 해당 사이클 내에 연소가 완료되는 데 기여하지만 출력저하, 제어 및 측정 그리고 사이클 변동과 관련하여 실질적으로 난류 제어를 통한 엔진 성능 개선은 사실상 불가능하다. 실물 엔진의 성능 파라미터로 주로 유동의 거시적 거동이 사용되며 이 유동과 연료 분사계가 혼합기 분포 상태와 화염 전파 방향을 결정하여 최종적으로 엔진의 성능을 지배한다. 따라서 가시화를 통한 연소 진단도 이 현상에 주목할 필요가 있으며 거시적 파라미터를 성능에 연관하는 다양한 기법이 존재하고 이들은 매우 풍부한 데이터베이스를 통해 비교적 정확한 성능의 예측을 가능하게 하고 이 점에 주목한 엔진만 성공을 거두었다. 이 거시적 현상에 주목하여 가시화를 통해 성층화 현상을 실험적으로 해석한 예를 제시하였다. SI 엔진 가시화에서 기법보다 중요한 것은 현상의 이해이다. 이를 위해 성공적 가시화 진단을 위해서는 우선 현상에 대한 모델링이 필요하고 이 모델에서 가시화를 통해 규명 가능한 현상을 추출해 내는 것이다.

• Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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• 2003.05a
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• pp.244-245
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• 2003

고체나 액체 추진로켓에 비하여 하이브리드 추진 시스템은 작동조건의 안정성과 안전함등의 많은 장점을 가지고 있다. HTPB와 같은 고체연료는 제작 및 저장, 운송 그리고 장착상의 안정성을 가지고 있으며 하이브리드 로켓의 고체연료로의 산화제의 유입을 제어하면서 추력의 변화와 엔진내부의 연소중단과 재 점화를 용이하게 할 수 있다. 이러한 이유로 인하여 하이브리드 엔진은 좀 더 경제적인 장치로 기대를 모으고 있다. 그러나, 기존의 하이브리드 로켓 엔진은 고체 추진 로켓에 비하여 낮은 연료 regression 율과 연소효율을 가지는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하고 요구되어지는 추력값과 연료유량을 증가시키기 위하여 고체연료의 표면적을 증가시킬 필요가 있다. 기존의 하이브리드 엔진에서는 연료 그레인에 다수의 연소포트를 만들어 표면적을 증가시켰으나 이는 비 활용 공간의 증가와 추진제의 질량 및 체적분율의 상당한 감소를 초래한다. 지난 수십년간에 걸쳐 하이브리드 엔진에서 연료의 regression 특성 및 엔진 성능 향상을 위한 연구가 계속되어 왔으며 최근에 엔진의 체적 규제를 경감시키고 연료의 regression율을 향상시키기 위하여 선회유동을 이용하는 하이브리드 로켓 엔진들이 제안되고 있다. 이러한 선회유동을 가지는 하이브리드 로켓은 고체연료 그레인에 대하여 평행하게 유입되는 기존의 하이브리드 로켓에 비하여 고체연료 벽면에서의 대류열전달이 현저하게 증가하게 되어 아주 높은 고체연료의 regression율을 얻을 수 있는 이점이 있다. 선회유동 하이브리드 로켓의 연소과정은 고체 연료의 열분해과정, 대류 열전달, 난류 혼합, 난류와 화학반응의 상호작용, soot의 생성 및 산화과정, soot 입자 및 연소가스에 의한 복사 열전달, 연소장과 음향장의 상호작용 등의 복잡한 물리적 과정을 포함하고 있다. 이러한 물리적 과정 중 난류연소, 고체연료 벽면 근방에서의 대류 열전달 및 연소과정에서 생성되는 soot 입자로부터의 복사 열전달, 그리고 고체연료 열 분해시 표면반응들은 고체연료의 regression율에 큰 영향을 미친다. 특히 고체연료의 난류화염면의 위치와 폭, 그리고 비 예혼합 난류화염장에서 생성되는 soot의 체적분율의 예측은 난류연소모델, 열전달 모델, 그리고 regression율 모델에 의해 크게 영향을 받기 때문에 수치모델의 예측 능력 향상시키기 위하여 이러한 물리적 과정을 정확히 모델링해야 할 필요가 있다. 특히 vortex hybrid rocket내의 난류연소과정은 아래와 같은 Laminar Flamelet Model에 의해 모델링 하였다. 상세 화학반응 과정을 고려한 혼합분율 공간에서의 화염편의 화학종 및 에너지 보존 방정식은 다음과 같다. 화염편 방정식과 혼합분률과 scalar dissipation rate의 관계식을 이용하여 혼합분률과 scalar dissipation rate에 따른 모든 reactive scalar들을 구하게 된다. 이러한 화염편 방정식들을 mixture fraction space에서 이산화시켜서 얻은 비선형 대수방정식은 TWOPNT(Grcar, 1992)로 계산돼 flamelet Library에 저장되게 된다. 저장된 laminar flamelet library를 이용하여 난류화염장의 열역학 상태량 평균치는 presumed PDF approach에 의해 구해진다. 본 연구에서는 강한 선회유동을 가지는 Hybrid Rocket 연소장내의 난류와 화학반응의 상호작용을 분석하기 위하여 Laminar Flamelet Model, 화학평형모델, 그리고 Eddy Dissipation Model을 이용한 수치해석결과를 체계적으로 비교하였다. 또한 Laminar Flamelet Model과 state-of-art 물리모델들을 이용하여 선회 유동을 갖는 하이브리드 로켓 엔진의 연소 및 Soot 생성 및 산화과정을 살펴보았으며 복사 열전달이 고체 연료 표면의 regression율에 미치는 영향도 살펴보았다. 특히 swirl강도, 산화제의 유입위치 그리고 선회유동의 형성방식이 하이브리드 로켓의 연소특성 및 regression rate에 미치는 영향을 상세히 해석하였다.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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• v.16 no.9
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• pp.1744-1759
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• 1992

A multidimensional simulation of turbulent flow and combustion with swirl in the cylinder of SI engine is implemented to clarify the effects of swirl. present simulation employs the ICED-ALE numerical technique, the skew-upwind difference scheme, a modified k_.epsilon. turbulence model, a combustion model of Arrhenius type and turbulence-mixing-control type. First, the calculations for swirling flow in an axisymmetric cylinder are carried out. The results are compared with the experimental data to validate the numerical analysis. Second, the calculations for intake, compression and combustion processes in an axisymmetric cylinder are performed. The effects of swirl on turbulent flow and combustion are examined through the parametric study of swirl number 0.0, 0.6, 1.2 and 2.4. As a result, it is numerically shown that the turbulent kinetic energy and the swirl velocity, which are produced during the intake process, affect the combustion process.

• Journal of Energy Engineering
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• v.22 no.4
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• pp.399-405
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• 2013

The gas motion inside the engine cylinder plays a very important role in determining the thermal efficiency of an internal combustion engine. A precise information of in-cylinder three dimensional complex gas motion is crucial in optimizing engine design. Homogeneous charge compression ignition (HCCI) engine is a combustion concept, which is a hybrid between Otto and Diesel engine. The turbulent diffusion leads to increased rates of momentum, heat and mass transfer. The in-cylinder turbulence flow was found to affect the present HCCI combustion mainly through its influence on the wall heat transfer. This study investigates the effect of piston geometry shape on the turbulent flow characteristics of in-cylinder from the numerical analysis using the LES model and the results obtained can offer guidelines of the combustion geometries for better combustion process and engine performance.

• Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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• v.18 no.2
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• pp.1-9
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• 2014

To investigate the flame dynamics in an annular combustor with single swirl injector, a 3D large-eddy simulation (LES) and a level-set flamelet turbulent combustion model have been implemented. The LM6000 developed by GEAE has been used as the combustor of concern and boundary conditions are based on experimental data. The strong central toroidal recirculation zone induced by the volume expansion of the combustion gas and the vortex breakdown continuously occurred through the procession of the vortex with decreasing strength, are observed.

• Journal of the KSME
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• v.33 no.12
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• pp.1063-1068
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• 1993

왕복식엔진에서 연소과정은 실린더내 유체유동에 지배되므로 최적조건의 엔진설계를 위해서는 실린더내 유체유동을 효과적으로 이용하는 것이 필요하다. 연소과정에 중요한 영향을 미치는 압축말기 연소실내 난류강도는 흡입과정시 생성된 유동의 에너지가 압축과정을 거치면서 작은 스케일의 에디(eddy)로 깨지면서 발생된다. 연소과정시 이러한 에디들은 초기화염생성을 촉진 시키고 화염전파속도를 증진시키는 역할을 함으로써 실린더내 유체유동에 대한 이해증진을위해 실린더내 평균속도 및 난류유동을 측정하는 연구들이 많이 진행되고 있다. 엔진유동은 매사이 클의 유동이 엄밀히 주기적인 운동을 하지 않고, 각 사이클의 유동이 비정상유동을 하며, 유동의 생성 및 소멸이 매우 짧은 특성을 가진다. 따라서 산란입자가 측정체적을 통과할 때 속도데이 터가 발생하는 LDV(laser Doppler velocimetry) 측정에 있어서 레이저빔의 산란광노이즈 감소와 산란입자의 효율적인 공급으로 데이터 발생률을 높이는 것이 어려운 점이다. 이 글에서는 엔진 유동의 LDV측정시 고려해야 할 문제점들, 실험장치구성, 그리고 데이터처리 방법과 주요측정 결과에 대해 본 연구팀에서 지금까지 수행한 연구결과를 토대로 하여 기술하고자 한다.

• Proceedings of the Korea Society for Energy Engineering kosee Conference
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• 1998.05a
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• pp.57-62
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• 1998

미분탄 연소로는 산업현장, 특히 화력발전플랜트에서 널리 사용되는 설비로서 국내외의 많은 현장에서 적용되고 있다. 이에 따라 연소로내의 난류유동장과 연소현상 등에 대한 이해 및 이를 설계에 응용하고자 하는 노력들이 진행되고 있다. 특히 연소로내의 복사열전달 특성의 이해를 통한 연소로 크기 결정 및 수순환 해석, 화로출구온도 계산에 의한 대류전열부 설계 등에 적용하고자 시도하고 있다. (중략)