Kim, Hyuntae;Chung, Yunjae;Jeong, Seokkyu;Yoon, Youngbin
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.43
no.7
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pp.619-625
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2015
Swirl injectors are widely used for Liquid Rocket Engine(LRE) as fuel injection system and following researches are also being carried out throughout the world. Especially, solving combustion instability problem is essential for every type of LREs. In this study, cold test was carried out for open type swirl injector as a fundamental research to solve combustion instability problem. Pressure fluctuation was applied to the inlet flow coming into the injector and the following response characteristics were observed. The effect of swirl chamber geometry was also studied by changing both swirl chamber length and diameter.
Combustion instability is critical problem in developing liquid rocket engine. There have been many efforts to solve this problem. In this study, the method was sought through the injector as part of these efforts to suppress combustion instability. If the injector can suppress the disturbance coming from the supply line as a kind of buffer it will serve to reduce combustion instability. Especially we target at gas propellant oscillation in gas-centered swirl coaxial injector. The phenomenon is simulated with acoustic excitation of speaker. The film thickness response at injector exit was measured by using a liquid film electrode. Also the response of spray to the disturbance was observed by high-speed photography. Gas-liquid momentum flux ratio and the frequency of feeding gas oscillation were changed to investigate the effect of these experimental parameters. The trend of response by varying these parameters and the cause of weak points was studied to suggest the better design of injector for suppressing combustion instability.
The liquid film thickness inside a pressure-swirl nozzle was measured, and then the measured liquid film thickness was compared with the results from previous empirical equations. The liquid film inside the nozzle was visualized using extended transparent nozzles and a microscopic imaging system, and then the measurement error was evaluated using optical geometry analysis. The high injection pressures up to 7MPa were adopted to simulate the injection conditions of the direct-injection spark-ignition engines. The totally different two injectors with different fuels, nozzle lengths, nozzle diameters and swirlers were utilized to obtain the comprehensive equations. The results showed that the liquid film thickness very slightly decreased at high injection pressures and the empirical equations overestimated the effect of injection pressure. Most of empirical equations did not include the effect of nozzle length and swirler angle, although it caused significant change in liquid film thickness. A new empirical equation was suggested based on the experimental results with the effects of fuel properties, injection pressure, nozzle diameter, nozzle length and swirler angle.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.7
no.2
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pp.62-69
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2003
Swirl injectors have the advantage of stable combustion, high efficiency, and insensibility to variable O/F ratio. Recess length is the length from outer orifice tip to inner orifice tip. It is the very important variable of performance of swirl type injector Recess length have influence on collision, mixing, spray, and combustion of propellants. This study investigated on the engine performance with the change of recess length through CFD, cold flow test, and combustion test. In result, we could confirm the change of engine performance with the change of recess length. And we found that performance forecast process through CFD, cold flow test is the right process through combustion test.
This study was performed to calculate the swirl ratio of a diesel engine intake port by a 1D computer simulation under actual engine operating conditions. The swirl ratio of the intake port was simulated according to the change of the engine speed during the operation of the motoring without fuel injection. The swirl ratio of the intake port was simulated according to changes in the crank angle during the four-cycle operation of intake, compression, expansion and exhaust. The swirl ratio represented by the three regions of the piston, center and squish was simulated. Among the three regions, the piston-region swirl ratio is important for effective air-fuel mixing in the engine cylinder. In particular, it was confirmed during the simulation that the piston swirl ratio before and after the compression top dead center (TDC) point when fuel is injected in the DI diesel engine can have a significant effect on the mixing of air and fuel. It was desirable to set the average piston swirl ratio over a crank angle section before and after compression TDC as the representative swirl ratio of the cylinder head intake port according to the change of the engine speed.
Combustion characteristics of full-scale gas generators were studied experimentally by changing the injector number installed at the injector head. Three full-scale gas generators were utilized; they have same total mass flow rate but mass flow rates per injector are different. Thirteen, nineteen and thirty seven injectors, which have internal-mixing and double-swirl characteristics, are distributed in injector heads, respectively. The results showed that pressure fluctuations in the gas generators with 13 and 19 injectors didn't occur around longitudinal resonant frequency, however longitudinal-mode pressure fluctuation appeared slightly in the gas generator with 37 injectors. As the number of injectors increased, deviations of temperature distribution in the combustion chamber decreased gradually, but the damage of injector LOx posts became a little severe.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2006.11a
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pp.309-315
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2006
Effects of injector or design on combustion characteristics of full-scale gas generators were studied. Three full-scale gas generators, which have same total mass flow rate but mass flow rate per injector is different depending on their designs, were manufactured. Thirteen, nineteen and thirty seven injectors, which have internal-mixing and double-swirl characteristics, are distributed in injector heads, respectively. The results showed that special pressure fluctuations in the gas generators with 13 and 19 injectors didn't appear around longitudinal resonant frequency, but small longitudinal-mode instability appeared in the gas generator with 37 injectors. As the number of injectors installed in injector heads increased, temperature distribution in combustion chambers showed small deviations, but the damage of LOx posts increased.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2005.11a
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pp.395-406
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2005
Important characteristics of swirl sprays intersected by a strongly convective gaseous cross flows were experimentally investigated. The breakup processes due to different Weber and Reynolds numbers of liquid and gas streams were visually examined with quantitative measurements of breakup lengths, penetration heights, and droplet sizes. Snapshot images and spray data evidenced that, at lower jet Reynolds number the breakup processes portrays the atomization profiles similar to typical column breakup of single orifice jet. At higher jet Reynolds numbers, disintegration of jet stream is significantly expedited by strong momentum transported from strongly convective gaseous stream. The breakup length and penetration height decreased as the convective flow increase. From the bottom the wall up, the SMD measured the centerline first increases and then decreases before again increasing.
Park Sang-Uk;Jeon Byoung-Il;Yu Tae-U;Hwang Jung-Ho
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.30
no.1
s.244
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pp.48-56
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2006
We investigated gas residence time and mixing characteristics due to various swirl numbers generated by normal injection of secondary air to a lab-scale cylinderical combustor. The residence time was estimated by measuring the temporal pressure difference which was caused by deposition of test particles on a filter media after the injection by a syringe. The mixing characteristics were evaluated by standard deviation value of test gas concentration at different measuring points. The test gas concentration was detected by a gas analyzer. The swirl number of $20{\sim}30$ for ${\theta}=5^{\circ}$ caused long residence time enough to improve mixing characteristics. Numerical calculations were also carried out to understand physical meanings of the experimental results.
Jang, Jae Hwan;Cho, Ju Hyeong;Kim, Han Seok;Lee, Sang Min;Kim, Min Kuk;Ahn, Kook Young
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.37
no.1
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pp.51-57
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2013
This study aims to experimentally investigate the combustion characteristics of a lean premixed swirl-stabilized burner with dual-stage fuel injection arrays. The results show that a variation in the fuel distribution to fuel stages 1 (upstream) and 2 (downstream) produces a noticeable change in the NOx and CO emissions. Reducing the confined ratio, defined as the ratio of the nozzle exit diameter to the liner diameter, may reduce NOx and CO emissions owing to reduced combustion loading and longer residence time, respectively. A nozzle exit velocity of 30 m/s shows the optimum characteristics in terms of NOx and CO emissions and flame stability: increasing or decreasing the nozzle exit velocity leads to a degradation in emissions or flame stability, respectively.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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