• 한국가시화정보학회:학술대회논문집
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• 한국가시화정보학회 2005년도 한국가시화정보학회 연소/내연기관 부문 학술강연회
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• pp.3-57
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• 2005

왕복동 내연기관에서의 연소 및 배기가스 생성은 복잡한 3차원 영역 내에서 난류 유동, 분무, 화학반응, 열전달, 경계층 현상이 상호 연계되어 있는 매우 복합적인 과정이다. 특히 난류 연소 현상은 기관의 효율을 결정하는 연소 속도와 pollutant의 배출 농도를 결정하는 핵심 요소로서 관련 모델과 수치 해법에 대해 학술적, 공학적 측면에서 세계적으로 활발한 연구가 이루어지고 있다. 이를 위해 수행되는 다양한 실험 측정과 수치 해법을 통해 얻어지는 3차원 과도 상태의 방대한 스칼라량과 벡터량에 대한 정보를 효율적으로 처리하기 위해서는 적절한 가시화 과정이 필수적이다. 여기서는 최근 다양한 엔진 타입들에 대한 응용 사례와 함께 난류 연소 모델링을 위한 새로운 접근법으로서 조건평균법(conditional averaging)에 대해 간략히 소개하고자 한다. 난류예혼합연소에서의 난류화염속도에 대한 DNS와 영역조건평균에 기초한 예측식의 검증, 천연가스 jet의 자발화 지연기간, n-heptane jet의 자발화 진행 과정, HSDI 엔진, HCCI 엔진, CNG 엔진, LPG 분무 및 엔진, GDI 엔진 등에 대한 연구 결과들은 정보 가시화의 한 사례가 될 수 있을 것으로 생각된다.

• 한국가시화정보학회:학술대회논문집
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• 한국가시화정보학회 2005년도 한국가시화정보학회 연소/내연기관 부문 학술강연회
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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.

• 한국추진공학회:학술대회논문집
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• 한국추진공학회 2003년도 제20회 춘계학술대회 논문집
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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.

• 한국가시화정보학회지
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• 제3권2호
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• pp.14-20
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• 2005

내연기관 연소는 난류유동, 분무, 연소, 열전달의 복합적인 현상으로서 열역학적 해석이 주류를 이루어 왔으나 컴퓨터의 발전에 따라 효율 개선과 공해 저감을 목표로 전산유체해석 기법이 적극적으로 도입되고 있다. 내연 기관 연소의 근간을 형성하는 난류 연소 모델링의 기본 개념으로서 가솔린엔진에서의 예혼합연소와 디젤엔진에서의 확산연소에 대한 영역조건평균(zone conditional averaging) 모델과 조건평균닫힘(conditional moment closure) 모델에 대해 설명하였으며 $NO_x$와 soot 예측에 대한 적용과 엔진응용 사례를 소개하였다.

• 에너지공학
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• 제22권4호
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• pp.399-405
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• 2013

엔진 실린더 내부의 난류유동 특성은 내연기관의 열효율을 결정하는 매우 중요한 역할을 한다. 실린더 내 난류유동은 복잡한 3차원 유동으로 유동특성에 대한 자세한 정보는 엔진설계의 최적화를 위해 필수적이다. 균일 예혼합 압축착화(HCCI) 엔진은 가솔린과 디젤엔진 사이의 하이브리드 연소개념이다. 실린더 내 기체의 난류유동은 운동량과 열의 혼합 및 전달률을 증가시키므로 벽면에서의 열전달에 관여하여 HCCI 연소 과정에 중요한 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 연소실 형상에 따른 연소실 내의 기체 난류유동을 LES 모델을 사용한 전산수치해석을 통해 분석하여 HCCI 엔진 연소과정에 미치는 영향을 확인하였고 연구결과는 HCCI 엔진에서 연소실 형상에 따른 연소 특성과 엔진 성능을 개선하기 위한 기본적인 지침에 활용될 수 있다.

• 한국추진공학회:학술대회논문집
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• 한국추진공학회 2011년도 제37회 추계학술대회논문집
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• pp.78-84
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• 2011

공기를 이용한 축소형 4 노즐 클러스터드 엔진 저부 유동에 대한 CFD 해석을 수행하여 격자 및 차분법, 난류 모델에 따른 비교를 수행하였다. 해석 결과 Roe나 AUSM 차분에 따른 차이는 발견되지 않았으나, 난류 모델에 따른 차이는 적지 않은 것으로 나타났다. 본 연구의 결과로는 Spalart-Allmaras 1 방정식 난류 모델이 SST k-w 모델에 비하여 경향성을 잘 맞추는 것으로 드러났다. 엔진 저부의 마하수, 압력 속도 등의 변화를 분석하면, 엔진과 엔진 사이의 외부 노출 공간에서 유동의 목을 형성하는 것은 아닌 것으로 보이고 이는 노즐과 노즐 사이의 공간이 목을 형성한다는 일부 해석적 이론에서 가정한 상황과 약간 다른 것이다.

• 대한기계학회논문집B
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• 제22권9호
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• pp.1307-1316
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• 1998

Engine turbulences obtained by LDV measurement near the compression TDC was analyzed by the classic turbulence theory. Turbulences were quantified by a cycle resolved analysis and processed to reveal integral time scale and length scale. Three different definitions were applied to obtain the turbulence time scales and then compared each others. The classic turbulence theory with the several assumptions for engine application proven to be very efficient for understanding engine turbulence in this study. It was found that the integral length scale is strongly affected and increased by tumble flow.

• 기계저널
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• 제33권12호
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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.

• 기계저널
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• 제56권9호
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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.

• 기계저널
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• 제56권9호
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• pp.49-53
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• 2016

액체로켓엔진은 연소실의 온도가 약 3,600K로서 냉각시스템은 필수적이다. 지금까지 대표적으로 사용되어온 냉각방법은 재생냉각과 막냉각으로 아임계압력에서 다양한 실험연구에 의해서 설계가 진행되어 왔다. 아임계압력에서 얻어진 유동구조 이해 및 설계경험식은 초임계 압력에서는 물성치가 급격히 변하기 때문에 재정립될 필요가 있다. 특히 열전달 성능을 좌우하는 난류유동구조가 크게 바뀌기 때문에 초임계 유체에 대한 난류유동 및 열전달연구가 진행될 필요가 있다. 이 글에서는 초임계 압력조건에서 난류열전달 연구동향을 소개하고자 한다.